基于可视化工具的小学生计算思维培养
摘要：在信息社会化的今天，计算思维已与阅读、写作、算术一样，成为每个现代公民必备的素质。通过对教学实践的观察思考以及不断的教学实践探索，笔者总结出基于可视化工具对小学生计算思维的培养方法。本论文对利用故事板、作品规划表、流程图等多种可视化工具培养小学生计算思维的方法作了详细的介绍，并结合Scratch教学实践来进行说明。
关键词：计算思维;可视化工具;小学生;Scratch
中图分类号：G623.58文献标识码：A? 文章编号：1003-2177（2020）13-0092-03
1 计算思维与可视化工具
1.1计算思维的定义及特征
我国高中信息技术课程标准修订组组长任友群教授将计算思维定义为：是一种独特的解决问题的过程，反映出计算机科学的基本思想方法。同时任教授指出计算思维包括以下特征：（1）采用抽象和分解的方法形式化复杂问题，建立结构模型，形成更加高效、可执行的解决方案;（2）运用计算机学科基本概念与工具方法判断、分析、综合各种信息资源，强调个体与信息系统的交互思考过程;（3）是一种独特的问题解决能力组合，融合设计、算法、批判、分析等多种思维工具，综合运用可以形成系统化的问题解决方案[1]。
我国2017版“普通高中信息技术课程标准”对计算思维所作的定义是：计算思维是以计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并可迁移到与之相关的其他问题解决中的一种学科思维[2]。
从以上对计算思维的定义及其特征可以看出计算思维就是利用计算机知识解决问题的方法并迁移到其他知识中去的思维，计算思维的培养主要体现在学生利用计算机解决实际问题中所表现的思维，这些思维包括设计思维、算法思维以及创新思维等一系列思维。
1.2可视化工具
任友群教授在《数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性》一文中谈到计算思维进入我国中小学信息技术教育可能性的时候提到可以将计算思维从方法习得、工具应用、思维迁移三个层面与中小学信息技术课程融合并落实。在文中，任教授倡导“使用流程图等工具培养锻炼学生学会清晰表达个人思想”、“信息技术课程应当注重培养学生综合运用多种思维工具解决问题的能力”以及“在信息技术课程中，更需要引导学生将计算思维合理地应用至日常生活与学习之中，形成一种思维习惯”。此外，任教授还提出让学生体验使用计算思维求解问题的一般过程和方法，最终达到能够在实际问题中灵活地迁移和应用计算思维的目标。
所谓可视化，就是把数据、信息和知识等抽象内容，以直观可视的方式表达出来，并对数据进行更深层次的认识和解读[3]。Scratch编程软件是一款积木式的可视化编程软件，操作简单，利用它学习者可以輕松地创作出各种故事、动画、游戏作品。此外，常见的可视化工具有图示图表，概念图、思维导图、思维地图等，笔者结合具体的教学实际及教学内容设计采用的可视化工具有故事板、作品规划表、流程图、思维图等。
2 利用可视化工具培养学生计算思维
结合任友群教授关于中小学计算思维教育落实的策略方法的建议，笔者设计了故事板、作品规划表、流程图、思维图等可视化工具培养学生的设计思维、算法思维以及创新思维，渗透计算思维的培养。
2.1故事板、作品规划表——培养设计思维
设计思维是为改进问题或结果所提供实用和富有创造性的解决方案的一种思维。它是一种以解决方案为导向的思维形式，它不是从某个问题入手，而是从目标或者是要达成的成果着手，继而探索问题中的各项变量及解决方案。在教学中笔者采用了故事板、作品规划表两种可视化工具向学生渗透设计思维的培养。通过故事板、作品规划表这两种可视化工具不仅有利于引导学生把抽象的设计思维用可视化的形式表现出来，还能够对学生的想象力、表达能力等综合能力进行较全面的了解，从而培养学生分析问题和创造设计的能力。故事板的完成要求学生在创作前对所创作故事的背景、角色、内容进行一个整体的设计。作品规划表则要求学生对游戏作品的背景以及角色功能进行设计分析，对创作中可能存在的问题进行预测分析，并提出解决方案。学生在编写程序脚本的过程中可以随时对故事板和作品规划表的内容进行修改完善。学生在设计故事板、作品规划表的过程就是对作品的初步设计与构思，对故事板和作品规划表不断修改、完善的过程就是提出问题、解决问题的过程，同时也是对程序不断调试、优化、完善的过程。
在《角色的移动及定位》一课的教学中，笔者以续编龟兔赛跑的故事为主题进行教学，编写程序脚本之前，笔者运用故事板引导学生对故事的背景、角色以及将发生的事情进行整体的规划设计，所用的故事板如图1所示。学生在完成故事板的过程中，心里已经对故事有了一个详细的规划设计，对角色间将发生的对话、行动、心理都有了一定的预设，故事仿佛在心里上演了一次，对所设计的故事进行了一次上演，因此学生在编写故事脚本的时候效率得到了大大的提高，创作的故事充满了创意。同样的，在《垃圾齐分类——综合创作》一课的教学中，笔者先指导学生填写作品规划表，与学生一起对作品的背景、角色功能以及可能运用到的指令进行分析预测，所运用的作品规划表如图2所示。通过事先对作品的分析设计，学生编写过程中遇到的问题大大减少，解决问题的效率也明显得到了提高。通过故事板、作品规划表可视化工具将思维可视化，既方便老师给学生提供连续、及时的指导和帮助，也让了学生发现问题、解决问题的能力得到锻炼，大大提高学生编写程序的效率。学生正是通过对故事版和作品规划表的编写、修改、完善的过程，切身体验到设计作品的过程及其乐趣，产生整体设计规划的意识。
