从经验到结构究竟有多远

2022-07-24 19:09张利波陆波
中小学信息技术教育 2022年7期

张利波 陆波

【摘 要】本文从生活排队场景入手,梳理细节,理解插入排序过程,并形成“经验复制、合并相同、抽象一般、模型构建”SSCS(Sample-Same-Common-Structure) 四步建构范式,以此说明建构学习要义,并运用SOLO模型进行插入排序思维评價。

【关键词】SSCS范式;建构学习;插入排序;SOLO模型

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384(2022)07-059-03

随着义务教育阶段信息科技课程标准颁布,“素养导向”的教学目标进一步明确,课堂教学更加注重培养创新为特征的专家思维。如何让学生跨越惰性知识,形成超越结论的专家思维?关键在于高通路迁移。本文以排队谈建构学习SSCS范式,引导学生主动建构知识,形成新的认知与理解。

疑难问题

冒泡排序、选择排序和插入排序是三种经典排序方法。插入排序相对较难,如果没有任何知识铺垫,教师直接讲解插入排序,学生学习效果甚微,不易理解其中的来龙去脉,难以真正掌握知识。怎样让学生理解插入排序过程?教师需要结合建构主义理念,对接学生先前经验,在排序之前铺垫,使学生理解过程自然、轻松又深刻。

情景再现

插入排序对接学生经验需要两步走:模拟生活中的按序排队与引入插入排序。

第一步模拟排队:请5位学生上台,其中1位(定义为新同学)出列,其余4位按身高由低到高排列整齐。现在请新同学,加入到这个队列中,并且使队伍保持身高由低到高排列。

学生对这个场景非常熟悉,逐个比较,比如从队尾开始比较,如果新同学比当前学生还高,那么直接排到该学生后面,即形成一个新的整齐队列。反之,新同学由队尾依次向前逐个比较,直到遇到比当前学生高的情况(如果到队头还是没有比当前学生高,那么在队头加入队列)。这样,某位新同学加入的位置确定了,然后执行加入操作。

第二步引入插入排序:再次邀请5位学生上台,5位学生随机排列。请学生思考,怎样用刚刚排序的方法,将5位同学按身高由低到高排列整齐。

这与刚才排队不同,第一次4人队伍整齐,第二次队伍不整齐。这是非常重要的发现。如何解决?关键在于从不整齐的队伍中构造整齐的队伍。学生有点懵了,这不相互矛盾吗?我继续引导学生,5人队伍的确不整齐,那么4人、3人呢?……很快,学生发现,当队伍中只有1人时,立马变成了整齐队伍!既然整齐队伍找到了,学生表示沿用之前的方法添加。通过假设、猜想、分析、讨论、交流,学生基本理解排队过程,插入排序的经验模型基本成立。相比冒泡排序、选择排序,插入排序的元素自带先后顺序,操作带有时间差。

核心本质

从生活排队经验入手,不难理解插入排序,这个过程本质就是建构学习,即学习是一个意义建构的过程,学习者通过新、旧知识经验的相互作用,丰富、调整和完善自己的认知结构。那么,从排队经验联结插入排序,其中建构的基础是什么呢?首先,建构学习强调真实性,如排队是生活中经常遇到的场景,超市排队、就餐排队、就医排队等。其次,建构学习强调学习情境,如学习插入排序之前重温排队的情境。最后,建构学习强调迁移,如从排队过程插入环节迁移到插入排序中元素的插入操作。

认知演绎

以上只从情感上具备了从生活排队衔接到插入排序,真正从生活场景过渡到知识理解其实还有一定的鸿沟。不然,为什么我们总有这种体会:生活排队模拟我们都会描述,也了解其中细节,可一旦落实到编程,却往往令人生畏。所以,真正的建构基于经验复制,难点始终在于认知理解。

认知理解通常由具体到一般,通过具体实例来归纳总结,并形成“经验复制—合并相同—抽象一般—模型构建”的一般策略。下面用数据进行模拟,假设a=[2,7,12,20],以新加入元素11为例进行说明。

1.Sample经验复制:记录元素插入

经验复制以具体排队为例,由排队人转化为数据,不需要抽象与建模,将数据想象成具体的排队人。这一步重在还原排队过程,按部就班细化每个排队操作,记录每个排队步骤(表1)。这个过程完全凭借经验进行,由于经验的具体性与可操作性,排除学生畏惧心理,让学生体验成功,为后续进一步抽象与建模增强信心。

2.Same合并相同:寻找相似动作

细化罗列每一个步骤,目的是让重复自现。一般认知中,具体或抽象在思维上存在着巨大差异,而程序执行必然以高度抽象的编程语句来实施。我们遵循“具体—抽象—程序”的过程,先将具体实例转化为可以表述的一般步骤,继而转换成程序语句。从表1的一般步骤可以看出,序列2、3有着相同的操作。这里可以讨论的点有:序列2、3包含一样的操作步骤,想到什么结构?当前数据后移一位,下标前移一位,两个步骤先后顺序可以置换吗?

