应用可视化学习工具，培养学生编程思维
吴照龙
在人工智能时代，智能设备、智能应用时时处处都在影响着我们的生活、学习、工作，编程教育、编程思维是智能设备应用的前提和基础，没有编程思维，就不可能开发出优秀的智能APP应用。在当前的中小学编程教育中，编程工具种类丰富，知识更新的速度非常快，教师不可能在有限的课堂上教会学生所有知识，只能教会学生掌握学习知识的能力，培养学生思考问题、解决问题的思维能力。可视化学习工具是一种图形化的、非常直观的全脑思维方式，它作为一种信息技术课程的辅助教学工具，能有效帮助学生思考问题、解决问题，培养中小学生编程思维能力。
● 可视化学习工具的概念及其应用方式
1.可视化学习工具的概念
可视化学习，是以图形化的手段直观地把学习过程中复杂的、不可视的思考方法和思考过程清晰地呈现出来，进而促进问题分析、问题解决的一种技术手段。思维可视化是一种以数据可视化、计算可视化和信息可视化为基础，促进知识的传播和创新的技术。国内外的专家学者认为，思维可视化建模是一种能够激发、支持和评估概念转变的强有力的知识组织策略。美国教育技术和教学设计专家戴维·乔纳森在2006年创造性地提出了思维建模工具这一概念，并将其明确定义为可用来建立思维模型的思维可视化学习工具。他还提出了将可视化学习工具用来作为建模工具的思想，即利用可视化学习工具为自己的知识阐释和重组建立模型，从而更好地通过知识吸收与重组，获得有意义的学习。常见的可视化学习工具有概念图（Concept Map）、思维导图（Mind Map）、认知地图（Cognitive Map）、思维地图（Thinking Map），其中以概念图和思维导图最常用。
2.可视化学习工具在编程教育教学中的应用方式
常言道：“百闻不如一见。”“一图胜过千言。”人们80%以上的信息是通过视觉获得的。把纷繁复杂、丰富多样的知识以直观、常见的图形呈现出来，能有效解决在传统教学中单一文字方式呈现的不足，能简化语言表达，提高学习效率。知识的建构是建立在已有的概念对事物的观察和认识的基础上，学习的过程就是一个建立概念网络，并不断地向该网络增添新内容的过程。为了提升学习效率，必须把新知识和旧知识联系起来。可视化学习工具应用于编程教育课堂教学中，能有效帮助学生构建知识网络，分析各个知识点之间的区别与联系，针对具体的知识点线索分析问题、解决问题，提高学生的思维能力和学习能力，培养学生的编程思维，提升课堂教学效果。
可视化学习工具在编程教育课堂教学中的应用，主要有以下几种方式：①编程流程板书。可视化学习工具有丰富的图形展示功能，在编程教学中使用色彩、图形、文字等方式进行板书，可以清晰讲解程序编写的整个流程，激发学生对编程课程的学习兴趣。②使用可视化学习工具进行课前预习。让学生通过绘制已有知识的网络图，加深巩固已经掌握的知识，找出不会的知识点，并进行标注说明，带着问题去上课，可有效提升学习效率。③速记课堂笔记。应用可视化学习工具记笔记，培养学生使用简洁的关键词来进行记录，可以节省时间、加深记忆，保证跟上教师的教学进度。同时，使用可视化学习工具的方式记录课堂所学知识，也可以使学生在日后复习知识时，更有兴趣，更有效率。④提升复习效率。应用可视化学习工具对相应知识点进行总结复习，把自己的理解画成直观的可视化图形，这在提升复习效率的同时，也可以让教师快速掌握学生对知识点的理解情况。
● 可视化学习工具在编程课堂教学中的作用
1.编程思维过程可视化
可视化学习工具通过直观的图形、连接线的形式向学生展示出编程问题思考的过程以及各个子程序之间的具体关系，简化程序的算法、流程，学生更容易理解和接受。
2.直观整合各个知识点
可视化学习工具更直观地显示各个知识点之间的区别与联系，并把新知识点整合到可视化图形中，降低理解的难度。
