计算思维教育中的情境创设与模型建立

情境创设引发的问题思考

教学情境是以直观方式再现教学内容所表征的实际事物或者实际事物的相关背景。教师在教学实践中，会根据教学目标要求和具体教学内容，创设一种适合学生产生一定情感反应的，能够使其主动学习的，具有学习背景、景象和学习活动条件的学习环境。通过教学情境，教师可以使学生在学习中产生情感共鸣，增强他们的情感体验，激发他们的学习兴趣，导引他们循着知识产生的脉络去准确把握学习内容，还可以帮助学生实现知识的迁移和应用。

那么，使用了教学情境，就一定能达到理想的效果吗？郑毓信教授在《小学数学教育的理论与实践》一书中曾列举过一个在美国课堂上发生的真实例子。为了帮助学生较好地掌握分数的意義，任课教师专门设计了这样一个情境：“玛丽举行了一个生日派对，现需要将一个烤好的南瓜饼分给三个小孩，问：每个小孩能得到多少？”出乎意料的是，当时班上有一个小孩大声提出一个问题：“什么是南瓜饼？”对此教师作了简单的回答，小孩也没有追问，教学正常进行。在课堂结束以后，一个听课者发现该小孩还在思考着什么，于是就问他：“你在想什么？”孩子答道：“我在想，南瓜饼到底好吃不好吃。”显然，如果这个小孩一直沉浸于这样一个问题，这堂课对他而言可能收获不大。

可见，情境创设也会有负面影响。因为，由于学生年龄特征与个体特殊性等因素的影响，我们显然无法保证由教学情境调动学生的经验和知识一定有利于学习活动，而不会起到任何的干扰作用。有些教学情境的导入可能会造成适得其反的效果。

在计算思维相关的学科教学中，也有类似的现象。教师运用生活实例创设情境，希望降低学生理解计算学科概念的难度，表面上很合理，实际效果却不一定好。例如，有一堂学习算法概念的课，学习目标是认识算法描述及其特点。教师设计了这样一个教学情境并组织学生活动：一位农夫带着一匹狼、一只羊、一筐白菜过河，由于船太小，农夫一次只能带一样东西过河，狼和羊、羊和白菜不能单独留在同岸，否则羊或白菜会被吃掉，这是一个经典的农夫过河问题（如图1）;教师要求学生思考并设计过河方案，并用自然语言描述之;最后，教师运行一个“农夫过河”的Flash游戏程序，来验证学生的各种方案。实际教学中，学生思维很活跃，讨论也很积极。活动之后，教师开始分析“农夫过河”的操作步骤来说明算法具有确定性、可执行性等特征并归纳得出算法的概念。教师自信地认为，这样的情境和活动设计可以使学生在很有趣的氛围中轻松地学习抽象的算法概念，但实际的课堂效果是：虽然“农夫过河”的情境导入与学生讨论活动已花费了很多时间，但学生意犹未尽，当教师开始讲解算法概念与特征时，学生的兴奋点仍然集中在“农夫过河”的方案上，并为不同方案的优劣不断地争辩。显然，尽管通过创设情境调动了学生的学习兴趣，但由于过河方案的多样性与复杂性，反而干扰了学生理解算法概念这一学习目标。

教师需要思考的是，情境创设对学生的下一步学习带来什么影响？在情境导入以后学生是怎样思维的？理解这些问题，对正确使用情境创设有所帮助。针对计算思维教育而言，其最终目标是通过学科知识的学习发展学生的学科思维，能够分析清楚学生对于教学情境的思维路径，有实际意义。

从情境信息到数据表征的学生认知过程

教师创设的教学情境本质上是给学生传递了有效的情境信息。信息是反映事物的运动状态以及变化方式，信息科学是以信息为主要研究对象、以信息运动规律为主要研究内容的一门科学。人们研究信息以及信息科学，总是希望信息以及信息运动规律能为人类服务。认识信息及信息科学的一般原理，有利于帮助我们清晰教学情境在计算思维教育中的作用。

