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基于高阶思维的信息技术学习

  • 投稿花生
  • 更新时间2015-09-02
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许 憬

名师速写

许憬,浙江省余姚市长安小学校长,曾先后获得宁波市高层次人才、浙江省青年科研标兵、全国优秀科技辅导员、浙江省第九批特级教师、全国优秀教师等称号。“把职业当作事业,把事业当作专业”是他的人生格言。23年的教学生涯,有失败后的痛苦和坚定,也有成功的喜悦与从容。从初为人师的局促不安到今天的宁波市名师,一路上,伴随着孩子的笑声,他用智慧浇灌着幼苗,用真诚开启着心灵,矢志不渝地追求着充满生命活力的信息技术课堂,也走出一条具有自己特色的教学之路。

1992年,许憬老师承担了计算机教改实验任务。实验之初,教学缺少经验,他就把平时的课堂点滴积累起来,边实践边记录下自己教学的轨迹。十年下来,积聚的读书笔记叠成了厚厚的8本,10余万字。实验之初,计算机上课缺少教材,他便做有心人,搜集并翻阅了20套各省市的计算机实验教材,并自行开发了一套200余页8余万字的计算机校本教材。

许憬老师在实践中逐步形成了自己的教学风格,初步构建了“激、试、议、练、用”五环节的教学模式,他将计算机知识学习、操作训练、能力培养有机地融为一体,促进了教学质量的全面提高。计算机成了最受学生欢迎的课程,基础扎实、思维严谨、创新能力强已成为他的学生的特点。22年中,许憬老师放弃休息,坚持开展第二课堂,在每年举行的宁波市信息学奥赛中成绩遥遥领先,18次夺得团体冠军,还培养了40余位全国信息学联赛一等奖获得者。

多年的锤炼和课堂积淀,激发了许憬老师潜在的科研欲望。他先后主持了3个省级教育科研课题的研究,20多篇文章在杂志上发表。2003年,针对信息技术教学中网络热议、计算机语言遇冷,先后撰写《网络教学热中冷思考》、《让计算机语言重新焕发活力》在中国教育报上连载,承担的《小学计算机教学的研究与实践》等多个课题荣获宁波市基础教育教学优秀成果奖。他还积极推进学科课程的改革,将算法思维引入信息技术课堂,提出了“信息先于技术”的教学理念,并开展了学习情境化、主题化研究,开展了学习目标分级、学习评价网络化的尝试,取得了阶段性成果。

许憬老师热心计算机推广普及,省内外受邀做讲座20余场,他把才识无私地奉献给同仁。他悉心指导年轻教师可谓不遗余力,所带徒弟中,有14余人获市(区)级教坛新秀,6人获宁波市教坛新秀,2人获浙江省教坛新秀称号。天道酬勤,在他的努力下,学校计算机教学曾连续4年入选余姚市教育十大新闻,两次受到宁波市教育局、科委通报表彰。

“如果我们今天仍然用昨天的方式教育学生,将剥夺学生的未来。”

—— 杜威

“计算机,不能再按照学习一门学科的老办法去讲、去学、去考。”

——教育部原部长陈至立在全国教育信息化工作会议上的讲话

我们所处的世界日新月异,正从原子时代向比特世界迈进,比特世界的能源——信息取之不尽、用之不竭。21世纪网络的广泛应用正在改变着我们传统的思维方式,浅思考、浅阅读、浅交流、浅操作充斥着我们的学习与生活,更多的人开始接受基于教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 的学习,他们已经习惯于简单到只要输入教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 便可找到现成问题答案的方式。互联网把我们这一代人变成了高速数据处理机一样的机器人,让我们失去了先前的“大脑”。

人脑对电脑的过分依赖和信息利用的利弊权衡,已让人类对技术的运用愈来愈慎重,同时也让我们对信息技术教育的目标定位愈来愈清晰:未来的世界已不属于那种拥有更多知识信息、技能技巧的人,而是属于那些更多具有高阶思维能力和高质信息素养的人。适应未来的数字化生存,不仅需要一个信息化的环境,更需要拥有一种自由开放、平等自主、分工协作,以及更懂得甄别与取舍的信息化思维。信息技术的变革改变着社会,也改变着我们的学习方式,当不思考、不记忆、不创新成为信息社会人们的普遍习惯,这就意味着更需要我们每一位教育者拥有另一种视角来审视当前的信息技术课堂。

