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信息技术课程中计算思维能力培养

2021/07/13 阅读:

摘要:计算思维是重要的思维方式,可以帮助学生推进各个领域的研究,帮助他们从信息技术课程中获得对学习者终身所需要的知识和能力。如何在信息技术课堂教学中有效培养和提高学生的计算逻辑思维能力,必须经过师生不断地共同探索、努力实施才能实现。这是目前信息技术教育正在进行的一个重要的探索实践。

关键词:计算思维;信息技术;课程;策略

1引言

计算思维主要指运用基本逻辑思维方法来进行数据处理、问题解决、精确求解、体系设计以及对人们的思维行为做出认识,是应用了许多覆盖计算机科学领域深度广度的数学思维推理知识[1]。计算思维在解决问题的过程中运用了各种数学思维的手段和方法,采用推理的计算方法以及运用计算思维的方式来帮助教师找到问题的正确解答。它能够使教师随时在不确定的条件下对问题进行合理的规划、学习和适当的调度。计算思维就是运用海量数据资源进行加速计算,在时空、存储容量、对数据处理能力与存储容量之间做出的权衡。因此,在教学中,教师要指导学生利用信息技术科学的基本技能进行计算思维能力的培养,从而获得更多的知识迁移。

2计算思维教育研究

2.1国外计算思维研究

国外对于计算思维研究的重点在推动计算思维的发展方面。学者们提出在课堂中进行计算思维的指导与推进并注重评价,运用信息技术工具促进计算思维教育的发展,探索教学模式的研究对计算思维教育研究的推进作用[2]。信息技术、人工智能和编程教育等是探索、评价计算思维教育的教学改革平台[3]。

2.2国内计算思维研究

国内对于计算思维的研究还正处于一个初级阶段,但是发展速度较快,主要是着眼于计算思维教育。目前研究的领域比较广阔,但是缺少一定的深度。虽然一些研究成果已由理论研究转为应用,但未切中要害。普通高中信息技术新课标中明确提出培养计算思维能力[4],学者们在信息技术课程中,从计算思维的基本内容和价值、培养战略与课堂教学模型三个方向展开了一系列相应的研究,但依然存在着很多的关键性问题未能被涉及或虽被触及但又不够深刻。

3计算思维的影响

3.1计算思维的能力

教师应该让每一位学生从小培养自己的分析能力。学生不但要有良好的读写和运用算术的能力,而且要学会养成一定的计算思维能力。教师可以通过利用益智游戏开发软件、声乐和音频视频软件作品制作,以及对开源的软硬件系统工程设计、程序与算法、计算仿真等的创新应用,多方位、多角度、多方式培养学生计算思维能力[5]。

3.2计算思维的价值

虽然目前教师都能强调利用信息技术手段来帮助解决实际的问题,但也只是一种解决操作软件问题的具体途径,缺少从学生的个体人生和社会发展的角度出发去认识和看待信息技术这门课程本身所具备的教育价值。在课堂教学中,教师应该培养学生运用计算思维来解决问题,培养一定的信息素养,具备创新意识,从而成长为对社会有用的创新型人才。在人工智能课程中,学生运用计算思维来掌握智能感知、表示与推理、机器学习、人机交互等基础知识与技能,提高计算思维,加强人机协同能力。在编程教育过程中,实际上是人类不断利用计算思维向智力水平超越的路径。“编程教育”作为与计算机对话的重要语言,其图形化的编程、Python已经逐步走进中小学课堂。特别关键的是编程教育要贯穿计算思维理念,用数字化的方式去看待数据,从而培养他们计算思维的过程。

4教学策略

4.1加强理解提高素养

信息技术老师加强学习与理解计算思维要素,融会贯通与计算思维有关的知识,提高自身的专业素养,具备将计算思维融入信息技术专业课程中进行教学的能力。

4.2整合教材设计教学

信息技术教师应根据信息技术教材每一个知识点的基本内在逻辑结构,将教学内容进行整合,使每一个完全孤立的知识点都能够变成一个互相之间具有某种逻辑关系的知识模块,使得知识结构系统化。在课堂任务设计方面,教师应以项目设计形式针对每个模块进行恰当的任务设计,让学生充分体验到各个知识模块之间的独立性与逻辑性,从而更好地理解、掌握理论。

