指向計(jì)算思維的信息科技學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)與實(shí)施VIP

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）的實(shí)施，計(jì)算思維成為信息科技課程的核心素養(yǎng)之一。信息科技課程需要通過實(shí)踐性學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，使其具備“分解問題、抽象建模、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化”的能力。然而，當(dāng)前的教學(xué)仍存在以下問題：①知識呈現(xiàn)較為碎片化，缺少完整的問題情境和問題鏈，學(xué)生難以形成完整的思維鏈條；②實(shí)踐任務(wù)缺乏階梯性支持，缺乏策略的指導(dǎo)及資源的支持，導(dǎo)致學(xué)生在面對復(fù)雜問題時(shí)無從下手；③協(xié)作反思薄弱，導(dǎo)致學(xué)生難以將知識內(nèi)化為思維素養(yǎng)。2因此，設(shè)計(jì)有效的學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生逐步掌握計(jì)算思維的方法和策略，成為信息科技教學(xué)的重要任務(wù)。下面，筆者結(jié)合“機(jī)器人巡線系統(tǒng)設(shè)計(jì)”項(xiàng)目案例，從支架設(shè)計(jì)原則、實(shí)施路徑及評價(jià)機(jī)制三方面展開論述，探討如何通過結(jié)構(gòu)化支持系統(tǒng)促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。指向計(jì)算思維的信息科技學(xué)習(xí)支架內(nèi)涵新課標(biāo)指出：“計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)?！睒?gòu)建指向計(jì)算思維的信息科技學(xué)習(xí)支架，需要為學(xué)生搭建知識橋梁，通過建立新舊知識聯(lián)結(jié)機(jī)制，幫助學(xué)生降低復(fù)雜概念的認(rèn)知負(fù)荷。4在知識建構(gòu)的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)化的思維方法，針對具體問題開展抽象建模、結(jié)構(gòu)化分解及算法設(shè)計(jì)，形成完整的計(jì)算思維解決方案體系。通過層次化的實(shí)踐支持，如模擬、仿真、驗(yàn)證等漸進(jìn)式的實(shí)踐環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維能力的具象化發(fā)展。同時(shí)，學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)應(yīng)注重多樣性，既要激發(fā)學(xué)生的主體意識，通過自主探究培養(yǎng)其自主思考問題的能力，又要構(gòu)建協(xié)作空間，提高其團(tuán)隊(duì)合作能力。指向計(jì)算思維的信息科技學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)1.情境型支架：真實(shí)問題驅(qū)動(dòng)思維發(fā)散情境型支架強(qiáng)調(diào)將抽象的計(jì)算概念轉(zhuǎn)化為學(xué)生可感知的實(shí)踐任務(wù)，關(guān)鍵在于創(chuàng)設(shè)真實(shí)具體的問題情境。在設(shè)計(jì)情境支架時(shí)，教師可以選擇一些與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)相契合的場景，如利用“機(jī)器人沿黑線前行”這一模擬物流公司分揀、無人駕駛等真實(shí)情境中的機(jī)器人任務(wù)，通過實(shí)體動(dòng)態(tài)展示引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)可以沿軌跡移動(dòng)并運(yùn)送快遞的機(jī)器人，從而有效激發(fā)學(xué)生的探究興趣。