一般的信息技术实践操作模式

信息技术是一门实践性极强的学科,学生操作时间占信息技术课堂学习的2/3以上,现实的信息技术课堂上存在着三种由低到高的不同思维层次的实践操作模式。最低层操作——验证性实践。它是指在计算机学习的初始阶段,在初学者对软件系统缺乏了解的前提下,由教师先行演示,然后由学生操作并实施验证的一种计算机学习形式。验证性实验强调演示者的典型示范和个体的实践体验,它注重的是验证的结果,而不是过程。计算机概念的形成缺少生活经验做基础,许多生僻的概念、烦琐的操作程序更多的是约定俗成的结果,是不可探究也是无需探究的。所以,必要的验证性操作在信息技术学习中仍是必不可少的。

第二层操作——制作性实践。在计算机学习的中期,当计算机学习者对软件系统和操作对象拥有一定理解和了解之后,需要让学生运用技术进行信息技术作品的制作,作品可以是一组PPT幻灯片、一份电子画报、一个flash动画、一份多媒体刊物、一张数字名片、一份电子报表等。作品制作是一项综合性、技术性、艺术性很强的计算机操作,它是信息和技术表达的一种重要方式,也是评价学生计算机技术水平和信息素养的重要指标,在《高中课程标准》中也列入课程评价的重要范畴。

第三层操作——任务型实践。在计算机学习的后期,我们需要以课堂学习任务为支点,让学生在解决现实问题的活动过程中理解和掌握应用信息技术的思想与方法。任务型实践与制作性实践相比,更具现实意义和推广价值。学习任务可以是“整理一个杂乱的文件夹”、“制作一篇图文并茂的文章”、“查找一个信息不全的文件”、“涂色证明四色定理”等。任务型实践是课堂上我们经常采用的学习模式,它将技术学习和问题解决有机契合,体现了学以致用的思想。

基于高阶思维的信息技术实践操作

逻辑判断功能是计算机区别于其他工具的重要特征。失去了其思维性、智能性,计算机便降低到了简单的工具层次。所以,计算机不能简化为“一点一按”的机械操作,信息技术课堂更不能简化成为形式上的阅读课、欣赏课、游戏课、画图课、作品课等,我们更不能将简单的验证性操作完全替代具有思维含量的探究性实践。

最高层操作——探究性实践。所谓的探究性实践,就是将计算机当作一种环境,将信息技术学习当作一种实验,让学生通过类似于科学家进行科学探究的方式,发现计算机的规律,获取计算机知识,并在这个过程中学会信息技术的方法和技能,形成信息技术的思维方式。计算机具有实时交互、所见即所得的特点,它使技术的探究学习成为可能。

【案例1】浙教版第四册第10课《让机器人学走路》教师展示机器人背面,揭秘机器人就是靠左右两个电机驱动轮子来实现行走的。

师:当左右两个电机朝向相同的方向,以同样的功率驱动时,就实现了直行。

第一次演示性探究:当左右电机功率不同时,机器人又会怎么走呢?

教师演示,发现机器人走的是弧线。

第二次尝试性探究:弧线的方向、大小跟什么有关呢?

首先,学生交流可能影响机器人是弧线的因素;其次,尝试实验,打开探究表(表格略)选择四种方案,并在VJC仿真软件中进行参数设置和调试,再将实验结果填入表格,进行数据比对;再次,全体交流“我的发现”,探索规律;最后,应用规律,研讨并实现机器人走出“P”字母中的弧线。

【评析】与一般的信息处理技术相比,人工智能技术在理解算法、求解策略和处理手段上具有独到之处。《让机器人学走路》一课的难点在于,如何让学生理解左右轮电机功率大小对弧线形状的影响规律,教师借助机器人仿真软件,通过一组尝试性实践、表格化对比,研讨和发现功率规律,以此深入了解机器人的工作原理,理解智能化的本质。

【案例2】2009年全国中小学信息技术优质课评比课例《寻找质数——初识Excel》。

第一步:整体认识Excel,局部认识窗口要素组成:单元格和行(列)。

第二步:初识单元格填充概念(以第一行为例),单元格数据填充:在单元格A1和B1分别填入9和2;单元格公式填充:C2单元格填充公式,用地址引用数值计算A1/B1的值。

第三步:数学模型思考——质数有怎样的特征?质数与它的约数个数之间有怎样的联系?有什么简洁的方法判断X是否为质数?

概括算法: 用2~X-1之间的自然数去除X,之间如有一数整除,则X为质数。

第四步:数学思考与计算机实现。(以9的判断为例)

第A列,怎样实现单元格中填充相同被除数9?(学习Excel数值复制填充)

第B列,怎样实现单元格中填充2~8的有序自然数列?(学习Excel序列填充)

第C列,怎样有规律地、快速地实现商的批量计算?