图2所示是信息科学中一种最抽象也最一般的、由认知主体和对象客体以及把它们联系在一起的信息所构成的信息模型。作为认知主体的人，在与对象事物打交道时，从对象事物获取本体论信息并转变为第一类认识论信息;通过处理信息来深入认识对象事物的运动状态和方式，形成知识，达到认知;然后在此基础上“再生”第二类认识论意义上的信息，即策略信息，作用于对象事物，产生控制行为。

这一模型正好也是人类通过自己的信息器官认识世界和改造世界活动的信息模型。在此过程中，本体论信息往往是由光信号、声音信号等形式让主体获取，认识论信息往往是用数据表征的。对于人类而言，在获取信息以后，总是需要用字符、数值或图像等形式来表征信息，也就是用数据来表征信息，这样可以方便存储、思考、交流以及控制对象事物。因此，这一模型有着特别重要的意义，它把信息科学的研究和人类自身的信息处理过程天然地联系起来。从信息科学的基础理论出发，可以清楚地反映信息与数据的关系，人们在对对象事物的信息获取、用数据表征事物信息过程中自身实现了知识的获取和认知能力的提高。认知信息加工理论也有相似的观点：学习实质上是由习得和使用信息构成的。

在教学环节中，学生对情境信息进行分析、梳理，提炼出与教学目标问题相关联的信息，并通过语言、符号等数据形式表征这些信息，这一过程就是学生认识事物的过程。在人类对事物认识的过程中，需要用数据来表征信息。依据不同的目标要求，数据表征信息的维度会不同，数据量的大小也会不同。如果对某一事物描述的细致程度是无止境的，会造成表征信息的数字量大得无法接受，常规的做法是提取能代表事物本质的特征，就是在大量的信息中找出最能代表某一事物本质的子集，用以表征该事物，这也起到了信息压缩的作用。因此，学生分析情境信息所做的工作之一就是情境信息的特征提取。

在计算思维的教学实践中，教师创设教学情境，以达到帮助学生完成计算学科知识的学习并发展计算思维的目的。针对教师创设的情境，学生以待解决的计算问题为思维目标，基于已掌握的计算学科知识与方法，从情境信息中抽象出相关的要素，或者是自动化运行的对象，或者是自动执行的操作步骤，并且能用形式化的方法准确表达。这一过程，正是计算思维的方法路径即“抽象—形式化表达—构造—自动化”中的重要步骤。

在实际的教学实践中，教师通常不是把学生带领到真实的生产或生活场景之中，而是以文字、图片或者视频等数据形式在课堂上描述情境信息。但是，这并不能说明学生是直接从数据认知的，而是学生依据已有的经验，将教师描述情境的数据还原为原事物的情境信息，并开展相应的情境分析。从数据描述还原其事物的准确程度，既取决于数据表征信息的详略程度，也取决取于还原技术。对于学生而言，则还需要考虑到学生已有的经验以及还原能力。因此，在表述所设计的教学情境时，情境信息与目标问题的关联度、情境描述的详略、学生已有的经验以及学生的还原能力都是教师需要考虑的要素。

以模型建立为目标的情境信息再生

人们获取对象事物信息的目的是要想办法利用所获取的信息去反作用于对象事物，对其进行调整和控制，从而改造世界。因此，人们需要对所感知的信息做出判断，这既是信息识别问题，也是信息再生问题。在解决计算问题时，这种信息再生通常是以构建计算模型来完成的。从对象事物信息的获取到计算模型的建立，体现了计算思维能力，这正是计算思维教育需要特别关注的教学环节。

例如，在一堂小学生的图形化编程课中，教师播放了一段F1赛车片段的视频，然后告诉学生本课的学习任务是编写一个赛车游戏程序。教师设计这样一个情境的理由是：第一，通过观看激烈的赛车场景，激发学生进一步学习的兴趣;第二，通过观看视频了解赛车细节，为编写赛车游戏程序提供素材。

