計(jì)算思維教育中的情境創(chuàng)設(shè)與模型建立

計(jì)算思維教育中的情境創(chuàng)設(shè)與模型建立情境創(chuàng)設(shè)引發(fā)的問題思考教學(xué)情境是以直觀方式再現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容所表征的實(shí)際事物或者實(shí)際事物的相關(guān)背景。教師在教學(xué)實(shí)踐中，會(huì)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求和具體教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)一種適合學(xué)生產(chǎn)生一定情感反應(yīng)的，能夠使其主動(dòng)學(xué)習(xí)的，具有學(xué)習(xí)背景、景象和學(xué)習(xí)活動(dòng)條件的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過教學(xué)情境，教師可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生情感共鳴，增強(qiáng)他們的情感體驗(yàn)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)引他們循著知識(shí)產(chǎn)生的脈絡(luò)去準(zhǔn)確把握學(xué)習(xí)內(nèi)容，還可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和應(yīng)用。那么，使用了教學(xué)情境，就一定能達(dá)到理想的效果嗎？鄭毓信教授在《小學(xué)數(shù)學(xué)教育的理論與實(shí)踐》一書中曾列舉過一個(gè)在美國(guó)課堂上發(fā)生的真實(shí)例子。為了幫助學(xué)生較好地掌握分?jǐn)?shù)的意義，任課教師專門設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)情境：“瑪麗舉行了一個(gè)生日派對(duì)，現(xiàn)需要將一個(gè)烤好的南瓜餅分給三個(gè)小孩，問：每個(gè)小孩能得到多少？”出乎意料的是，當(dāng)時(shí)班上有一個(gè)小孩大聲提出一個(gè)問題：“什么是南瓜餅？”對(duì)此教師作了簡(jiǎn)單的回答，小孩也沒有追問，教學(xué)正常進(jìn)行。在課堂結(jié)束以后，一個(gè)聽課者發(fā)現(xiàn)該小孩還在思考著什么，于是就問他：“你在想什么？”孩子答道：“我在想，南瓜餅到底好吃不好吃。”顯然，如果這個(gè)小孩一直沉浸于這樣一個(gè)問題，這堂課對(duì)他而言可能收獲不大。在計(jì)算思維相關(guān)的學(xué)科教學(xué)中，也有類似的現(xiàn)象。教師運(yùn)用生活實(shí)例創(chuàng)設(shè)情境，希望降低學(xué)生理解計(jì)算學(xué)科概念的難度，表面上很合理，實(shí)際效果卻不一定好。例如，有一堂學(xué)習(xí)算法概念的課，學(xué)習(xí)目標(biāo)是認(rèn)識(shí)算法描述及其特點(diǎn)。教師設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)教學(xué)情境并組織學(xué)生活動(dòng)：一位農(nóng)夫帶著一匹狼、一只羊、一筐白菜過河，由于船太小，農(nóng)夫一次只能帶一樣?xùn)|西過河，狼和羊、羊和白菜不能單獨(dú)留在同岸，否則羊或白菜會(huì)被吃掉，這是一個(gè)經(jīng)典的農(nóng)夫過河問題（如圖1）;教師要求學(xué)生思考并設(shè)計(jì)過河方案，并用自然語(yǔ)言描述之;最后，教師運(yùn)行一個(gè)“農(nóng)夫過河”的Flash游戲程序，來(lái)驗(yàn)證學(xué)生的各種方案。實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生思維很活躍，討論也很積極?；顒?dòng)之后，教師開始分析“農(nóng)夫過河”的操作步驟來(lái)說(shuō)明算法具有確定性、可執(zhí)行性等特征并歸納得出算法的概念。教師自信地認(rèn)為，這樣的情境和活動(dòng)設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在很有趣的氛圍中輕松地學(xué)習(xí)抽象的算法概念，但實(shí)際的課堂效果是：雖然“農(nóng)夫過河”的情境導(dǎo)入與學(xué)生討論活動(dòng)已花費(fèi)了很多時(shí)間，但學(xué)生意猶未盡，當(dāng)教師開始講解算法概念與特征時(shí)，學(xué)生的興奮點(diǎn)仍然集中在“農(nóng)夫過河”的方案上，并為不同方案的優(yōu)劣不斷地爭(zhēng)辯。顯然，盡管通過創(chuàng)設(shè)情境調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但由于過河方案的多樣性與復(fù)雜性，反而干擾了學(xué)生理解算法概念這一學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師需要思考的是，情境創(chuàng)設(shè)對(duì)學(xué)生的下一步學(xué)習(xí)帶來(lái)什么影響？