学生就以上两个问题展开讨论,大致如下:相同的操作意味着重复,重复就是循环结构;循环体就是这个操作,序列2或3;循环条件是新元素比当前数小;循环体包含了两个动作:当前数据后移一位、下标前移一位;这两个动作有先后关系,顺序不可置换。至此,执行循环体的条件与包含动作已经明确了,师生进一步分析当循环条件不符合或者退出循环条件时,与后续动作一致吗?即确定位置(包括第一个元素),执行插入操作,并且这个加入操作有且仅有一次,符合退出循环结构来执行。

3.Common抽象一般:转成一般操作

以上都是基于前4个元素整理好的前提下进行的一次操作,事实上,在插入排序中,这只是其中一趟排序的呈现,所以我们在基于j=3的一趟指定排序过程中,需要转换为置于排序插入中的某趟排序的过程实现。经过师生共同分析,完成以下的改变与补充:将之前的j=3改变成从当前元素的前一个元素即j=i-1开始比较,同时还要增加将当前元素a[i]存为NewStud。循环条件为:while j>=0 and NewStud<a[j],循环体动作为a[j+1]=a[j],j=-1。

4.Structure模型构建:实现插入排序

在完成单次排序后,我们可以尝试将单次排序与插入排序进行汇总。插入排序的原理是每次将一个元素加入到之前已经排序的队伍中。因此,插入排序從队伍第2个元素开始,此时前面只有一个元素,可以看成已经排序。第2个元素完成,即可将第3个元素加入前两个已经整理好的队伍……依次类推,直到最后一个元素加入完成。因此,插入排序需要用两重循环实现,我们可以继续梳理如下:外循环从第二个元素到最后一个元素,以队伍首个元素下标0为例,外循环i从1开始到len(arr)。外循环体完成三个动作,一是内循环体准备工作,即将新插入元素a[i]赋值NewStud,比较位置从当前位置的前一个开始j=i-1;二是内循环体执行过程,直接套用Common结果;三是内循环体结束工作,此时找到了插入位置,执行插入操作a[j+1]= NewStud。至此,我们已经扩展成插入排序。

思维评价

瑞士心理学家皮亚杰认为,“我们可以越过那些可观察到的东西来尝试着建构结构,从当他解决新的问题时,他依靠他的运演所‘做’的来建构结构”。在实际教学中,学生思维结构往往很难监测,因此我们可以借助比格斯的SOLO分类理论,从简单到复杂层次呈现思维结构。以插入排序为例,从建构角度来分解各个结构层次水平,大致评价如下:学会用插入排序的方法模拟排队(前结构水平);理解插入排序并编程实现(单一结构水平);比较插入排序与冒泡排序、选择排序的异同(多元结构水平);运用插入排序方法解决实际生活问题(关联结构水平);综合分析实际问题并选用合适的排序算法来解决问题(扩展抽象结构水平)。

意义延伸

建构主义学习理论的关键在于引导学习者找到临近发展区,唤醒旧知识,并在临近发展区学习,主动建构知识,形成新的认知与理解,这对学习发生具有重要意义。

1.关联生活场景,让学习变得自然

信息技术学科大多数概念来源于真实生活,充分运用生活经验展开学习,更容易习得概念,抓住概念核心。如洗碗时往往最先洗的碗放在最底下,然后逐个洗,逐个叠放,这样的操作特点是最先洗的碗放在最下面,最后洗的碗放在最上面。这种叠放的模型,衍变成数据结构的栈,特点是先进后出。由于带入洗碗的日常场景,栈的特点及操作易于理解与掌握。

将生活场景、生活经验迁移到信息技术学习中,这是一种学习方法的获得,可以去除死记硬背、消融知识障碍、促进知识理解。师生需要注重日常生活观察,提升信息意识,加强日常积累,善于归纳总结,使学习过程更加自然清晰,学习理解更加持久有效。

2.关联学科经验,让学习变得系统

知识关联分为显性关联与隐性关联。显性关联比较容易,在课堂上极易发生,如从Word文字操作到图像编辑的文本操作,从图画工具箱到Photoshop、Flash工具箱等,这些都属于浅层关联。除此之外,师生更需要挖掘隐性关联。隐性挖掘重在透过表层,发现知识内核,以全局的眼光进行关联学习,促进系统性学习。

如Label控件与Flash帧属于隐性关联。两者本没有相关性,但在某个时刻却非常“神似”,利用这种关联,发现两者内在也基本一致,本质为静态画面。类似的隐性关联还有不少,如Photoshop图层可关联的参考内容:自选图形的叠放、文字环绕方式、页眉页脚、Flash图层、Flash帧等,需要师生在教学过程中共同探索、共同发现,提升学习的系统性。

3.关联全科素养,让学习变得融通

建构学习倡导在全学科的思路下搭建临近发展区,突破单一学科限制,建立学科联结,为建构学习的生发赋予更多可能。如Word文字格式设置,借鉴语文学科的专业手法,用波浪线标记精彩句子,用着重号标记连续动作等。进化到Photoshop文字,教师引导学生制作电影海报,拟定中英文电影名,体现电影主旨的短语或句子,电影导演(学生名)、主演、上映日期等重要信息。除了数字素养之外,还需要充分调动英语、语文、美术等学科素养。信息技术学科的建构学习以知识关联为基本,扩展到格式、经验、素养等其他要素的联合与融通,形成更为宽泛的意义建构。

参考文献

皮亚杰著;王宪钿译. 发生认识论原理[M]. 北京:商务印书馆,1981.

张沿沿,冯友梅,顾建军,李艺. 从知识结构与思维结构看思维评价——基于皮亚杰发生认识论知识观的演绎[J]. 电化教育研究,2020(6):33-38.