对学生而言，观看了赛车视频，获取了相关信息，接下来需要进行信息处理和信息再生。信息再生需要达到的最终目标，是能够完成赛车游戏程序的编制。通常的方法是先要建立相应的计算模型，以便构造程序。也就是说，学生通过对F1赛车情境信息的分析，希望能有效地建立模型。模型就是根据研究对象的特点，舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要的、本质的因素，从而建立一个易于研究、易于计算的，能反映研究对象目标要求的新形象。在计算学科，建立模型就是运用一种类似或近似的思想，表达出一般化的计算方法或计算过程。

依据计算的要求，模型可分为以下三类：对象模型，反映研究对象以及对象属性和行为;条件模型，把研究对象所涉及的外部条件理想化，排除外部条件中干扰对象行为的次要因素，突出外部条件的本质特征和最主要的因素;过程模型，把对象涉及的处理过程理想化、纯粹化以后抽象出来的一种计算步骤或过程。在赛车游戏中，需要确定的对象有相关的赛道、赛车、障碍物等，这些对象之间的相互关系，以及赛车对象在键盘或鼠标操控下的执行流程等。

从情境信息分析到模型建立，是运用计算学科知识与方法解决计算问题的重要环节。因此，在播放赛车视频以后，教师不应该简单地要求学生开始编写程序，而应引导学生梳理情境信息，用计算学科的专业知识与方法抽象出编程所需要的关键信息，并形成准确的形式化表达。涉及的内容有：①在游戏程序中，需要抽象出哪些场景或对象，如赛道、赛车，以及需要几辆赛车;②赛车等对象的行为以及对应的执行流程;③比赛的规则以及对象之间的关系，如奖励或惩罚规则等。

由此可见，教学情境是学生的思维材料，建立模型是学生思维的目标，在教師的引导下，学生依据已掌握的学科知识与方法进行分析、梳理，归纳出与目标问题高度相关的信息，为构造自动化建立模型。其中，教师在导入教学情境以后，还需要做的引导工作有：第一，积极调动学生已有的经验，帮助学生还原情境信息，如赛车什么时候会减速、赛车手犯规如何处罚等，以丰富建立模型的材料;第二，引导学生依据目标要求梳理并提取关键信息，如通过设计学生的学习任务单，提供学习支架，帮助学生梳理对象、规则，以及所涉及的对象行为等;第三，指导学生规范地表达计算模型，如用流程图描述操作序列。学生运用自己的思维经历了情境信息的再生过程，体现计算思维教育。而情境信息再生得到的结果，既可以用于学生间的交流，也可以施效于下一步的程序构造。

情境创设的真实性要求分析

在广泛开展项目学习的大环境下，设计并开展真实项目任务的要求，也促使我们思考创设真实的教学情境的必要性。

处于不同年龄段的学生，自然会对教师设计的教学情境的真实性做出自己的判断。针对小学低龄段学生，教师设计了这样一个情境：新年快到了，班级要开联欢会，我们要为联欢活动设计海报，并用绘图软件来制作这样一张海报。相信不少学生会憧憬这样的联欢活动，并开展学习与制作海报。针对高中阶段的学生，教师设计这样的情境：学校马上要召开诗词大会，同学们对学校图书馆提出了资料数字化的要求，你作为学校图书馆的志愿者，能为图书馆做些什么工作？显然，高中学生并不会以为学校真的要召开诗词大会，而只是假设将自己置身图书馆志愿者考虑问题而已，并且还会猜测接下来教师会讲授什么内容。实际上，被学生识别是真情境还是假情境并不重要，重要的是接下来有意义的学习是否真的发生。