4.3善用教法融合思维

传统的教学方法很多,有基于问题探究学习法、自主学习法、游戏教学法等。而计算思维不仅是对某一个知识点或者某项技能的熟练掌握,还要把这种计算思维运用到生活和科研中。只有不断的转变教育教学思想,落实对于教材的创新和教法,才能够在信息技术课堂教学中真正转变目前的按照知识点把所有的课程内容划分成各种模块的教学和组织管理模式。在具体的教学中,教师可以采取设计慕课、翻转课堂等教学模式,引导学生发现问题、提出问题、分析和解决问题[7],利用计算机完成的方案,从而快速、精准地得到结果,有效培养学生正确处理课堂活动中存在问题的意识和能力。在教学中,老师可以融合不同的教法和手段对其进行教学,例如活动型的教学、探究型的教学、分层式的教学等。

4.4立足教材培养思维

要探索在教学中培养学生计算思维的方法,教师应立足教材细微环节,在解决问题的过程中,自然引导“输入两个正整数a和b,交换a、b的值输出”的算法[8]:考虑引入第三个变量的方法,两个变量交换,可以想象成A杯白水和B杯雪碧进行交换,这时容易想到拿C空杯子过来,将A中白水倒到C空杯中[9];将B中雪碧倒到A白水杯中;将原空杯中的白水倒到B杯中。这时,如果从时间和空间的角度考虑启发计算思维,在迁移认知的过程中,让学生既知“法”又明“理”,将“对于a+b,非他即彼”的思维形成新的算法。让学生建立不同算法之间的联系,将计算模型进行架构,结合“时空复杂度”的思想,从而解决问题,使学生思维得到形成与发展。

4.5在活动中发散思维

思维的形成和发展是一个基于现实情境的教学过程。脱离了现实情境的教学很单薄,难以做到对学生整体思维能力迁移。培养和提高学生的计算思维的最终目标是为了让学生将这样一种方式合理地搬运到他们的日常生活和学习中,从而全面有效地培养和提升他们的信息素养。例如,在《信息资源管理》教学中,学生在课前收集本节课的各类型实例。在课堂中,学生通过分析材料来发现问题,探索有关信息资源的知识,学会高效管理信息的多种方法。最后学生通过自己的实践操作进行设计,将自己所学的信息技术运用到学习中,领悟支持信息技术学科发展的核心素养,从而体会计算思维的本质。教师可以引导学生参加全国青少年信息学奥林匹克联赛(NOIP)活动,能有效促进计算思维向纵深发展。

4.6通过STEM拓展思维

在STEM活动中,学生的项目实践活动有:(1)数据抽取。通过讨论、网上搜索,了解并获得相关数据。(2)抽象模型。抽象是将某一过程集合化,只保留某些重要特征以便获取计算方法。学生运用抽象的方法提取事物的关键特征,并与其他事物建立关系,进而根据以往经验制定合理的解决方案。(3)算法优选。在课堂中,各小组对算法进行选择并开展自主设计活动。(4)编程模拟。学生进行编程实践,最终实现课题。STEM活动致力于学生的创新实践能力方面的培养。计算机科学、科学与工程、数学与艺术的相互渗透,能够激发学生更高效的学习行为和更广泛的创新实践。通过STEM活动,可以有效地拓展学生计算思维的培养空间。

5结束语

计算思维是一种重要的思维方式,是发现问题、提出问题、分析问题从而解决问题的高效思维方式[11]。它正在渗透着各行各业。如何在信息技术课堂教学中有效培养学生的计算思维能力,需要师生不断地共同探索、努力实践来实现。对于学生而言,计算思维贯穿所有学科的学习,是未来教育的最好方式之一。教师期望经过师生的共同配合、持续努力,学生的计算思维能力能在各方面都取得长足进步,成长为社会需要的创新型人才。

作者:翁秀兰 单位:福建省福州第十五中学

信息技术课程中计算思维能力培养

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