在情境導(dǎo)入以后學(xué)生是怎樣思維的？理解這些問題，對(duì)正確使用情境創(chuàng)設(shè)有所幫助。針對(duì)計(jì)算思維教育而言，其最終目標(biāo)是通過學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科思維，能夠分析清楚學(xué)生對(duì)于教學(xué)情境的思維路徑，有實(shí)際意義。從情境信息到數(shù)據(jù)表征的學(xué)生認(rèn)知過程教師創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境本質(zhì)上是給學(xué)生傳遞了有效的情境信息。信息是反映事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及變化方式，信息科學(xué)是以信息為主要研究對(duì)象、以信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主要研究?jī)?nèi)容的一門科學(xué)。人們研究信息以及信息科學(xué)，總是希望信息以及信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律能為人類服務(wù)。認(rèn)識(shí)信息及信息科學(xué)的一般原理，有利于幫助我們清晰教學(xué)情境在計(jì)算思維教育中的作用。圖2所示是信息科學(xué)中一種最抽象也最一般的、由認(rèn)知主體和對(duì)象客體以及把它們聯(lián)系在一起的信息所構(gòu)成的信息模型。作為認(rèn)知主體的人，在與對(duì)象事物打交道時(shí)，從對(duì)象事物獲取本體論信息并轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝活愓J(rèn)識(shí)論信息;通過處理信息來(lái)深入認(rèn)識(shí)對(duì)象事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方式，形成知識(shí)，達(dá)到認(rèn)知;然后在此基礎(chǔ)上“再生”第二類認(rèn)識(shí)論意義上的信息，即策略信息，作用于對(duì)象事物，產(chǎn)生控制行為。這一模型正好也是人類通過自己的信息器官認(rèn)識(shí)世界和改造世界活動(dòng)的信息模型。在此過程中，本體論信息往往是由光信號(hào)、聲音信號(hào)等形式讓主體獲取，認(rèn)識(shí)論信息往往是用數(shù)據(jù)表征的。對(duì)于人類而言，在獲取信息以后，總是需要用字符、數(shù)值或圖像等形式來(lái)表征信息，也就是用數(shù)據(jù)來(lái)表征信息，這樣可以方便存儲(chǔ)、思考、交流以及控制對(duì)象事物。因此，這一模型有著特別重要的意義，它把信息科學(xué)的研究和人類自身的信息處理過程天然地聯(lián)系起來(lái)。從信息科學(xué)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，可以清楚地反映信息與數(shù)據(jù)的關(guān)系，人們?cè)趯?duì)對(duì)象事物的信息獲取、用數(shù)據(jù)表征事物信息過程中自身實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的獲取和認(rèn)知能力的提高。認(rèn)知信息加工理論也有相似的觀點(diǎn)：學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)上是由習(xí)得和使用信息構(gòu)成的。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生對(duì)情境信息進(jìn)行分析、梳理，提煉出與教學(xué)目標(biāo)問題相關(guān)聯(lián)的信息，并通過語(yǔ)言、符號(hào)等數(shù)據(jù)形式表征這些信息，這一過程就是學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的過程。在人類對(duì)事物認(rèn)識(shí)的過程中，需要用數(shù)據(jù)來(lái)表征信息。依據(jù)不同的目標(biāo)要求，數(shù)據(jù)表征信息的維度會(huì)不同，數(shù)據(jù)量的大小也會(huì)不同。如果對(duì)某一事物描述的細(xì)致程度是無(wú)止境的，會(huì)造成表征信息的數(shù)字量大得無(wú)法接受，常規(guī)的做法是提取能代表事物本質(zhì)的特征，就是在大量的信息中找出最能代表某一事物本質(zhì)的子集，用以表征該事物，這也起到了信息壓縮的作用。因此，學(xué)生分析情境信息所做的工作之一就是情境信息的特征提取。