3.整合各个学科的学习资源
人工智能时代的编程教育，并不仅仅局限于单一的学科，steam（科学、技术、工程、艺术、数学）教育跨学科融合，打破传统的学科界限。在进行编程教育课堂教学时，也需要考虑把这些领域的项目有序地放到一起，以此让学生有机会接触各个领域的问题、知识，激发其兴趣爱好。可视化学习工具为跨学科融合提供了直观、易于理解的有效手段。
4.整合丰富的教育教学资源
使用可视化学习工具，可以整合丰富的教育教学资源，如文本、视频、音频、图形图像、Excel、Doc、PPT、JPG、PDF、HTML等素材，提升课堂教学效率。
● 可视化学习工具提高中小学编程教育课堂效率
1.综合运用思维导图、树状图来梳理编程思维
人工智能时代，编程教育已经不断深入渗透到中小学信息技术学科教学中，编程教育可以培养学生的计算思维，让学生利用编程思维的方式去解决生活中碰到的实际问题，满足不同学生的兴趣需求。在实际的编程教学中，可以借助可视化学习工具，来帮助学生进行编程思路的梳理，优化解决问题的思想和方法，对程序编写的过程、数据、结果进行对比分析，简化编程过程。
以“绘制螺旋状图形”为例，使用思维导图、树状图、鱼骨图等可视化学习工具，清晰梳理出绘制螺旋状图形的过程（如图1）。把基本图形与螺旋状图形进行对比分析，可以直观地总结出编程的关键之处：线条、角度。基本圖形的线条长度固定不变，线条数量有限，线条颜色单一;而螺旋状图形的线条长度是有规律增加的，线条数量不限，线条颜色是彩色的。另外，不管是基本图形，还是螺旋状图形，每次绘制线条的旋转角度都是固定不变的。
因此，我们可以用思维导图进行梳理对比基本图形与螺旋状图形的绘图过程，用树状图列出旋转角度固定时绘制出的规则图形及角度。
在编程教育课堂教学中，针对具体的问题，程序编写可能会需要用到跨学科、跨章节、跨年段的知识点，使用合适的可视化学习工具，可以使这些零乱的、相对独立的知识点之间清晰地关联起来，帮助学生有效提炼各种信息，把零乱丰富的知识内容变成生动、好记的图例，如图2所示。
2.用鱼骨图引导学生探究问题、解决问题
鱼骨图是一种发现问题“根本原因”的方法，它也可以称为“Ishikawa”或者“因果图”。其特点是简洁实用、深入直观。它看上去有些像鱼骨，问题或缺陷（即后果）标在“鱼头”外。在鱼骨上长出鱼刺，上面按出现机会多寡列出产生问题的可能原因，有助于说明各个原因之间是如何相互影响的。因其形状如鱼骨，所以又叫鱼骨图，它是一种透过现象看本质的分析方法。在教学中，鱼骨图可以很形象地表示解决问题的流程，也可用于探究式学习，首先我们知道了结果，再去分析造成结果可能出现的多种原因，这样引导学生踊跃提出疑问，合作式地去探究结果的源头。
同样以“绘制螺旋状图形”为例，我们可以用鱼骨图来直观地分析梳理绘制螺旋状图形的整个流程（如图3），知道了结果（绘制螺旋状图形），进而探究原因（线条、旋转角度），得到过程（线条长度、线条数量、线条颜色）变化，总结出绘制螺旋状图形的关键点：线条长度有规律地增加。通过编写程序解决“线条长度有规律增加”，来实现最终结果，绘制螺旋状图形。
● 结语
在传统的中小学信息技术课堂教学中，教师重视学生对“操作技能”的掌握，教师和学生都更多地关注如何实现某一操作，而忽视“为什么要实现这一效果，原理是什么”的问题，这往往使知识脱离具体的逻辑思维，变成了“死知识”。在这样的课堂上，教师教什么，学生就会什么，学生缺乏自己的创新精神。因此，应用可视化学习工具，可以把“看不见的”思维过程和方法清晰地呈现出来，从一个知识点开始，随着探究思维的不断深入，在思考过程中逐步形成一个直观有序的图，促使学生勤于思考，习惯思考，使思维立体化，激发想象力，挖掘知识的深度和广度，激发学生的创新潜能，促进学生逻辑思维能力的提升，提高课堂教学效率。
