异学段同题异构,促计算思维进阶发展

时间:2023-11-30 18:45:03 来源:网友投稿

彭仁杰

摘要:作者围绕“算法”核心概念的建构,在小学、初中和高中三个阶段,通过基于问题解决的综合实践课,剖析了培养学生计算思维的不同层级,探究了计算思维的纵向发展路径。

关键词:计算思维;
学习进阶;
同题异构;
算法;
异学段

中图分类号:G434  文献标识码:A  论文编号:1674-2117(2023)09-0039-04

“同题异构”通常是指不同教师根据学生特性,依据自身教学经验,在同学段开展通过不同教学设计讲授同一知识内容的活动。那么,同一知识内容,在小、初、高三个阶段又应怎样打破知识本位固有观念,进行异学段的同题异构呢?笔者以“算法”核心概念建构为例,分别面向小学、初中和高中三阶段,基于问题解决的综合实践课,剖析了培养学生计算思维的不同层级,并通过学生的学习表现呈现层级发展,进而探究计算思维的纵向发展路径。

信息科技学科中计算思维进阶培养路径

1.计算思维核心维度的确定

计算思维的本质是将问题抽象建模,并寻求最佳解决方案的思维方法与活动,是利用计算机科学来进行算法、自动化、评估、建模与仿真、抽象、概括的能力。结合计算思维的相关概念,笔者认为计算思维是一个包含形式化问题,合理组织和分析数据,抽象化,识别、分析、运用可能的解决方案以及应用迁移等特征的问题解决过程。

《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》将计算思维定义为个体运用计算机科学领域的思想方法,在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。这与《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》在计算思维方面的进阶体系相衔接。因此,本文采用分解、抽象建模、算法思维和评估迁移四要素作为计算思维技能的横向指标。

2.计算思维纵向进阶路径的确定

柳秀峰和Salinas等人认为学生的思维发展存在阶段性特征,这是以实证为基础的可检验的假说,也为本研究提出的以同题异构的教学实践来研究学习进阶提供了可行性的论证。学习进阶是纵向研究的范式,更强调描述学生在一段时间内思维路径的发展历程,关注的是学生如何思考,它描述学生对某个主题连续的、更加熟练的思考方式,而不是简单的是否获得了某个知识。探究信息科技学科中学生计算思维的进阶路径,第一步是了解这些可转移技能是如何发展的。而在信息科技课程中,无论是在小学、初中,还是在高中,其要求学生掌握的基本逻辑结构和数据结构都是相似的,同学段相互联系,异学段纵向连续,由简单到复杂,由具体到抽象。

同题异构下小初高三阶段计算思维进阶的教学实践

1.分析学科大概念,确定合适算法平台

笔者以“利用编程技术进行综合问题解决”为主题,分别选取了小学六年级、初中一年级和高中一年级的学生作为教学对象,邀请执教教师根据大单元教学法对学生进行主题编程教学,最终以“验收成果”的方式进行一次同题异构实践课。在三个不同年级,三节课涉及的具体概念分别为:①编程的三种结构,即顺序结构、选择结构和循环结构;
②数据结构涉及数组和一般变量;
③功能模块为随机函数。

小学六年级学生思维活动仍局限于具体事物以及日常经验,缺乏抽象性,因此教师选取APP Inventor程序设计平台开展教学。该平台采用可视化的编程语言,使学生更加关注算法本身,能够更容易理解算法及程序设计的基础知识和基本方法。对于处于形式运算阶段的初中一年级学生来说,可以采用Python编程,但是为了降低编程难度,关注算法本身,提高学生学习算法的兴趣,同题异构中仍采用APP Inventor平台。而对于已具备抽象思维的高中一年级学生,则是采用Python自带的IDLE编程平台。

2.纵向了解学生水平,找准学习进阶节点

在进行课程设计时,教师要聚焦学科核心概念,根据学生思维的进阶来设计课程,完成学生素养的进阶,因此,教师要根据不同年级学生的学习目标制订阶段性学习节点。然而,教师无法直接观测到学生思维的进阶,这就要借助学生的课堂表现来分析。因此,教师要了解学生技能如何随着时间的推移而进步,以便能够为学生设计出接近最近发展区的课堂任务。

但进阶的起点并不好找,笔者通过本土化Bebras测试,开展区域性问卷调查,结合对师生的非结构化访谈,确定计算思维进阶的各个节点。同时,通过对不同年级同题异构的实证研究,验证小学中高年级、初中一年级和高中一年级的起点与终点。每个阶段的目标既是此阶段的学习进阶终点,也是下一个阶段的进阶起点,总体形成一个纵向的节点参考表(如上页表)。教师根据节点,构建概念学习脚手架,帮助学生实现从感性经验上升到概念掌握的转变。