2.2流程图——渗透算法思维
算法思维可认为是运用一定的方法和步骤来解决问题的思维，它强调解决同类问题的逻辑性、条理性和程序化。为了让学生更好地认识、理解和掌握Scratch 积木，发展利用编程解决问题的算法思维，教学中笔者使用了大量的流程图帮助学生理解晦涩难懂的编程思想，同时要求学生在编程操作前尝试编写角色流程图，从而向学生渗透算法思维[4]。流程图的绘制就是一个将算法思维可视化的过程，通过流程图的绘制学生可以直观明了地理解程序的内在逻辑。在讲解《角色的移动及定位》一课时，笔者将乌龟与兔子的脚本以流程图的形式向学生呈现，让学生通过直观的流程图理解线性编程结构在计算机中的执行过程。在进行重复执行积木教学时，为了让学生更好地理解循环结构在计算机的执行逻辑，笔者同样采用了流程图的方式向学生展示，通过与学生一起分析计算机执行脚本的过程，帮助学生理解計算机在解决该类问题的方法步骤，培养其算法思维。对于较难理解的分支结构，在进行“如果……否则……”积木的教学时，笔者以有趣的海洋世界为主题进行教学，运用了流程图帮助学生理解积木在计算机的执行过程，如图3所示。通过流程图，学生可以清晰明了地理解脚本在计算机中的执行过程，感受计算机在解决问题中的逻辑性、条理性和程序化，从而更好地理解计算机在解决生活中的实际问题的一般思想和方法，从而达到向学生渗透算法思维的目的。
2.3思维图——拓展创新思维
创新思维可以理解为以新颖独创的方法或角度解决问题的思维过程。在教学中主要体现在学生从不同的角度对范例作品进行创新，或者创造性地将所学的知识进行迁移应用到其它的作品中，而思维图的使用可以有效地引导学生进行思维发散从而实现迁移创新[5]。在教学中笔者主要运用思维图拓展学生思维，从而培养他们的创新意识和创新能力，达到创新思维的培养。在《角色的移动及定位》一课教学中，当学生完成龟兔比赛的故事创作后，笔者便向学生提问：可以从哪些方面对作品进行创新？利用所学的Scratch知识还可以创编哪些故事？通过两个思维图的展示，引导学生从不同的角度对作品进行优化，鼓励他们创造性地将所学的知识迁移到其他作品中去，从而拓展学生的思维，培养创新精神。在《角色的移动及定位》一课中所使用的思维图，如图4所示。
3 教学观察与反思
通过对课堂的观察以及课后与学生的交流，笔者有以下几点发现：
3.1学生学习热情高涨
绝大部分学生在学习Scratch编程软件的过程中始终表现出极大的学习兴趣和积极性，很多学生主动利用课余时间创作出各种故事、游戏作品带到课堂上展示，与老师同学们一起分享交流，这在其他软件的学习中较为少见。
3.2学生作品两极分化明显
部分学生觉得编写故事板和作品规划品过于麻烦，因此当他们想到一个创作主题的时候常常在脑中大概畅想一下后便迫不及待地动手开始进行编程创作，并没有对诸如角色的选取、造型的效果以及故事的情节等这些细节进行详细的思考预设[6]。导致他们在创作过程中反复出现各种各样相同或类似的问题，从而在一个问题上浪费大量的时间，本人也因此失去了创作的耐心和热情，最后创作出来的作品要么半途而废要么效果不如已意，学习兴趣也因此大打折扣。同时，也有部分同学慢慢养成了运用可视化工具对作品进行详细的规划设计的习惯，由于事先已经作了规划，这些同学在创作的过程中效率高，遇到问题时也可以及时向相应的同学和老师请教，创作出来的作品较具有新意，令人惊喜，学习的热情也因此变得高涨，学习也越来越积极主动。
3.3男女生学习兴趣点各有不同
女生普遍对故事类的创作更有兴趣也更擅长于故事类作品的创作，男生则对游戏类作品兴趣更浓，也更喜欢创作游戏类作品，这也许与学生平时的阅读兴趣和生活习惯有关，一般认为女生较喜欢看故事书和编造故事，而男生则比较关注与游戏相关的内容。
4 结语
新课程标准强调对核心素养的培养，对学生计算思维的培养，而计算思维对于许多一线教师，尤其是小学教师来说仍是比较抽象的概念，在教学实践中如何具体落实培养小学生的计算思维还是一个难题。笔者在对如何在教学中培养学生计算思维的相关文献的学习分析后，结合自己的教学实践，对基于可视化工具的小学生计算思维的培养进行了探索，采用了故事板、作品规划表、流程图、思维图等可视化工具培养学生的计算思维，为广大的一线小学信息技术教师在培养学生计算思维方面提供参考，但是探索过程中仍存在许多的不足，在未来的教学实践中，笔者将在此基础上进行更多的尝试探索。
参考文献
[1]任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：1-8.
[2]中华人民共和国教育部制订.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2018.
[3]李芒，蔡旻君，蒋科蔚，等.可视化教学设计方法与应用[J].电化教育研究，2013，34（03）：16-22.
[4]李锋.中小学计算思维教育：STEM课程的视角[J].中国远程教育，2018（2）：44-49+78.
[5]柯清超，吕晓红.信息时代的项目式学习：课堂教学的重构与超越[J].中小学数字化教学，2018 （3）：7-9.
[6]王娟.基于Scratch的创意计算思维可视化研究[D].上海：上海师范大学，2015.
（责编：杨梅）
课题：《基于Scratch编程教学的小学生计算思维的培养研究》（HDJYKY2018C005）的研究成果。
作者简介：黄雪英（1985—），女，广西贵港人，本科，小学二级教师，研究方向：教学技术学。
