巧用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)計算思維

【摘要】計算思維作為高中信息技術(shù)四大核心素養(yǎng)之一，其重要性不言而喻。本文旨在分析思維導(dǎo)圖在理清知識結(jié)構(gòu)、拓展知識體系、分析并解決問題、激活創(chuàng)新思維等方面的作用，以期為優(yōu)化計算思維的培養(yǎng)提供思路?！娟P(guān)鍵詞】思維導(dǎo)圖；高中信息技術(shù)；計算思維計算思維是高中信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一[1]。一般認(rèn)為，計算思維可分為分解思維、抽象思維、算法思維、概括思維。分解思維是指將大問題分解為更易于理解分析的相對小的問題；抽象思維是關(guān)注關(guān)鍵信息并忽略不必要細(xì)節(jié)的過程；算法思維是指用計算機解決問題的步驟，是為了解決問題而需要讓計算機有序執(zhí)行的、無歧義的、有限步驟的集合；概括思維是將問題的一般性規(guī)律總結(jié)出來，更好地解決類似問題。在現(xiàn)階段高中信息技術(shù)課程教學(xué)中，課程內(nèi)容呈現(xiàn)零散和繁多的特點，但學(xué)生普遍缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)，且課時數(shù)量也較少，這在一定程度上增加了高中信息技術(shù)實際教學(xué)的難度。思維導(dǎo)圖是一種具有發(fā)散性、可視化的思維工具，這種工具使雜亂無章的信息變得有序、清晰，讓思考過程更具結(jié)構(gòu)性和邏輯性。因此，筆者嘗試使用思維導(dǎo)圖的方式來輔助優(yōu)化信息課教學(xué)，促進學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。理清知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建整體思維計算機在處理數(shù)據(jù)時，需要根據(jù)事物之間的關(guān)系選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并利用所選數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)和設(shè)計算法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種抽象的數(shù)據(jù)類型，它定義了如何組織數(shù)據(jù)以及如何操作這些數(shù)據(jù)，這對初學(xué)者來說比較抽象，可以借助思維導(dǎo)圖的繪制來幫助學(xué)生理解和掌握課程內(nèi)容。“鏈表”這一課題在選擇性必修《數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》一書中占據(jù)著重要地位，相對于其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如數(shù)組，鏈表更為復(fù)雜。學(xué)生需要掌握鏈表的概念、特性、類型、模擬實現(xiàn)的方式以及基本操作，這些內(nèi)容如果僅通過大段文字的描述往往顯得晦澀難懂、枯燥乏味，但借助思維導(dǎo)圖，這些知識點可以以更直觀、更有序的方式呈現(xiàn)出來。例如，鏈表最重要的兩個概念是節(jié)點和指針，教師可圍繞這兩個概念首先闡述它們的特性。其次，根據(jù)指針指向的不同，鏈表可以分為單向鏈表、雙向鏈表和循環(huán)鏈表三種類型，教師可采用列表的形式進行模擬實現(xiàn)。最后，從鏈表的創(chuàng)建開始，教師可介紹插入、刪除和遍歷輸出等基本操作?？偟膩碚f，思維導(dǎo)圖能夠以圖文形式展示知識點之間的關(guān)系，并以圖像、線條和顏色等元素強化知識點之間的聯(lián)系與區(qū)分，通過信息整合、強化記憶、提高學(xué)習(xí)效率等促進學(xué)生知識的結(jié)構(gòu)化[2]，建立整體思維模式。梳理邏輯關(guān)系培養(yǎng)發(fā)散思維思維導(dǎo)圖采用樹狀結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系來呈現(xiàn)知識點和想法之間的關(guān)聯(lián)和層次，這有助于理解知識點之間的邏輯關(guān)系，將知識體系有機串聯(lián)起來。對于鏈表這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，學(xué)生除了理解其基本概念和特性外，能夠在代碼中實現(xiàn)這些操作非常重要。這不僅需要學(xué)生掌握鏈表操作的邏輯思路，還需要他們掌握如何在代碼中表達(dá)這種邏輯。在現(xiàn)實教學(xué)中，教師可以在課堂上運用思維導(dǎo)圖來啟發(fā)學(xué)生，在思維導(dǎo)圖的各個節(jié)點或分支上添加一些注釋或說明，以更形象的方式體現(xiàn)知識點之間的關(guān)聯(lián)性。在高中階段的學(xué)習(xí)中，我們通常使用列表來模擬實現(xiàn)鏈表。對于一維列表，假設(shè)數(shù)據(jù)存儲在data中，指針存儲在next中，對于節(jié)點p，數(shù)據(jù)域表示為data[p]，節(jié)點p的后繼表示為next[p]；對于二維列表，則是將每個節(jié)點都表示為一個列表元素，節(jié)點p的數(shù)據(jù)域為data[p][0]，后繼表示為data[p][1]，結(jié)構(gòu)上的不同使得代碼書寫和含義表達(dá)也有所不同。