教学情境的设计有三方面的考虑：第一，设置的情境主题能够激发学生的学习兴趣，使学生乐于参与，同时能够调动学生已有的经验，使学生能够将自身设置在这样的情境之中考虑问题;第二，设置的情境应该与教学主题有强关联性，通过情境的描述或通过教师合理的引导，学生能够快速地调用自己已经掌握的学科知识并产生学习新知识的需求，来解决情境问题;第三，情境复杂度的设计，是对学习目标要求的考量，因为学生对情境进行抽象与分析，是学生解决问题能力的体现。真实情境的学习环境对于项目学习有其必要性，项目学习强调的基于真实问题的学习任务不仅更容易被学生理解，而且有利于培养学生的创新能力。通过真实的情境和问题，可以让学生接触到复杂的、结构不良的问题，有利于促进学生高阶的、综合的思维发展。但是，项目学习不是唯一使用教学情境的学习方式，通过情境引入来开展常规的教学活动，教学情境的设计首先需要考虑是否能高效完成教学目标。真实问题具有挑战性，但难度往往难以把握，问题的复杂性也会削弱与主题的关联性。因此，充分认识复杂的教学情境与学生综合思维能力培养目标的关系，适当简化情境条件，降低学生的认知负荷，有效实现学科知识的学习和计算思维的培养，是很好的教学策略。

由于学校本身是一个特殊的情境，这会导致学习情境脉络从社会生活中隔离出来。因此，我们需要清楚，即使学生面对的是一个完全真实的问题，他们往往也会有意无意地忽视各种现实考虑，并单纯地从当前的学科学习角度去认识它的意义和价值。作为某一个课堂教学的教学情境，能够指向学习目标，提供学生思维材料，引导学生进入学习状态，就是一个有效的教学情境设计。同时，教师的重要作用还在于引导学生用计算学科的观点思考与分析情境信息，用计算学科的方法解决问题。

指向计算思维的情境创设

情境创设，是为学生创设一个有利于显性知识传递和隐性知识生成的学习环境，努力解决学生认识过程中的抽象与形象、理论与实际、理性与感性以及新旧知识之间的关系和矛盾。因此，在情境创设阶段，教师需要做的是：创设积极的交流共享环境，组织学生交流讨论;制订恰当的指导策略，促进学生积极思考;适当地对学生的行为给予反馈，以便学生调整自己，完成知识的学习与综合运用。

从情境信息中进行分析、梳理，基于对计算原理的认知基础，运用抽象的方法，形成计算模型，并且用數据的形式完成形式化表达，这一从信息到数据的过程符合信息科学的一般理论，也是教师认识抽象、模型、形式化表达等关键词在学生计算思维形成过程中真正作用的基础。学生从情境信息分析到计算模型数据表达的思维过程，是信息再生即知识产生与学习的过程，也是计算思维养成的重要环节（如79页图3）。让学生经历这样的过程，是计算思维培养的一种有效方法。

教学情境是为教学目标达成服务的，真实的、复杂的情境不一定是最好的，关键是要考虑学生在对情境信息的获取、识别、再生过程中是否发生与教学目标相关的学习行为。如果对学生运用计算学科知识分析问题解决问题的能力培养有一定的要求，则需要根据目标要求来设计教学情境的复杂度。如果是基础性概念的学习，过于复杂的教学情境可能会使学生迷失方向。仍以上述算法概念学习的课为例，如果不是采用“农夫过河”的故事，而是选用“把长颈鹿放进冰箱需要分几步”这样的问题作为教学情境导入，可能更直接，效果也更好。

情境创设，既包括教师设计情境的故事情节与问题，也包括教师引导学生共同解决问题，即通过师生对话，共同思考，共同探求，共同解决问题，共同获得知识。基于解决问题的教学方法，其基本形式是教学对话和课堂讨论，该方法需要学生掌握一定的基础知识，能洞察和判断知识的相互关系，并能在一定的条件下加以应用。在教学对话环节，需要防止课堂滑入自由讨论，从而放任学生自主决定讨论方向和内容;需要防止教师主宰课堂，过度干预;需要防止陷入学生提问、教师作答的问答提示法教学。通过对话、讨论、思考，帮助学生信息再生，建立计算模型，促进学生计算思维的形成。

参考文献：

[1]钟义信.信息科学与技术导论[M].北京：北京邮电大学出版社，2007.

[2]郑毓信.小学数学教育的理论与实践[M].上海：华东师范大学出版社，2017.

[3]王荣良.中小学计算思维教育实践[M].上海：上海科技教育出版社，2019.