在計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐中，教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，以達(dá)到幫助學(xué)生完成計(jì)算學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)并發(fā)展計(jì)算思維的目的。針對(duì)教師創(chuàng)設(shè)的情境，學(xué)生以待解決的計(jì)算問題為思維目標(biāo)，基于已掌握的計(jì)算學(xué)科知識(shí)與方法，從情境信息中抽象出相關(guān)的要素，或者是自動(dòng)化運(yùn)行的對(duì)象，或者是自動(dòng)執(zhí)行的操作步驟，并且能用形式化的方法準(zhǔn)確表達(dá)。這一過程，正是計(jì)算思維的方法路徑即“抽象—形式化表達(dá)—構(gòu)造—自動(dòng)化”中的重要步驟。在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中，教師通常不是把學(xué)生帶領(lǐng)到真實(shí)的生產(chǎn)或生活場(chǎng)景之中，而是以文字、圖片或者視頻等數(shù)據(jù)形式在課堂上描述情境信息。但是，這并不能說(shuō)明學(xué)生是直接從數(shù)據(jù)認(rèn)知的，而是學(xué)生依據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，將教師描述情境的數(shù)據(jù)還原為原事物的情境信息，并開展相應(yīng)的情境分析。從數(shù)據(jù)描述還原其事物的準(zhǔn)確程度，既取決于數(shù)據(jù)表征信息的詳略程度，也取決取于還原技術(shù)。對(duì)于學(xué)生而言，則還需要考慮到學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)以及還原能力。因此，在表述所設(shè)計(jì)的教學(xué)情境時(shí)，情境信息與目標(biāo)問題的關(guān)聯(lián)度、情境描述的詳略、學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)生的還原能力都是教師需要考慮的要素。以模型建立為目標(biāo)的情境信息再生人們獲取對(duì)象事物信息的目的是要想辦法利用所獲取的信息去反作用于對(duì)象事物，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和控制，從而改造世界。因此，人們需要對(duì)所感知的信息做出判斷，這既是信息識(shí)別問題，也是信息再生問題。在解決計(jì)算問題時(shí)，這種信息再生通常是以構(gòu)建計(jì)算模型來(lái)完成的。從對(duì)象事物信息的獲取到計(jì)算模型的建立，體現(xiàn)了計(jì)算思維能力，這正是計(jì)算思維教育需要特別關(guān)注的教學(xué)環(huán)節(jié)。例如，在一堂小學(xué)生的圖形化編程課中，教師播放了一段F1賽車片段的視頻，然后告訴學(xué)生本課的學(xué)習(xí)任務(wù)是編寫一個(gè)賽車游戲程序。教師設(shè)計(jì)這樣一個(gè)情境的理由是：第一，通過觀看激烈的賽車場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣;第二，通過觀看視頻了解賽車細(xì)節(jié)，為編寫賽車游戲程序提供素材。對(duì)學(xué)生而言，觀看了賽車視頻，獲取了相關(guān)信息，接下來(lái)需要進(jìn)行信息處理和信息再生。信息再生需要達(dá)到的最終目標(biāo)，是能夠完成賽車游戲程序的編制。通常的方法是先要建立相應(yīng)的計(jì)算模型，以便構(gòu)造程序。也就是說(shuō)，學(xué)生通過對(duì)F1賽車情境信息的分析，希望能有效地建立模型。模型就是根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，舍棄次要的、非本質(zhì)的因素，抓住主要的、本質(zhì)的因素，從而建立一個(gè)易于研究、易于計(jì)算的，能反映研究對(duì)象目標(biāo)要求的新形象。在計(jì)算學(xué)科，建立模型就是運(yùn)用一種類似或近似的思想，表達(dá)出一般化的計(jì)算方法或計(jì)算過程。依據(jù)計(jì)算的要求，模型可分為以下三類：對(duì)象模型，反映研究對(duì)象以及對(duì)象屬性和行為;條件模型，把研究對(duì)象所涉及的外部條件理想化，排除外部條件中干擾對(duì)象行為的次要因素，突出外部條件的本質(zhì)特征和最主要的因素;過程模型，把對(duì)象涉及的處理過程理想化、純粹化以后抽象出來(lái)的一種計(jì)算步驟或過程。在賽車游戲中，需要確定的對(duì)象有相關(guān)的賽道、賽車、障礙物等，這些對(duì)象之間的相互關(guān)系，以及賽車對(duì)象在鍵盤或鼠標(biāo)操控下的執(zhí)行流程等。從情境信息分析到模型建立，是運(yùn)用計(jì)算學(xué)科知識(shí)與方法解決計(jì)算問題的重要環(huán)節(jié)。因此，在播放賽車視頻以后，教師不應(yīng)該簡(jiǎn)單地要求學(xué)生開始編寫程序，而應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生梳理情境信息，用計(jì)算學(xué)科的專業(yè)知識(shí)與方法抽象出編程所需要的關(guān)鍵信息，并形成準(zhǔn)確的形式化表達(dá)。