在思維導(dǎo)圖的各個相關(guān)節(jié)點上進行標(biāo)注，“聯(lián)系”和“差異”一目了然?；谒季S導(dǎo)圖開展的深入學(xué)習(xí)，不是將現(xiàn)有的知識點簡單拼接，而是在宏觀層面上進行思維激蕩，如討論并總結(jié)一些具有代表性的鏈表結(jié)構(gòu)以及它們在不同場景中的應(yīng)用，插入排序鏈表、約瑟夫環(huán)鏈表、鏈?zhǔn)疥犃薪Y(jié)構(gòu)等，思考這些場景的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)選擇之間的關(guān)聯(lián)性。再如，為說明鏈表和數(shù)組之間的聯(lián)系和區(qū)別，教師可用思維導(dǎo)圖總結(jié)呈現(xiàn)不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的異同。思維導(dǎo)圖的分類和歸納功能幫助學(xué)生更加系統(tǒng)地梳理邏輯關(guān)系，進而塑造更為清晰的發(fā)散思維。在計算思維培養(yǎng)過程中，合理運用思維導(dǎo)圖可以幫助學(xué)生梳理和整合復(fù)雜的概念、算法和邏輯關(guān)系，從而提高學(xué)生的思維能力和問題解決能力。呈現(xiàn)思考過程強化計算思維學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，而應(yīng)用往往是難點所在。在面對題目計算量大以及變量繁多等復(fù)雜情況時，學(xué)生有效梳理與合理組織相關(guān)信息至關(guān)重要。在必修一“數(shù)據(jù)與計算”中，我們學(xué)習(xí)了“用算法解決問題的基本過程”，主要包括三個步驟：抽象與建模、設(shè)計算法、描述算法，這和計算思維的核心內(nèi)容高度契合。抽象與建模是指從問題中提取出已知條件和求解目標(biāo)，并建立起數(shù)學(xué)模型。這個過程要求學(xué)生對問題有深入的理解、識別其核心元素和彼此間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這就是計算思維中至關(guān)重要的分解思維和抽象思維。只有通過抽象和建模，才能夠把現(xiàn)實世界的問題轉(zhuǎn)化為計算機可以理解和處理的形式，設(shè)計算法是解決問題的關(guān)鍵步驟。算法的設(shè)計需要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法有深入的理解，并能夠根據(jù)問題的特性設(shè)計出高效的算法。在計算思維中，算法思維也是非常核心的部分，只有通過算法，學(xué)生才能夠指導(dǎo)計算機高效進行信息處理。然后，教師需要將設(shè)計的算法用程序語言或流程圖等形式進行詳細(xì)描述，這一過程應(yīng)清晰地展現(xiàn)算法的每一個步驟以及它們之間的關(guān)聯(lián)。在計算思維中，描述算法實際上是把算法轉(zhuǎn)化為計算機可以執(zhí)行的指令。最后借助概括思維，教師可以對同一類問題的解決策略進行概括與總結(jié)，以便后續(xù)解決同一類問題。約瑟夫問題是循環(huán)鏈表應(yīng)用的典型問題，教師可通過思維導(dǎo)圖的樹狀結(jié)構(gòu)，按照抽象與建?！O(shè)計算法—編寫程序并調(diào)試運行的步驟，將該問題各個方面的信息進行整理和分類。這樣，學(xué)生可以更清晰地認(rèn)識問題，明確問題的關(guān)鍵所在，還可以從多角度考慮問題，拓展思路，發(fā)現(xiàn)問題的不同方面和解決方法，建立關(guān)聯(lián)，從而更好地把握問題的本質(zhì)。約瑟夫問題的解決方案有多種，思維導(dǎo)圖可通過圖形和組織結(jié)構(gòu)的方式將程序之間的異同點進行可視化展示，簡潔明了地呈現(xiàn)不同程序的關(guān)鍵信息。通過思維導(dǎo)圖的層級和分類，教師可以將不同程序的相似點和差異之處進行比較，有助于學(xué)生增強理解。在一次次解決程序難點的過程中，學(xué)生不僅要能夠理解和編寫代碼，更重要的是要學(xué)會運用計算機技術(shù)，實現(xiàn)對問題的有效處理。學(xué)生可利用思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)做題的思路，突出重難點，整理錯題，通過分析關(guān)鍵點，建立解決問題的結(jié)構(gòu)模型并舉一反三。通過這種計算思維的訓(xùn)練，學(xué)生可以更好地掌握信息技術(shù)學(xué)科的核心知識，進而促進個人核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。這種思維方式在處理其他問題時也能夠發(fā)揮積極作用，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)信息化時代的發(fā)展要求?？傊季S導(dǎo)圖本質(zhì)上是一種可視化工具，可以使復(fù)雜的計算思維過程變得更加直觀。具體而言，思維導(dǎo)圖可以捕捉學(xué)生在解決問題時的思考過程，將思考過程中的重要節(jié)點和步驟記錄下來，這種圖形化的表達(dá)方式可以幫助學(xué)生理解和回憶思考過程，更好地呈現(xiàn)和分享自己的思路。在制作思維導(dǎo)圖過程中，學(xué)生需要將問題進行