从阅读“说明书”到发展计算思维

何谓算法?通俗地说就是在有限时间内解决某个特定问题的步骤。好的算法既要实现最少时间,还要实现最少资源,就是我们常说的“省时省力高效”。生活中处处有算法,人人都在用算法:做饭、洗衣服在使用算法,出行规划路线在使用算法,维修故障在使用算法……人们每天都在不知不觉地使用算法。做同样的事情,我们会发现身边的人有的做事效率很高,有的则不然,从算法的角度解释就是这个人所使用的算法是否是该问题的“最优解”,最优解才是好算法。

虽然算法与我们的生活息息相关,但就学科归属而言属于计算机领域,是信息技术学科核心素养之一——计算思维的一个重要内容。从教学内容看,编程教学是培养算法思维的重要途径但不是唯一途径。转变视角 ,其实信息技术学科任何内容都可以适当地渗透算法思维。

这学期四年级新增的3D one教学内容,在小学阶段普及这门课程有一定的困难:3D打印自诞生以来至今仍然只是在某些特定行业、小规模、个性化的范围内应用,发展前景尚未可知,似乎很难成为人人可用的普惠型技术;小学生从个人认知发展特点到数学学科基础知识都限制了他们在学习3D one软件过程中的空间想象力和造物设计能力;软件中的命令如“扫掠、放样、拔模、曲面分割、投影曲线”等抽象难懂,超出小学生的认知能力而难以理解。

最初,我试图给学生讲解点、线、面、体的关系,认识实物与平面图形、立体模型的对应,让学生尝试从实物中抽象出模型,最后在3D one软件中将模型绘制出来。从课堂观察来看,教学效果极其糟糕,每个班级能理解概念的不到20%,能根据实物说出立体图形的能达到60%以上,但能抽象出截面等相关平面图形的仅有5%。因此,我放弃了原理讲解和组织学生探究的教学方式,将各种命令融入生活中常见常用物品的模型制作过程,将操作步骤写成“说明书”的形式(如下图),课堂上推送给学生。学生根据说明书进行操作,操作的过程中领悟命令的含义、发现3D造物的一般方法。从课堂实践的角度看,根据说明书完成操作任务,并不仅仅是一个模仿训练的过程,在教师科学、有效地指导下,其实也是一个发展学生计算思维的契机。

阅读是运用语言文字来获取信息、认识世界、发展思维,并获得审美体验与知识的活动。(来源:百度百科)目前学生的阅读存在一些问题:个别学生仍然受出声读、指读等习惯的影响,不能坚持长时间的默读;有的学生阅读时对关键词不够敏感;有的学生不能连贯阅读导致遗漏重要信息;有的学生阅读目标不明确……这些问题最终指向同一个结果——不能从图文中发现对解决问题有价值的信息。

因此,课堂上需要一个循序渐进在教师的指导下学会阅读说明书的过程。以《制作个性杯子》为例,简单总结一下信息技术课如何指导学生从阅读说明书的过程中习得技能、发展计算思维。

说明书P1-2
说明书P3

一、通览全文,统筹分解

打开说明书,不急于操作,首先让学生浏览全部内容,解决两个问题:按这个说明书进行操作将完成什么作品?完成这个作品需要哪些步骤?

第一个问题旨在让学生明确阅读的“目标”——绘制一个杯子,接下来的操作是为了达成这个目标。

第二个问题并不是简单根据序号说出步骤的数量,而是引导学生根据作品最终效果和操作步骤将作品进行分解。就该实例而言,通过分析让学生认识到一个完整的杯子可以分解成杯体(①—③)、杯把(④—⑥)、内部(⑦⑧)三个部分,分析的过程是渗透分解和统筹思维训练的过程。

当学生习惯运用分解思维,他将能在今后解决复杂问题或构建复杂事物时自觉将一个整体解构成易于解决、易于实现的小单元。比如,不仅能树立远大的学习目标,还能将大目标分解成当下可实现的阶段小目标;遇到无处下手的大问题,能根据具体实际将其分解成自己可控制、易操作的若干个子问题,然后逐一解决。

将一个完整的杯子解构成三个部分,在动手操作之前,学生将在脑海中大致形成杯子的全貌以及各部分的关系,这样在操作的过程中会尽可能地注意到整体与部分以及各部分之间的的位置和比例等,这就是统筹思维的运用。从人生规划到某一具体事件的谋划,统筹思维影响至深,具备统筹思维的人,善于整体筹划和规划全局,整合协调能力很强。

二、按图索骥,顺序思考

生活中关乎顺序、序列的事情不胜枚举:从起床到出门上学、逛街购物、燃气阀门开关顺序、自然界的四季更替、生物学的基因组序列、乐曲中的音符顺序、字典词典排序……为学生精心准备的说明书正是体现了这种顺序思维,①—⑨序号描述了制作杯子a各部分的顺序。

