知识整合视角下的计算思维能力培养策略研究

金涛

如何培养学生计算思维能力已成为信息技术学科核心素养研究热点。本文首先阐述了计算思维能力和知识整合的内涵与研究现状；在探究必要性的基础上提出了培养学生计算思维能力的知识整合教学策略，同时分析了知识整合教学策略在实践过程中的注意事项。

教育部2018年印发的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中明确提出要注重培养学生信息技术学科核心素养，其中计算思维作为信息技术学科核心素养的重要组成部分，以其“面向学科”的特性受到格外关注，已成为学生需掌握的关键能力之一，因而以培养学生计算思维能力为目标的计算思维教育日益受到重视。虽然当前课堂盛行的“传递－接受”教学模式（以下简称“传递型”）具有教学效率高、环境要求低等特点，但该模式注重教师主导作用，对学生主体地位关注不足，学生难以独立形成自主学习与自主探究的主动性与积极性，难以培养学生创新的思维与创新的能力，难以满足开展计算思维教育的现实需要。因此，开展适合学生计算思维能力培养的教学方法与策略研究尤为必要。而知识整合（Knowledge Integration，以下简称KI）教学具有重视学生个体情况、强调整合新旧观念、倡导向他人学习、注重思维表征、鼓励开展协作等特点，在KI教学中学生更易获得对事物科学的理解，并形成科学的思维方式，这也为培养学生的计算思维能力提供了更多的可能。基于此，本文在分析必要性与可行性的基础上，提出使用KI教学策略来培养和提升学生计算思维能力。

1 计算思维能力与KI教学

1.1 计算思维能力

关于计算思维的定义，国内外学者观点不一，如周一真教授认为计算思维是形式化问题和解决方案的思维过程；任友群教授提出计算思维主要表现为形式化问题和抽象问题、建立模型、分析和组织数据、形成问题解决方案并迭代优化、解决方案系统化和迁移六个子能力；Aho提出计算思维是形式化问题的过程，问题的解决方案可以用计算过程和算法表达；陈国良认为计算思维是一种在实践中解决具体问题的思维方式，因而计算思维教育应该在解决问题的过程中开展。不难发现，国内外学者基本认同计算思维本质上是一种人类解决问题的思维和能力体现的过程。关于计算思维能力培养的研究现状，当前主要集中在两方面：（1）教学模式、方法与策略的设计，如项目式学习、SPOC混合学习模式、STEM教学、整合型教学模式与策略等；（2）教学工具、系统与资源的设计与应用，如图形化编程工具、儿童编程游戏、微课等。综合计算思维的定义和研究现状，基于问题解决的关键步骤和Selby C等提出的计算思维五要素（分解、概括、算法思维、评估、抽象化），本文将计算思维能力要素界定为发现问题、分析问题、算法解决问题、反思与迁移四个方面。

1.2  KI教学

KI最早應用于科学课程，其核心观点认为每个学生都有一个“观念库”，教学应尊重并以学生的观念为基础，给学生的“观念库”中添加新观念后，要注重引导学生汇集证据并分辨观念、反思与梳理观念，最终达到对事物的一致性理解。KI模式是构成教学过程的一系列相互促进的环节，能帮助学生建立对教学主题的一致性理解。KI模式的一般性过程包括析出观念、添加观念、辨分观念、反思与梳理观念四个环节，这四个环节有机结合可以促进KI，而在教学过程中这四个环节并非一成不变，可根据需要进行适当调整，但要想让学生达到对教学主题的一致性理解，辨分观念与反思观念不可或缺。学生的“一致性理解”主要体现在：（1）达到科学现象或科学知识的标准，即形成一致性知识体系；（2）新旧观念得以整合，形成一致性观念；（3）能够利用现有的科学概念正确解释各种观念；（4）在不同情境下，能够用一致性观念解释反映同一原理的科学现象。KI遵循的原则可概括为使科学触手可及、让思维看得见、帮助学生向他人学习、促进自治。在课程教学中关于KI的研究主要包括：（1）设计、开发或应用促进KI的工具、系统或资源，如有助于学生深入学习博客内容并进行知识整合的标签和标签云（TagClouds）等；（2）促进KI的教学活动、模式与策略研究，如能更有效地让学生参与KI过程并提高学习成绩的自我诊断活动等；（3）KI基本理论研究，如KI原则、KI定义与过程、KI目标等。基于KI基本理论和研究内容与现状，本文将KI策略概括为体现“KI观”且能促进学生对教学主题一致性理解的一种教学策略。