在教學(xué)實(shí)踐中，教師可以設(shè)置與主題相關(guān)的梯度化問題引發(fā)學(xué)生思考，如機(jī)器人是如何辨認(rèn)黑線的、如何控制電動(dòng)機(jī)的速度從而讓機(jī)器人轉(zhuǎn)彎、如何對線路進(jìn)行優(yōu)化問題等，最后可以將項(xiàng)目主題設(shè)定為“設(shè)計(jì)校園快遞機(jī)器人”。學(xué)生在解決問題的同時(shí)要對一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行多層次的分析，從而完成從具象思維到建立模型并形成抽象思維的提升。2.策略型支架：分步引導(dǎo)思維進(jìn)階策略型支架通過提供有效的思考方法等策略推動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移和思維轉(zhuǎn)化。教師可在從分析問題到解決問題的過程中，采用層次化的思維策略啟發(fā)學(xué)生將一個(gè)抽象的問題分解成若干簡單易解決的問題。以巡線算法設(shè)計(jì)為例，教師通過表格工具分階段進(jìn)行指導(dǎo)：首先，分析灰度傳感器數(shù)值與閾值的關(guān)系，建立“高于閾值檢測黑線”的基礎(chǔ)認(rèn)知；其次，將具體現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為條件判斷語句（如“灰度值高于閾值時(shí)左轉(zhuǎn)”），運(yùn)用流程圖梳理程序運(yùn)行邏輯；最后，通過反復(fù)調(diào)試電機(jī)功率參數(shù)，在動(dòng)態(tài)實(shí)踐中理解程序優(yōu)化的必要性。這種分層遞進(jìn)的策略體系，實(shí)現(xiàn)了階梯式的知識、能力遷移，從而有助于突破難點(diǎn)。3.資源型支架：軟硬件協(xié)同支持實(shí)踐資源型支架整合數(shù)字化工具與物理設(shè)備，有助于降低學(xué)生的學(xué)習(xí)門檻，滿足學(xué)生從技術(shù)實(shí)踐中形成科學(xué)理論的學(xué)習(xí)需求。例如，在巡線機(jī)器人項(xiàng)目中，為學(xué)生配備標(biāo)準(zhǔn)化硬件與示例代碼庫，學(xué)生可以親身體驗(yàn)搭建與調(diào)試機(jī)器的完整過程，深度體驗(yàn)如何優(yōu)化閾值和各項(xiàng)參數(shù)等，在真實(shí)的問題解決中，實(shí)現(xiàn)思維與能力的提升。4.交流型支架：協(xié)作反思深化理解交流型支架通過學(xué)生之間的協(xié)作與互助促進(jìn)知識的建構(gòu)，關(guān)鍵在于構(gòu)建多層次的協(xié)作與反思機(jī)制。例如，學(xué)生兩人組成團(tuán)隊(duì)，合作完成硬件搭建、數(shù)據(jù)記錄、算法設(shè)計(jì)、編程調(diào)試等環(huán)節(jié)，小組成員及時(shí)對實(shí)踐中遇到的問題進(jìn)行反思與總結(jié)，在實(shí)踐中達(dá)成元認(rèn)知的形成。在小組之間，進(jìn)行層級交叉協(xié)作互助，在中期匯報(bào)時(shí)，各小組展示各自的算法和思路，并相互答辯問題，如某小組學(xué)生在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)由判斷邏輯的問題導(dǎo)致的機(jī)器人在巡線過程中產(chǎn)生偏差的問題，引發(fā)全班學(xué)生的熱烈討論，其他小組提出通過優(yōu)化巡線控制算法進(jìn)行改進(jìn)的策略等。層層深入的交互支架既引發(fā)了學(xué)生之間的知識共享，也促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。指向計(jì)算思維的信息科技學(xué)習(xí)支架實(shí)施下面，筆者以“機(jī)器人巡線系統(tǒng)設(shè)計(jì)”項(xiàng)目為例，利用四維支架貫穿問題發(fā)現(xiàn)、方案構(gòu)建、實(shí)踐驗(yàn)證和優(yōu)化拓展的整個(gè)學(xué)習(xí)過程。