核心素养视域下计算思维培养的主体性危机与对策

摘要：信息科技的快速发展促进了信息科技教学内容的更新。随着新科技内容的加入，信息科技课堂在培养学生计算思维的过程中，出现了主体能动性降低、主体创造性退化、主体交互性淡漠三个问题。这三个问题的本质是认知负荷过载。通过大概念优化同伴选择、大概念构建“单元图式”、大概念组织原理学习的支架可以有效解决这些问题，培养学生的计算思维，促进学生核心素养的提升。

关键词：核心素养；计算思维；大概念教学

中图分类号：G633.67 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2024）08-0084-04

关于“人的主体性”的研究是哲学上一个常思常新的重要命题，历代哲学家围绕这一命题进行了长期的研究[1]。人的主体性集中了人的一切优秀品质和个性特征，是身、心或德、智、体、美、劳诸方面得到良好发展的综合表现[2]，是人之为人的根本特质，是人类区别于其他一切存在的典型特征，是人类生存和发展的重要基础。人工智能、云计算、大数据等新科技的不断发展及其与各领域的深度融合，赋予了信息科技课程新的内涵。信息科技课程围绕信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面的核心素养展开。数字时代赋予信息科技新的任务，也带来了新的挑战。

一、问题的提出

信息科技的快速发展加快了现实空间与虚拟空间的融合，形成了全新的信息化生态环境。教学过程中，教师要按照学生的具体情况与教育教学规律，选择和设计教学内容，科学合理地安排教学过程[2]。一方面，随着各种新技术、新概念进入信息科技的教学内容，这些新的内容让学生自己探索往往无从下手，甚至像物联网、人工智能中的一些技术对于教师来讲也是全新的。这样一来，教学中就会以“教”为逻辑起点，忽略了学生主观能动性的发挥。另一方面，很多学习内容与学生现有的知识体系距离很远，比如各类物联网硬件，很多学生根本就没有听说过，学习往往会变成简单的模仿，造成创造性的退化。人是有社会性的，其主体性需要在后天社会实践中，与周围人和环境的交往互动中发展起来。面对物联网、人工智能这些新技术，如何实现师生、生生间的认知信息交流、主体精神性的交往，也是必须面对的难题，各类学习任务组织不好就很容易变成单向交流，谈不上交互。上述现实状况归纳起来有三个问题：（1）能动性的降低；（2）创造性的退化；（3）交互性的淡漠。

二、问题的分析

随着人工智能的不断发展，技术将重塑教育的形态，转变学生的学习方式，促进技术与教育的深度融合[3]，其关键点在融合。目前信息科技中出现的问题，其本质是“认知负荷”的过载。具体表现为：

（一）片面追求新技术的教学，忽略了解决问题的“思维迁移”

当下的教学实践中，新技术多数是以实践学习的方式呈现的，步聚方法详细地列在教材中，师生按着步聚做，但这一过程忽略了“思维”。计算思维培养包括问题分解、方案生成、思维外化、应用分析、评价优化五个环节[4]，最核心的任务是解决问题的能力。这些能力不是凭空生成的，应借助学生原有的解决问题的能力，进行思维迁移，与计算思维的抽象、算法、表征、泛化和评估五个维度相联系，使知识和技能能够无缝迁移到其他需要解决的问题上。如果在教学中忽略了学习环境的设计，仅片面追求新技术的教学，很容易造成学生主体能动性的降低[5]。

（二）学习环境的设计脱离了学生认知水平，造成认知负荷过重

学习环境的设计应符合学生的认知水平，与学生的认知水平实现内在统一，学生通过彼此合作、亲身体验去解决问题并进行创造性思考。一旦脱离学生原有的认知水平，短时间内接受大量新的信息，学生难以理解，造成认知负荷过重，降低了学生的信心。另外，学生间的认知水平存在一定的差距，相同的任务会造成不同的认知负荷。因此，在设计学习环境时，应首先尽量保持在最低的认知限度，以便所有学生可以快速尝试练习。另一方面，教师应设计有梯度的学习任务，并在学习过程中对进展不同的小组及时提供帮助、甚至布置新的任务[4]，过于简单的任务会造成认知水平较高的学生感到无聊，没有挑战性。

（三）灵活运用“动态同伴”的策略，促进学习活动的深入交互

学生间的交流互动，有利于促进学生深度学习，提高计算思维能力，然后交互的效果会受同伴的影响。如果组内两人认知差距较大，那么其中认知较弱的学生需要更长时间的思考，组内活动容易被认知水平较高的学生主导，从而使组内其他成员参与感明显降低；如果组内成员本来就是亲密好友，又容易被无关的话题分散注意力[4]。解决的策略是“动态同伴”，根据现有的认知水平、亲密状态等进行分组，促动组内学生间的交互，增加信心，鼓励学生参与活动，从而实现更好的学习体验。

三、以“大概念教学”解决计算思维培养中主体性危机的策略

大概念是指某个学科或专业领域的核心概念，对这些概念的理解有利于学生把握该学科的本质。大概念教学有三个基本特征：（1）大概念教学以理解为核心，引导学生将相关知识整合起来，像专家那样思考，形成整体性、关联性、情境性思维；（2）大概念教学以“单元层面”展开，在一个单元中引导学生持续接触和理解大概念，直到完全理解和把握；（3）大概念教学强调真实情境中的问题解决，通过解决学习任务中的问题实现迁移应用[6]。