学生操作之前,提出问题:你认为这样的顺序是否合理?为什么?学生阅读后交流自己的看法,通过生生、师生互动交流达成共识:在制作一个物品模型时,一般先做主体部分、后做附件。这样的规律运用到生活中体现了做事的顺序思考方式:先主后次、先重要后次要等。

学生明确顺序之后再开始动手操作,避免无意义的探究。

在学生自主操作的过程中,教师适时发现其中关键步骤出现问题的操作,及时中断启发学生分析问题。如本例中的步骤③“放样”操作 ,正确操作顺序是先选圆柱底部边线为“轮廓1”、再选“连续方式”为“曲率”、最后再选择八边形相应边线为“轮廓2”。有的学生先选八边形边线为“轮廓1”,导致“连续方式”无法选择,后续的操作不知所措;还有的学生顺序颠倒,最后也选择“曲率”的连续方式,导致绘制出不同样式的杯子主体……这些错误资源的合理利用,旨在让学生明确:一个序列中某一个个体出现问题会导致整个序列出现问题。

学生在按说明书描述步骤完成作品的过程中,经历顺序思维养成的过程,教师的适时指导和启发思考,让学生加深对顺序或序列化思考的理解和运用。

三、精准设计,关注参数

3D造物设计和制作过程中,每一个作品都涉及到参数设置。这是培养学生参数化思维的契机。

本实例说明书中,步骤①规定了圆柱的半径30mm,步骤②规定了八边形半径为40mm。学生在开始操作时,并不能感知两个参数之间的关系,依样画葫芦到步骤③“放样”之后,会发现:这两个半径参数可以让杯子上窄下宽,并进一步思考:绘制其它造型的杯子可以设计怎样参数?

说明书中的关键操作和参数设置用不同样式的文本或图示的方式呈现,方便学生尽快适应说明书的阅读方式。

在步骤③操作完成后,提出问题:放样后的形状和哪些参数有关?学生经历了或成功或失败的“放样”操作之后,能说出“放样”命令各个参数的作用,在使用后续各个步骤中的命令时,学生对参数设置开始重视。

无论是3D设计还是编程、画图、Word部分操作,信息技术学科很多技能的学习与参数有关,学生在操作中逐渐理解参数对后续操作及最终结果的影响,感受细节的变化对事物总体变化的影响,潜移默化形成参数化思维习惯,在今后的生活、学习中,能够在复杂事件中,寻找、设计合理的参数或发现对事件有影响的因素加以控制,从而获得对复杂事件的掌控。

四、梳理拓展,发现规律

正确的顺序、准确的参数,最终将能制作出规范的作品。一般有超过半数的学生能按说明书完成作品制作的全过程,但学生学习的目的并不仅仅是制作一个杯子,而是要学会迁移运用进行新的创造,思维得到进一步发展。这就需要作品完成之后进行回顾梳理、拓展延伸,从已经经历的实践过程中概括规律、发现一般原理,产生创意智造新思路。

首先梳理操作过程中出现的错误或失败操作,学生描述或展示现象,由问题提出者或同伴分析原因、师生互动提出改进措施。

操作问题解决以后,教师提出新的问题:运用制作杯子的方法,你还能做出哪些物品?通过交流,学生能举出一些功能或形状类似的物品,如容器类、工具类等,从而发现本实例中习得的“放样”“扫掠”等命令的规律和应用场景。

这一过程,既是对学生通过阅读说明书进行学习的回顾总结,也是引导学生发现规律、发展模式识别能力的重要环节。

善于发现规律的人一般具有较强的概括能力,能根据不同事物之间的特点总结归纳一般规律或原理,并将之迁移运用到不同的场景中。而模式识别不仅是人工智能技术的一个方面,也是是计算思维的体现,是对事物或现象的各种特征信息进行分析和处理,并能对事物或现象进行描述、辨别、分类和解释的过程。

阅读是一个主动获取信息的过程,让学生学会阅读并不仅仅是语文学科的目标,多学科协同共育才能让学生获得跨学科思维能力和跨领域知识。

从最初面对说明书的无所适从,到后来的自主阅读完成任务,学生在完成操作的同时计算思维获得发展。

屏幕阅读也很好地适应了当下小学生做为数字化时代“原住民”的阅读习惯,他们可以根据需求自行缩放页面,锻炼用眼睛扫描阅读内容,克服指读和出声读的不良阅读习惯,排版的灵活性、可视化让学生始终能在阅读的过程中保持对重要信息的敏感性和对阅读内容的理解,让阅读真正成为发展学生思维的有效途径。

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