在該項(xiàng)目中，四類學(xué)習(xí)支架相互配合：情境型支架關(guān)注全過程，保證情境的真實(shí)性和任務(wù)的指向性；策略型支架指向解決策略與方法，幫助解決思維難度較高的問題；資源型支架提供相關(guān)技術(shù)支持，使實(shí)踐操作得以順利開展；交流型支架促進(jìn)社會化學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展，深化理解與反思。1.問題發(fā)現(xiàn)階段：情境錨定與需求分析教師運(yùn)用情境型學(xué)習(xí)支架導(dǎo)入真實(shí)場景，如播放物流分揀中心或校園快遞機(jī)器人視頻，展示機(jī)器人沿黑線自動(dòng)導(dǎo)航的場景，從而引出核心問題：如何讓機(jī)器人精準(zhǔn)、高效地沿黑線移動(dòng)？同時(shí)，教師結(jié)合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察校園內(nèi)快遞配送路線，討論現(xiàn)有配送方式的不足，如效率低、易出錯(cuò)等，激發(fā)設(shè)計(jì)需求。通過真實(shí)問題確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，將抽象的計(jì)算思維轉(zhuǎn)化為具體可感知的任務(wù)。此外，教師運(yùn)用策略型學(xué)習(xí)支架為學(xué)生提供結(jié)構(gòu)化問題分析表（如表1），指導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜任務(wù)分解為子問題。教師為學(xué)生提供思維導(dǎo)圖工具，如使用XMind等工具繪制“機(jī)器人巡線需求分析圖”，幫助學(xué)生梳理功能模塊，明確任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)行系統(tǒng)化思考。同時(shí)，運(yùn)用資源型學(xué)習(xí)支架為學(xué)生提供案例庫，分享成熟的巡線機(jī)器人項(xiàng)目代碼，并提供基礎(chǔ)巡線機(jī)器人套件，讓學(xué)生初步組裝并觀察基礎(chǔ)功能，以此降低技術(shù)門檻，幫助學(xué)生建立初步認(rèn)知。2.方案構(gòu)建階段：邏輯設(shè)計(jì)與算法建模教師運(yùn)用情境型學(xué)習(xí)支架設(shè)置場景復(fù)雜度分級，提供不同難度的巡線場景（如直線、S型彎道、交叉路口）讓學(xué)生選擇。運(yùn)用策略型學(xué)習(xí)支架提供標(biāo)準(zhǔn)流程圖符號庫，引導(dǎo)學(xué)生用圖形化方式描述巡線邏輯，還可以提供分步設(shè)計(jì)指南，降低巡線算法設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，運(yùn)用資源型學(xué)習(xí)支架提供傳感器初始化函數(shù)、電機(jī)控制函數(shù)等部分代碼片段。另外，教師可以組織跨組互相評價(jià)，在小組的“評價(jià)量表”中（如表2）評析其他小組的方案，并反饋改進(jìn)建議。表1問題拆解分析表2方案評價(jià)3.實(shí)踐驗(yàn)證階段：原型開發(fā)與調(diào)試優(yōu)化表3常見問題排查教師運(yùn)用情境型學(xué)習(xí)支架可以提供真實(shí)的環(huán)境測試。例如，設(shè)計(jì)限時(shí)挑戰(zhàn)作業(yè)（3分鐘內(nèi)完成任務(wù)），調(diào)試S型路線巡線競賽，并利用各種真實(shí)環(huán)境的影響因素來暴露問題，如光照強(qiáng)弱導(dǎo)致機(jī)器人巡線出現(xiàn)異常的狀況等。同時(shí)，運(yùn)用策略型學(xué)習(xí)支架提供調(diào)試檢查清單，為學(xué)生提供常見問題的排查指南（如表3），還提供迭代日志模板，讓學(xué)生記錄每次迭代的參數(shù)以及相應(yīng)結(jié)果的改變，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范調(diào)試的習(xí)慣。此外，資源型學(xué)習(xí)支架可以為學(xué)生提供不同形式的學(xué)習(xí)資源，如視頻資料、交互文檔、硬件擴(kuò)展包等，滿足多樣化的學(xué)習(xí)需求，學(xué)生可以對這些技術(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。