交互式理论下思维可视化学习工具的设计开发与应用

一、前言信息科技课程要培养的核心素养，主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任[1]。培养学生初步具备解决问题的能力，发展计算思维，是该课程的目标之一，也是信息科技教师研究的热点。通过梳理文献发现，有部分研究围绕图形化编程，探究以任务驱动的方式促进学生问题解决能力；还有研究通过在教学环节中分析计算思维要素并寻找合适的课堂切入点，为其匹配适合每个教学环节的计算思维培养方法[2]。然而，通过检索发现，基于交互式学习工具培养学生计算思维的研究处于探索阶段，计算思维培养具体可操作、可借鉴的研究仍有待丰富。教学中发现，学生在学习过程中存在以下现象：一是问题分解能力薄弱，二是习惯盲目探索而不是先形成问题解决方案再进行验证。针对这一现象，笔者围绕算法这一课程逻辑主线，以编程绘图设计学习内容，在教育信息化2.0背景下，依托可视化教学理论、交互式学习理论等，设计开发交互式的思维可视化学习工具并应用于教学，借助技术应用重构教学结构，引导学生针对给定任务，将问题分析过程分解为一系列的实施步骤，采用人机交互方式，用自然语言、流程图等方式描述算法，形成问题解决方案并编程验证，在此过程中培养计算思维。二、思维可视化学习工具的设计开发对问题进行分解，形成解决方案，验证解决问题的过程，从而迁移形成问题解决的能力，这是培养学生计算思维的要点。笔者根据可视化理论和交互式学习理论，针对学生计算思维培养，利用flashCS5.5软件、flashas3.0代码设计思维可视化学习工具，生成exe可执行文件，应用于编程绘图教学，为学生提供图形分析和算法设计的平台。学生的思维过程可直观清晰地展示在界面，并能一键保存分析界面截图，提交到网络平台交流分享。（一）功能设计此思维可视化学习工具有以下三个功能：1.画板功能。学生面对复杂的图形，需要根据数学几何知识分析图形的角度、比例、绘制路线等。在画板功能中，提供多款颜色的画笔和橡皮擦，让学生能像在草稿纸上一样分析图形，标注绘图方向和角度，确定算法过程。画板的上方提供可输入文本描述图形绘画的顺序点，让学生从整体把握算法的步骤，实现显性思考，显性表达。该工具上的待分析图形可根据教学需要更换，教师只要利用flashcs5.5或以上版本的软件打开fla源文件，在对应图层中更换即可。工具的源文件容易使用，扩展性强，能生成exe工具。2.算法流程图功能。在学生分析图形的过程中，需要记录分析步骤，如果采用写字或打字的方式，在有限的课堂时间内不便于操作，此工具中设置了算法流程图功能，用户可拖动界面中预设的自然语言并填写相关参数，记录算法步骤，利用人机交互功能，将思考过程可视化表达。自然语言部分同样可以利用fla源文件按需更改。3.保存功能。学生的思维过程在画板和算法流程图中清晰直观地展示出来，为方便分享展示交流，工具中设置了保存按钮，让学生能轻松地把思维的过程以图片形式保存到本地，并提交到网络学习平台与同学分享，实现人机交互、生生交互和师生交互。该工具支持学生保存提交多种问题解决方案。（二）运行界面设计此思维可视化学习工具，界面分为左右两部分。左边为问题分析部分，右边为算法设计部分。左边问题分析部分，呈现需要通过编程绘制的目标图形（教师根据教学需要更换），学生可选用界面提供的各种颜色画笔在图上进行分析（如分析旋转角度和绘图路线）；图上方还可输入文本描述图形绘画的顺序点（如A→B→C→D→A）。界面的右边是算法设计部分，设置多个与编程相关的自然语言（如向前进、向后退等），学生只需把语句拖拽到流程图中并填写相应数值，即可方便快捷地把自己的绘图思路记录下来。三、思维可视化学习工具在教学中的应用及效果为探索思维可视化学习工具在教学中的应用及效果，选取了小学六年级四个教学班作为研究对象开展研究。本研究中，采用同一教师授课，所有学生具备相同学习基础，学习能力起点水平相当，且学生不知道实验的存在，排除了教师授课能力的变化、学生学业能力水平变化等干扰因素，通过问卷调查和学生访谈等方式获取实验数据。（一）研究设计选取两个编程绘图相似课例开展对比教学。A课例以传统方式教学，学生采用的问题分析方法为纸笔分析，小组讨论，实物投屏展示交流；B课例采用思维可视化学习工具辅助进行问题分析，小组讨论，网上共享分析成果，网上数据展示交流。