3.以项目为支撑,搭建计算思维的进阶台階

在确定计算思维进阶的起点与终点以及节点后,教师应该给予学生充足的探究时间和空间,采用项目式教学,以精心设计的活动为支撑,引导学生基于自身经验进行探究,搭建坚实的学习进阶的台阶,促进学生核心素养的内化。在本研究中,三个阶段的同题异构均以具体问题情境为依托,以问题解决为最终目的搭建学习进阶的台阶。

小学六年级以毕业为主题,设计出题APP,考查学生对学校的了解。单选题的出题,涉及的组件为信息对话框和单选框;
多选题涉及的组件为复选框,采用复选框可以将复杂问题简化,隐藏复杂问题的细节。同时涉及列表选择框和列表元素的随机,通过列表随机实现毕业寄语的赠送,但教师并不特意讲解数组的概念,只是让学生会用即可。

在初中一年级的教学中,教师利用学生身边的手机游戏的开发因势利导,把手机上的应用程序转变成教学案例,消除学生对程序设计的距离感和恐惧感,帮助学生建立一个促进其主动学习以及意义建构的学习环境。教学首先通过《旅行的青蛙》游戏引入,实现去某地旅游用“标签”直接显示即可,然后提出问题:如何实现青蛙随机到不同地方的旅行?涉及的知识点为简单的随机数生成函数和判断语句。生成随机数的方式产生随机事件效率不高,引发学生的认知冲突,从而引出列表这一概念。列表数据结构是程序设计的难点,本节课通过将游戏里的随机和列表的随机选取结合起来,降低了列表的学习难度,增加了程序设计的趣味性。在应用阶段,通过几个不同的应用例子,如抽奖、背单词、笑话制造机,让学生体会同一个知识点的反复应用,提高综合问题解决能力。在拓展提高阶段引导学生添加单词朗诵功能,给程序添加人工智能元素,这些都能让学生从“要我学编程”向“我要玩编程”转变,在潜移默化中学习知识、培养能力。

在高中一年级活动设计时,从博物馆数字化出发,以各种数字技术展示传统二十四节气饮食为切入点,将“以不时不食——二十四节气对应的饮食”引入编程综合问题解决的课题中,让学生编程实现节气饮食的判断题,最后实现多个问题的随机展现与判断题干的正誤。整个程序的模块组成如下图所示。这节课由浅到深,涉及的知识点应用从单条件逻辑判断到多条件逻辑判,最后到循环、判断和随机函数的综合应用。在实现项目时明确引入需求分析、结构设计、代码实现、最终测试等软件工程思想,同时显性引导学生在问题分析过程中对问题进行分解和抽象,提升学生计算思维。

跨学段计算思维融通与整合的思考

通过三学段的“联动”,教师引导学生感受了知识生成以及深入研究的过程,感受了计算思维能力培养的系统性和循序渐进的过程,以及对同一知识由探索到探究再到研究的过程。通过本次实践,笔者得到以下启示:

一是教师要有学科大观念,教材不是教学的出发点。为了更有效地促进计算思维的进阶,教师仅仅知道本学段本学科的课程要求是远远不够的,还必须了解学生以前学到的知识,以及后续知识与当前知识能够互动的课程内容,进而促进学生的深度学习发生。

二是教师需要具备资源意识,意识到教材是可改变改进的资源,教师是可挖掘的资源,学生是可开发的资源。

三是教师要有生本意识,要思考不同学段的学生在学习同一内容时,达成的目标要求如何更有效递进。教师不仅要重视学科知识的衔接,更要重视学科思维的衔接;
不仅要注重横向的借鉴,还要有纵向的对比,异中求同,同中求异,前后贯通。

此次同题异构涉及的年级只有三个年级,后续的研究还需要开展更多的不同年级的教学实践,以实证来研究计算思维学习进阶,并不断调整与修正,通过基于证据的进阶研究,实现对学生学习进阶过程和水平的充分了解,为课程和评价的设计发展提供坚实的基础。

参考文献:

[1]韦斯林,柳秀峰,王祖浩.基于Rasch理论的计算机模型教学测验的设计与应用[J].中国电化教育,2014(07):139-144.

[2]Salinas I.Learning progressions in science education:Two approaches for development[J].Consortium for Policy Research in Education,2009.

[3]罗晓燕,李佳,袁萍,等.SOLO分类理论与学习进阶比较研究[J].课程教学研究,2021(01):12-17.

[4]刘徽.图解大概念和它的概念小伙伴们[J].上海教育,2020(03):47-48.

[5]吴秋影,赵秋燕,高翔.学习进阶理论下小学科学单元整体教学设计——以《简单电路》单元为例[J].教育与装备研究,2021,37(07):51-54.

本文是江苏省教育科学规划课题“学习进阶理论下学生计算思维培养的实践研究”(D/2021/02/184)的研究成果之一。

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