涉及的內(nèi)容有：①在游戲程序中，需要抽象出哪些場(chǎng)景或?qū)ο?，如賽道、賽車，以及需要幾輛賽車;②賽車等對(duì)象的行為以及對(duì)應(yīng)的執(zhí)行流程;③比賽的規(guī)則以及對(duì)象之間的關(guān)系，如獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰規(guī)則等。由此可見，教學(xué)情境是學(xué)生的思維材料，建立模型是學(xué)生思維的目標(biāo)，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生依據(jù)已掌握的學(xué)科知識(shí)與方法進(jìn)行分析、梳理，歸納出與目標(biāo)問題高度相關(guān)的信息，為構(gòu)造自動(dòng)化建立模型。其中，教師在導(dǎo)入教學(xué)情境以后，還需要做的引導(dǎo)工作有：第一，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，幫助學(xué)生還原情境信息，如賽車什么時(shí)候會(huì)減速、賽車手犯規(guī)如何處罰等，以豐富建立模型的材料;第二，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)目標(biāo)要求梳理并提取關(guān)鍵信息，如通過設(shè)計(jì)學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)單，提供學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生梳理對(duì)象、規(guī)則，以及所涉及的對(duì)象行為等;第三，指導(dǎo)學(xué)生規(guī)范地表達(dá)計(jì)算模型，如用流程圖描述操作序列。學(xué)生運(yùn)用自己的思維經(jīng)歷了情境信息的再生過程，體現(xiàn)計(jì)算思維教育。而情境信息再生得到的結(jié)果，既可以用于學(xué)生間的交流，也可以施效于下一步的程序構(gòu)造。情境創(chuàng)設(shè)的真實(shí)性要求分析在廣泛開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大環(huán)境下，設(shè)計(jì)并開展真實(shí)項(xiàng)目任務(wù)的要求，也促使我們思考創(chuàng)設(shè)真實(shí)的教學(xué)情境的必要性。教學(xué)情境的設(shè)計(jì)有三方面的考慮：第一，設(shè)置的情境主題能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生樂于參與，同時(shí)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生能夠?qū)⒆陨碓O(shè)置在這樣的情境之中考慮問題;第二，設(shè)置的情境應(yīng)該與教學(xué)主題有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，通過情境的描述或通過教師合理的引導(dǎo)，學(xué)生能夠快速地調(diào)用自己已經(jīng)掌握的學(xué)科知識(shí)并產(chǎn)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的需求，來(lái)解決情境問題;第三，情境復(fù)雜度的設(shè)計(jì)，是對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)要求的考量，因?yàn)閷W(xué)生對(duì)情境進(jìn)行抽象與分析，是學(xué)生解決問題能力的體現(xiàn)。真實(shí)情境的學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)于項(xiàng)目學(xué)習(xí)有其必要性，項(xiàng)目學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)的基于真實(shí)問題的學(xué)習(xí)任務(wù)不僅更容易被學(xué)生理解，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過真實(shí)的情境和問題，可以讓學(xué)生接觸到復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)不良的問題，有利于促進(jìn)學(xué)生高階的、綜合的思維發(fā)展。但是，項(xiàng)目學(xué)習(xí)不是唯一使用教學(xué)情境的學(xué)習(xí)方式，通過情境引入來(lái)開展常規(guī)的教學(xué)活動(dòng)，教學(xué)情境的設(shè)計(jì)首先需要考慮是否能高效完成教學(xué)目標(biāo)。真實(shí)問題具有挑戰(zhàn)性，但難度往往難以把握，問題的復(fù)雜性也會(huì)削弱與主題的關(guān)聯(lián)性。