而技術(shù)答辯會、專家指導(dǎo)等交流式學(xué)習(xí)型支架，有助于擴(kuò)展學(xué)生技術(shù)視野，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。4.優(yōu)化拓展階段：遷移應(yīng)用與反思升華通過前幾個(gè)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解了機(jī)器人巡線的基本原理，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人巡線等具體應(yīng)用，此時(shí)加入跨場景遷移任務(wù)，提出如何在顏色區(qū)別較小的地面上完成巡線的挑戰(zhàn)任務(wù)，要求學(xué)生完成環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。還可以展開社會問題討論，如“自動(dòng)巡線系統(tǒng)會讓人類失業(yè)嗎”“在使用自動(dòng)機(jī)器人掃地時(shí)，機(jī)器人是否會觸碰人、損壞家具”“如何保障機(jī)器人的安全性和使用者的安全”等，關(guān)注技術(shù)倫理，從技術(shù)走向價(jià)值層面的反思。在學(xué)習(xí)策略上，可給予系統(tǒng)性優(yōu)化路徑，如設(shè)計(jì)算法優(yōu)化、流程控制優(yōu)化、硬件優(yōu)化等多個(gè)優(yōu)化途徑，培養(yǎng)學(xué)生工程化的學(xué)習(xí)思維。在該階段，學(xué)生已經(jīng)完成了較完善的程序，教師可通過提供云平臺等資源支持，讓學(xué)生將巡線機(jī)器人的控制程序存儲于云端，讓程序可以隨時(shí)調(diào)取。在項(xiàng)目后期，可進(jìn)行成果展覽，如舉辦校園科技節(jié)，讓家長、教師前來參觀，學(xué)生擔(dān)任講解員等，通過公開表達(dá)、反思，進(jìn)一步內(nèi)化學(xué)生計(jì)算思維、社會責(zé)任。實(shí)施成效分析本項(xiàng)目以一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，從課堂觀察、項(xiàng)目作品和師生訪談等方面收集和處理數(shù)據(jù)，以印證指向計(jì)算思維的信息科技學(xué)習(xí)支架的應(yīng)用效果。1.興趣激發(fā)：信息科技理論與實(shí)踐結(jié)合應(yīng)用情境支架的運(yùn)用和實(shí)施激發(fā)了學(xué)生興趣，學(xué)生對“把設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)”的過程充滿興趣，學(xué)習(xí)積極性提高。完整的項(xiàng)目情境幫助學(xué)生經(jīng)歷“問題發(fā)現(xiàn)一方案構(gòu)建一實(shí)踐驗(yàn)證一優(yōu)化拓展”的完整思維鏈條，使其在解決問題的過程中提高了學(xué)習(xí)自主性和成就感。2.思維升級：強(qiáng)化計(jì)算思維與創(chuàng)新能力提升通過對學(xué)生的任務(wù)完成情況和算法設(shè)計(jì)程序的采集和觀察來看，學(xué)生在抽象建模、算法設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、問題解決能力等方面，都有明顯提升。在項(xiàng)目實(shí)踐的過程中，學(xué)生在“設(shè)計(jì)—測試—優(yōu)化”循環(huán)模式中，逐步建立了基于計(jì)算思維的思考模式。3.原理深化：實(shí)現(xiàn)充分原理探究與深入理解有層次有梯度的教學(xué)支架能幫助學(xué)生從基礎(chǔ)概念學(xué)習(xí)逐步深入到核心原理的探究。這些支架通過由淺入深、循序漸進(jìn)的引導(dǎo)方式，使學(xué)生在理解基礎(chǔ)知識的同時(shí)，逐步掌握人工智能技術(shù)的核心原理和機(jī)制。同時(shí)，教師利用實(shí)驗(yàn)案例、在線資源等多種教學(xué)手段，讓學(xué)生在實(shí)踐中探索和驗(yàn)證原理，增強(qiáng)了對信息科技的深人理解和實(shí)際應(yīng)用。結(jié)語本文提出