2 KI视角下培养计算思维能力的必要性

2.1 计算思维能力培养需要KI做支撑

计算思维以解决问题为核心，计算思维能力的培养需要KI支撑，二者关系如图1所示。其中：（1）在“发现问题”环节，学生需要明辨教学问题并在小组内进行陈述和解释，之后将教学问题与所学知识点相联系，主动预测问题解决的方式及其结果；（2）在“分析问题”环节，学生在探究路线图的辅助下自主探究学习，提出问题假设，预设问题解决方案并在小组内分享展示；（3）在“算法解决问题”环节，学生在掌握问题抽象化表征并在明晰问题解决基本原理的情况下，设计算法解决问题并验证假设；（4）在“反思与迁移”环节，通过小组合作学习、方案互评与展示、教师总结、自我反思等活动来帮助学生掌握并巩固解决问题的系统性过程与方法，鼓励学生完善问题解决方案并迁移到类似的情境中。需要说明的是，为适应多样化的教学活动，针对图1中计算思维能力的各要素，可以将KI模式的多个环节相结合，通过增强学生发现问题、分析问题、算法解决问题和反思与迁移能力，促使学生的计算思维能力得以形成和提升。

2.2  KI教学中发展计算思维能力的优势

尽管当前将计算思维和KI教学相结合的研究较少，但KI教学与计算思维具有一定的耦合之处，主要表现在：情境化的教与学、科学探究问题解决过程、总结和反思观念以形成系统性认知等方面。KI教学旨在促进学生对教学主题的一致性理解，本质上也是一种解决观念整合问题的过程。KI教学重视情境化学习，强调科学探究和基于证据的观念分辨，注重学生对观念整合过程的总结和反思，这些有助于学生形成科学的思维方式。事实上，在培养学生计算思维能力时，教师需要在教学过程中有目的地引入或创设情境，激发学生的情感，并且情境化的学习更容易从能力的提升上升到思维的养成。而计算思维本质是一种人类解决问题的思维和能力体现的过程，只有认清问题的本质，才能从根本上提高解决问题的效率。同时，计算思维者也需要将知识运用于现实生活中，根据知识所处的背景信息辨识问题本质并灵活解决问题。总之，KI教学应用于培养学生计算思维能力具有一定的优势，即在KI教学中学生发现问题、分析问题、算法解决问题、反思与迁移各项能力均得以形成并提高。而具备计算思维能力的学生在接受KI教学时，在探究问题解决方案、认知科学现象的本质、适应学习环境、开展协作学习等方面具有一定的优势。基于此，本文在借鉴计算思维和KI教学研究成果的基础上，以培养学生计算思维能力为目标，提出面向计算思维能力培养的KI教学策略。