(学习Excel公式复制填充)

第五步:判断并得出结论。从商的情况看,仍有一个3被9整除,因此基本确定9不是质数。

【评析】运用数列法寻找质数的任务,充分体现了做中研、做中学的思想。证明质数的过程涵盖了单元格、行(列)、数据填充、数值复制、序列复制、公式复制等Excel中关键性概念的操作。它的成功在于,将Excel的初步认识和简单应用与计算机程序算法问题有机结合,巧妙地利用Excel的数值计算功能和数据处理技巧帮助完成寻找质数的任务。

探究性实践是思维含量较高的计算机操作形式,它改变了过去由教师讲授,从概念、规律开始学习的技术学习模式,开启了通过各种自主实验等事实性操作来理解概念的课堂新方式。它可用于帮助学生探求原理、理解概念、链接知识,特别是在智能化程度较高的信息技术学科非常适用。信息化社会对人才提出了更高要求,从会操作到会探索,是信息技术教育转型的方向。

基于高阶思维的信息技术问题设计

问题解决是人类认知的三类方法之一。对问题的研究,计算机走在所有学科前沿,计算机最顶尖的研究领域——人工智能模拟的就是人类思考问题、解决问题的思维过程。它将人类解决问题的过程用数据、公式、算法和策略的形式清晰地再现,浙师大张剑平教授领导的团队就曾对人工智能进行过专题研究。

我这里所指的问题是信息技术问题,即以信息技术为核心内容的问题,或者必须运用信息技术概念、思想或方法才能解决的问题。同一问题,不同学科会有不同的解读,信息技术课首先要解决的是信息技术的问题。比如人口增长是社会问题,但如何用Excel将人类近百年的人口变化用数据图表现出来,就是信息技术问题。从信息技术学科体系构成的角度看,信息技术问题由远及近、从外延到内核可分为三类:生活化问题(即实际生活中遇到的或接近于真实生活可能遇到的跟计算机有关的问题)、信息化问题(即需要学习者应用信息知识、信息资源来解决的问题)、技术化问题(即需要学习者运用技术知识与技能来解决的问题)。

问题是促进学习者高阶思维能力发展的教学设计的核心内容,现实信息技术课堂中只有20%~30%的问题要求进行更高层次的思维活动。计算机是思维的工具,信息技术问题设计不仅要体现广度、温度,更要体现思维的深度,要避免简单的信息粘贴和复现,一定要挖掘问题的价值,体现从低阶思维向高阶思维的分层设计。

好的信息技术问题能引起学生的探索意识,也能引发高智慧的思考。计算机解决问题过程应该是渐进式的,我们要在设计“牵一发而动全身”的单元问题时,设计解决问题所需的一系列关键问题群,以期实现从低阶思维向高阶思维的循序渐进。

【案例3】高中信息技术课例《认识二进制》

问题1:你知道百家姓吗?请想一想生活中出现频率最高的前8位姓氏。

问题2:你有过街头“看表格猜姓氏”的经历吗?请参与游戏“二进制猜姓氏”——将百家姓的名字贴于7幅表格中,说出在与不在(0或1),即可猜出你的姓。问题3:二进制数和猜姓氏之间有何联系?为什么使用7份表格便可以猜出百家姓?

问题4:如何建立一份百家姓与七位二进制数之间的一一对应表?

问题5:由二进制猜姓氏想到,如果现在只有20个姓,只需多少张表格?

问题6:如果要设计一个猜水果的游戏,你将如何制订游戏的规则,并设计出这份表格?

【评析】“让简单的概念学习激荡思维的火花!”

当学生完成这一系列阶梯性问题时,不仅破解了其对街头游戏的疑团,也经历了从学习复现、认识理解到迁移巩固、规律应用、拓展提升的思维过程。学生在轻松的环境中,不知不觉,已经走得很远。

基于高阶思维的信息技术任务情境

学习的关键在于思考,而推动思考的是一些具体的任务。课改十余年,我们的信息技术教学正从以对话中心的课堂向以任务中心的课堂转变。教师备课的关键不再是教师课堂语言的准备,而是学生课堂学习任务的设计。信息技术的任务情境根据其结构性可分为两种:劣构问题和良构问题。

所谓良构问题,是定义完善的,条件与目标简洁、清晰的,解决路径是普遍已知的问题。在信息技术教材和课后练习中,我们均看到此类任务的影子,这类情境的信息表达都是简明扼要、去情境化的,具有非常典型的学科特征,此类任务一般只需学生简单思考或简单操作就可以达成。

所谓劣构问题,是定义不良的问题,即提供的原始信息和学习情境是模糊的、杂乱的,甚至有干扰的。我们不能马上确定哪些信息技术知识、技能和方法对解决问题来说是必需的,没有公式化的解题模型。劣构性问题往往以真实生活世界为背景,问题的解决方案也是发散的。

良构问题构建的是从已知世界到已知世界的通途,劣构问题构建的是从已知世界到未知世界的迷障。

【案例4】两个问题情境

情境描述一:数的分解。将16分解为几个不同自然数之和,怎样使数积最大?