在课后，利用李克特量表、开放式问卷、个别访谈等方法收集学生的学习兴趣、问题解决方法偏好、合作学习态度、学习满意度、对思维可视化学习工具的认可度等维度信息。（二）应用效果分析在调查中，回收有效问卷150份。调查结果（如下表）显示，在使用交互式思维可视化学习工具辅助学习之后，98.67%的学生接纳或喜欢编程绘图；61.33%的学生喜欢使用思维可视化学习工具进行问题分析，70%的学生认为采用思维可视化学习工具学习效率更高，学习收获更大（超过喜欢用此工具进行问题分析的学生比例）。此两项的比例都远远高于选择传统学习方式的学生比例。学生认为交互式思维可视化学习工具对自己学习的各方面均有帮助。问卷调查数据及后续应用思维可视化学习工具开展教学的反馈表明，思维可视化学习工具的应用普遍受到学生欢迎，其效果主要体现在以下三方面：1.提高学习兴趣。思维可视化学习工具突破了传统教学纸笔分析和单一模式交流的学习方式，将问题的分析与思考过程可视化呈现，帮助学生直观、便利地开展图形分析，降低了分析问题的难度，获得良好的学习体验。使用思维可视化学习工具后，41.18%的学生认为自己提高了学习兴趣。思维可视化学习工具让学生能聚焦于图形，进行自主、积极的分析，而不是盲目地直接编写绘图程序。教师则能通过学生可视化学习成果，看到学生思维的过程，并有针对性地指导学生和调整教学，支持学生实现真正意义上的自主学习。2.提升问题解决能力。思维可视化学习工具提供自然语言半成品，为学生进行算法分析提供必要的帮助，有效降低了学生制定问题解决方案和设计编程算法的难度，节约了学习时间，提高了教学效率。调查数据显示，88.24%的学生反馈，借助思维可视化学习工具，自己独立进行问题分析更容易；100%的学生认为借助思维可视化学习工具学习编程绘图对自己分析问题和解决问题能力提升有帮助（包括不喜欢学习编程绘图的学生）。3.促进合作学习。由于思维可视化学习工具能展示思维的动态过程，允许把思维的过程以图片形式保存下来，方便学生之间展示思维过程和合作交流，很好地发挥了小组共同研究的作用，解决了学生可能无法依靠个人力量理解和完成的学习，甚至愿意挑战分析更有难度的问题。学生在小组中讨论、探究、设计，充分展示自己的才能，坚持不懈地研究和交流，实现了真正意义上的合作学习。调查结果显示，64.71%的学生认为，通过使用思维可视化学习工具，更好地实现了同伴互助学习，对自己的学习有启发；76.47%的学生认为，借助网络平台浏览学习其他同学的学习成果，对自己有启发。四、思维可视化学习工具的应用建议（一）创设立德树人学习情境，有效激发学生学习热情有效激发学生的学习动机，是思维可视化学习工具成功应用的第一步。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》倡导以真实问题或项目驱动，引导学生经历计算思维过程，构建知识，提升问题解决能力。将中国传统文化的学习融入教学活动之中，引导学生解决生活中的真实问题，是创设立德树人情境、激发学习动机的一种方法。比如将中国传统民间艺术——几何窗花应用于建筑设计作为学习情境，将长方形的画法分析与窗花的设计联系起来。通过创设情景，在增强学习趣味性的同时，增进学生对民族文化的了解和认同，增强文化自信，落实立德树人育人目标。（二）优化学习工具提示内容，引导探究学习真实发生分析问题并制定问题解决方案是培养学生计算思维的重要活动。借助交互式思维可视化学习工具，为学生自主探究分析问题和形成问题解决方案提供学习支架，需要教师优化此学习工具中的提示信息，让学生聚焦问题分析与解决，帮助学生将抽象的空间思维过程直观呈现，让学生做到所想皆可见，分析问题的过程与解决问题的方法得以同步呈现。（三）促进在线交流有效进行，培养学生合作学习意识面对复杂的几何图形，学生自主分析难度大，可采用小组合作策略，引导学生共同思考，合作探究，由小组长在交互式思维可视化学习工具上，记录问题分析结果和算法分析结果，点击界面上的保存按钮上传网络平台共享。在线共享学习成果，实现线下学习与线上交流双措并举，合作学习与自主探究相结合，让学生可以在集体智慧的基础上再次思考理解或创新；也让教师动态掌握学生的学习情况，及时进行针对性指导或组织交流。五、结