因此，充分認(rèn)識(shí)復(fù)雜的教學(xué)情境與學(xué)生綜合思維能力培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)系，適當(dāng)簡(jiǎn)化情境條件，降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，有效實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和計(jì)算思維的培養(yǎng)，是很好的教學(xué)策略。由于學(xué)校本身是一個(gè)特殊的情境，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)情境脈絡(luò)從社會(huì)生活中隔離出來(lái)。因此，我們需要清楚，即使學(xué)生面對(duì)的是一個(gè)完全真實(shí)的問題，他們往往也會(huì)有意無(wú)意地忽視各種現(xiàn)實(shí)考慮，并單純地從當(dāng)前的學(xué)科學(xué)習(xí)角度去認(rèn)識(shí)它的意義和價(jià)值。作為某一個(gè)課堂教學(xué)的教學(xué)情境，能夠指向?qū)W習(xí)目標(biāo)，提供學(xué)生思維材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，就是一個(gè)有效的教學(xué)情境設(shè)計(jì)。同時(shí)，教師的重要作用還在于引導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算學(xué)科的觀點(diǎn)思考與分析情境信息，用計(jì)算學(xué)科的方法解決問題。指向計(jì)算思維的情境創(chuàng)設(shè)情境創(chuàng)設(shè)，是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)有利于顯性知識(shí)傳遞和隱性知識(shí)生成的學(xué)習(xí)環(huán)境，努力解決學(xué)生認(rèn)識(shí)過程中的抽象與形象、理論與實(shí)際、理性與感性以及新舊知識(shí)之間的關(guān)系和矛盾。因此，在情境創(chuàng)設(shè)階段，教師需要做的是：創(chuàng)設(shè)積極的交流共享環(huán)境，組織學(xué)生交流討論;制訂恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)策略，促進(jìn)學(xué)生積極思考;適當(dāng)?shù)貙?duì)學(xué)生的行為給予反饋，以便學(xué)生調(diào)整自己，完成知識(shí)的學(xué)習(xí)與綜合運(yùn)用。從情境信息中進(jìn)行分析、梳理，基于對(duì)計(jì)算原理的認(rèn)知基礎(chǔ)，運(yùn)用抽象的方法，形成計(jì)算模型，并且用數(shù)據(jù)的形式完成形式化表達(dá)，這一從信息到數(shù)據(jù)的過程符合信息科學(xué)的一般理論，也是教師認(rèn)識(shí)抽象、模型、形式化表達(dá)等關(guān)鍵詞在學(xué)生計(jì)算思維形成過程中真正作用的基礎(chǔ)。學(xué)生從情境信息分析到計(jì)算模型數(shù)據(jù)表達(dá)的思維過程，是信息再生即知識(shí)產(chǎn)生與學(xué)習(xí)的過程，也是計(jì)算思維養(yǎng)成的重要環(huán)節(jié)（如79頁(yè)圖3）。讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的過程，是計(jì)算思維培養(yǎng)的一種有效方法。教學(xué)情境是為教學(xué)目標(biāo)達(dá)成服務(wù)的，真實(shí)的、復(fù)雜的情境不一定是最好的，關(guān)鍵是要考慮學(xué)生在對(duì)情境信息的獲取、識(shí)別、再生過程中是否發(fā)生與教學(xué)目標(biāo)相關(guān)的學(xué)習(xí)行為。如果對(duì)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算學(xué)科知識(shí)分析問題解決問題的能力培養(yǎng)有一定的要求，則需要根據(jù)目標(biāo)要求來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)情境的復(fù)雜度。如果是基礎(chǔ)性概念的學(xué)習(xí)，過于復(fù)雜的教學(xué)情境可能會(huì)使學(xué)生迷失方向。仍以上述算法概念學(xué)習(xí)的課為例，如果不是采用“農(nóng)夫過河”的故事，而是選用“把長(zhǎng)頸鹿放進(jìn)冰箱需要分幾步”這樣的問題作為教學(xué)情境導(dǎo)入，可能更直接，效果也更好。情境創(chuàng)設(shè)，既包括教師設(shè)計(jì)情境的故事情節(jié)與問題，也包括教師引導(dǎo)學(xué)生共同解決問題，即通過師生對(duì)話，共同思考，共同探求，共同解決問題，共同獲得知識(shí)。基于解決問題的教學(xué)方法，其基本形式是教學(xué)對(duì)話和課堂討