情境描述二:装球问题。设有任意多个盒子,分别编号1,2……同时有8个小球,现将8个小球装入盒子中,装入规则如下:(1)第一个盒子不能为空。(2)装入必须严格按递增的顺序进行。8个小球的装入方法有:1,2,5 或1,3,4。(3)在满足上面的两个条件下,要求有球的盒子尽可能多。(4)装完之后,相邻盒子中球个数差的绝对值之和为最小(未装的盒子不计)。如上例:

装入法1,2,5 ,则差的绝对值之和为:2-1+5-2=4

装入法1,3,4 ,则差的绝对值之和为:3-1+4-3=3

程序要求:给出K(K表示小球个数)之后,求出满足上述四个条件的装入方法。

【评析】两个情境反映的问题本质是相同的,问题解决的方案也是类似的(算法略)。但学生却在问题情境二里陷入极大的困境。事实上,情境一便是良构问题,情境二属于劣构问题。诸多的课堂事实再次证明,劣构化任务情境可引发高阶思维。

从流程图中可以发现,计算机解决问题的关键在于,能否将现实情境建模成数学问题。但恰恰很多学生在解读题目、构造算法模型的首要环节便遇到了障碍(情境二便是如此)。劣构问题意味着学习者必须耗费更大的脑力劳动才能真正把握问题的核心。显然,我们的学生不适应这样的劣构化情境,我们平时的教学也没有适应这种变化。

【案例5】教科教版初中《Word表格制作》

在课堂初始,有教师呈现这样一个任务——从余姚到宁波,徒步的速度一般是5千米/小时,一刻不停也要10小时,虽不花车钱,但很辛苦;自行车的速度稍微快些,约需3.5小时,不用车费,但也很辛苦; 乘火车和大巴,虽然约花费35元,但比较舒适,加上等车、转车,约需1.5小时;如果你和爸爸、妈妈乘私家车前往,约40元就够了,不但舒适,而且1小时就能到达……

问题:影响出行方式选择的因素有几种?请选择2~3种出行方式,然后用表格形式进行对比,并最终做出你的最佳出行方式选择!

学生典型表格(例举):

【评析】此任务接近生活,情境中条件的文字表述不清晰、不完整,不具备学科的典型性。表格中列举的信息数据需要梳理甄别、表格中的项目名需要提炼、表格中的行列数需要规划想象、表格结论需要自主评价确定。此任务目标比较开放,表格行列数均不确定,而由学生个体自主选择,此劣构问题可促使深度思维的发生,确保了作品结果的多样性,表格在劣构信息向良构转换过程中的优势也得到了充分体现。

【案例6】教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 查找

医生:你哪些地方不舒服?

小明:我经常头痛,还有呕吐,口腔、手上有红疹。

医生:有该症状有几天了?

小明:3天。

医生:有没有量过体温?

小明:40.5度。

医生:最近吃过、接触过什么吗?

小明:……

请你根据对话用几个关键字概括出小明有哪些不舒服的症状,然后用教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 查找估计是什么病?

【评析】此案例中,教师让学生从只言片语的零碎信息中去寻找和提炼教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ,并用这些教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 去搜索,得出初步诊断,没有设置假情境、浅任务,也没有提供现成的过于清晰的教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ,旨在让学生在一个非常生活化的案例里经历一些真实思维的过程,以此理解和体会教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 选用要“精”的思想。

诸多的教学实践告诉我们,越是趋向高阶,越是要进行这种劣构性任务的训练,才能让学生去芜存菁、去伪存真,把握问题的核心,才能让学生亲历复杂的学习过程,提高解决现实问题的能力。

计算机是计算工具、操作工具,还是智力工具?

计算机区别于其他工具的最大特点是什么?在信息技术教学时,我们经常会有这样的疑虑和思考。计算机不是简单用来计算的,不是纯粹用来玩的,更是用来促进思考的,计算机的出现更多是为了让人类减少低效重复劳动,从而从烦琐中解放出来从事更高层次的思维劳动。所以,我们也可以这样认为,只有包含了高阶思维的计算机操作、问题设计和任务情境,才能真正体现信息技术这门学科的优势和课程的核心价值。

丹尼尔?平克在《全新思维》一书中写道:未来将属于那些拥有与众不同思维的人!信息技术学习从基于教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 向基于高阶思维的转型,是技术发展之必然,教育发展之必然,也是社会发展之必然。(作者单位:浙江余姚市长安小学)