3 KI视角下培养计算思维能力的策略

培养学生计算思维能力的策略主要由情境导入、自主探究、学习支架、算法设计、合作学习、总结反思六个环节组成，分别对应六个具体的KI教学策略，其框架如图2所示。其中：（1）问题植入教学情境。教师通过设置引人入胜的情境导入环节，将教学问题有效植入其中。借助问题清单让学生对情境导入环节中的教学问题进行选择，引导学生与小组成员相互讨论。之后，教师可通过随机提问、小组代表发言等形式对学生的问题选择与讨论情况进行点评和总结，并阐述导入环节所体现的教学问题及其有关知识点。（2）问题驱动的自主探究学习。明晰教学问题后，学生需要探寻相关证据以支持个人预设的问题解决方案，从而避免对问题的片面或直觉认识。为此，教师先要支持学生通过自主探究来分析问题，提供包含背景资料、知识范围、问题解决难点、问题抽象化表征、算法知识点等内容的探究路线图来指引自主探究学习过程；接下来指导学生在自主分析问题的基础上，设计包含解决问题的相关假设、流程图、算法知识点、注意事项、结果呈现方式等在内的问题解决方案；方案初步完成后，教师应及时反馈以指导学生对方案进行修改和完善，此时可借助组内互评和组间展示等活动评选出优秀的方案并进行点评；在组内互评环节，小组成员在评选他人方案的同时，自我鉴赏能力、沟通与表达能力也得到了提高；组间的优秀方案展示和教师点评在帮助学生学习借鉴优秀方案的同时，也为学生树立了优秀方案“模范”，有助于提高学生问题分析和方案设计能力。（3）提供有效的学习支架。为实施问题解决方案，学生需要设计并实现合适的算法，但前提是学生能够将问题进行抽象化表征并明晰问题解决的基本原理。因此，在教学过程中需要提供有效的学习支架来帮助学生进行问题抽象化表征和问题基本原理的辨析。对于问题抽象化表征，可提供基于算法解决问题的典型案例来帮助学生进行类比学习。对于问题解决的基本原理，可借助模型、虚拟实验、文字提示、微课、步骤演示动画等工具将基本原理中复杂的、抽象的部分进行可视化。学生通过将算法原理、问题抽象化表示补充到预设方案之中，从而使其问题解决方案更加完善。（4）设计算法解决问题。学生可借助相应的工具编写算法以解决问题，教师需指导学生对算法的结构、语法、数据格式等进行核查和调试，以确保算法顺利执行。之后，学生借助算法对预设方案中的假设进行验证，并对算法解决问题的效果进行评估。实际上，当学生使用算法正确解决问题时，往往会滞留在算法设计层面上，表现在：不会主动去系统总结问题解决的过程，形成完善的问题解决方案；忽视建立问题解决方案和算法之间的联系；很少会主动将已有的问题解决方案和算法思路迁移到新的情境中。因此，教师要注重引导学生对发现问题、分析问题、算法解决问题的过程进行归纳和总结，以形成学生个人的问题解决方案。另外，学生需要总结和比较算法实现的过程和问题解决方案之间的关系，设想类似的问题情境，并将其整合到个人方案之中。（5）基于小组互评的合作学习。已形成的问题解决方案学生较少会主动展示和分享并对方案进行查缺补漏。因此，需要为学生搭建作品展示和分享平台。此时，可开展小组合作学习，让学生在小组中开展分享、答辩和互评活动。小组成员及时完善个人方案，并评选出小组内的优秀代表作品，进行组间展示和分享。小组成员间的彼此反馈，有助于学生及时发现自身的不足并积极向他人学习，也为培养学生作品欣赏能力、观念表达能力、合作意识创造了条件，让学生在以问题解决方案为基础并利用算法解决问题的过程中获得更多成就感。（6）以自我反思推动方案迁移。学生问题解决方案形成后，教师需要提供一定的参考标准或指南，以帮助学生正确评估方案。为此，教师可以讲解“关键案例”的方式来阐述问题解决方案中的注意事项和重要内容，在引导学生进行总结和反思的同时，也为学生后续设计问题解决方案提供了方向。最终，教师布置类似的教学问题，让学生予以解决，并设计、提交完整的问题解决方案。基于学生问题解决方案的诊断，及时发现学生存在的问题并予以指导，在后续的教学中，教师可对上述教学环节予以完善和调整。

4 KI教学策略在实施过程中的注意事项

KI教学具有重视观念分辨、自主探究、总结反思、意义建构、情境化学习等特点，能帮助学生形成对科学概念或现象的一致性理解，逐渐发展出科学的问题分析和解决方式，获得个人成就感，这为培养学生计算思维能力提供了有利条件。本文提出的面向计算思维能力培养的KI教学策略在实施过程中应注意四个方面的事项：（1）信息技术的支持作用。注重借助信息技术工具来指导学生复杂的问题探究活动，记錄学生的问题解决过程并提供个性化指导。可以提供有效的学习支架，促使学生在理解问题解决原理的基础上积极寻求使用算法的方式解决问题。此外，可视化工具“使思维看得见”，可帮助教师及时了解学生思维方式动态变化的过程，从而给予及时指引，帮助学生逐渐形成计算思维。（2）学生计算思维能力的培养不可一蹴而就。KI教学策略有助于培养学生的计算思维能力，但需要一个长期和稳定的过程，教师要有计划、分阶段地稳步推进，仅通过几节课程就可以培养学生的计算思维能力与现实不符。（3）课程、教学与评价的统一。与传统教学模式不同，KI教学强调学生的一致性理解，因而对以培养计算思维能力为导向的KI教学的评价和课程规划需要进行适当调整，从而使课程、教学与评价相统一，共同促进学生计算思维能力的形成和发展。（4）情境化教学的实施与落地。KI教学的提出是建立在学生拥有关于教学主题的“观念库”基础之上的，因此教师设置教学主题或问题时，需要将其与学生已有的“观念库”相结合，从而确保学生能够基于自己的观念发展自己的理解。教学活动或主题的选取要充分体现出情境化的特点，让学生在理解生活现象，解决生活问题的过程中获得一定的成就感。

本文系湖北汽车工业学院2023年度就业育人研究课题“大学生就业心理偏差及其调节策略研究”的阶段性研究成果，课题编号：JYYR2023003。

（作者单位：湖北汽车工业学院）