信息科技教学中计算思维培养的主体性危机，其本质是认知负荷过重的问题。鉴于大概念教学的这些特点，在教学实践中教师可按如下策略实施：

（一）以大概念组织原理学习的支架，帮助学生思维迁移、理解核心概念

大概念学习的真实性、自主性，都要求在真实的情境中进行学习。当情境创设后，场景分析才是关键。在场景分析的过程中，应唤起学生自身的经验，经验不等同于原理，但可以成为学习原理的支架，即建构主义所说的先行组织者。知识是否能够有效建构，先行组织者起着关键的作用。通过场景分析，在学生原有的认知结构中找到可以固定新概念的支点，架构大概念间的关联，有助于学生计算思维的培养。

例如，在“认识计算机”这一节中，计算机系统的组成知识点很多，逐个讲解又索然无味，毕竟很多硬件方面的知识学生从未接触过。从大概念的角度思考，这部分内容既然讲的是计算机系统的组成，那么一个“系统”是由哪些组成的呢？任何一个系统都由要素、连接、目标组成。学生在生活中虽然没有思考过“系统”的概念，但有相应的生活经验，借助这些生活经验进行场景分析，架构大概念间的联系，有助于学生计算思维的培养。

例如讨论“七年级入学时是如何组成一个班级的”。学生经过讨论，可以得出：一是需要教室、桌椅、各类教学设备以及进入班级的学生；二是需要教师和同学讲同一种语言，并且定时在教室，方便交流；三是需要上课、值日等，并逐步完善值日表，建立班级的管理制度，形成班级的文化。此时，教师指出：如果把班级看成一个系统，那么这个系统由三个部分组成——要素、连接、功能。要素对应着教室、桌椅、学生等，其中有必须和非必须的要素，比如班级没有多媒体大屏仍然可以是一个班级，但如果没有学生和教师就不能称为班级。师生讲同一种语言可以看成“连接”，固定上学时间也可以看成连接；“功能”就是学习、值日等。计算机也可以看成一个系统，那么这个系统的组成是什么呢？由此引出硬件、冯·诺依曼原理、软件三个部分，硬件对应“要素”，冯·诺依曼原理对应“连接”，软件对应“功能”。通过这样的场景分析，学生在“班级系统组成”概念的基础上，架构起了“系统组成”的大概念关联。

（二）以大概念构建“单元图式”，促进学习资源与认知水平的内在统一

图式是指每个人过去所获得的知识在大脑中储存的方式，有意义的信息是以相互联系的事实或概念网络的形式存储在长时记忆中的，这个就是图式。图式理论最重要的原则是：如果新信息能够很恰当地嵌入到已有的图式中，则这种信息比无法嵌入的信息更容易理解、习得和保持。怎样实现新信息嵌入已有的图式呢？实践操作是一种很好的图式应用，通过这样的方式可以引领对大概念的理解。

如前面所涉及的“计算机系统的组成”仅仅是场景分析，将“班级系统”、“计算机系统”和“系统”这个大概念相联系，学生理解仍然有难度，怎么办呢？此时教师可组织讨论：一个新班级如何实现“开始值日”这个功能？学生讨论后归纳：要有扫帚等劳动工具、确定值日生、安排值日时间及任务。接下来教师组织学生讨论“一篇文章如何存储在计算机中”这一功能。学生输入一段文字并保存后讨论：如何实现这一功能？要素、连接、功能分别是哪些？学生提炼出打开文字处理软件、输入、保存。文字处理软件可以看成“功能”，电脑等硬件可以看成“要素”，那“连接”是什么呢？由此引出二进制和冯·诺依曼原理。本来这个原理学生难以理解，但当学生把其看到的“系统”进行“连接”时，就能将新知纳入原有图式，有助于学生对“系统”这个大概念的理解。

（三）以大概念优化同伴选择，在真实情境交互中理解原理、促动情感交流

迁移是指一个情境中学到的知识在另一个情境中的影响。通过知识的迁移可以达到认知融合。从一个情境到另一个情境的学习迁移依赖于在最初情境中对知识或技能的掌握程度，也依赖于最初学习的情境与后来应用情境之间的相似程度。不能想当然地认为迁移可以自动发生，情境的相似程序是一个关键。而原理探索就是要找出新旧情境之间的相同点，帮助学生进行迁移和认知融合。

如冯·诺依曼原理虽然是“系统的连接”，但学生自己难以发现其与“班级系统中的连接”的相似处。因此，有必要进行相应的原理探索。教学中教师可引导学生认识到：班级中的师生使用同一种语言交流，计算机中的硬件也使用同一种语言，即二进制所表示的机器语言。开展值日的工作时，首先需要师生将值日表准备好，到值日的时间按值日表执行；计算机也需要提前将相应的程序、数据准备好，运行时放入存储器中读取运行。值日工作由值日的工具、值日表、师生执行值日表所组成，但平常看到的是值日生拿着值日工具去值日，值日表已经融入平时的习惯中。计算机系统由硬件和软件所组成，作为“连接”的冯·诺依曼原理并不单独存在，而是融入软件中。因此，班级系统可以看成由师生、教室、劳动工具等“要素”和上课、值日等“功能”所组成，计算机系统包括硬件和软件，分别对应着“要素”“功能”。这样的原理探索，有助于学生更深入地理解“系统组成”这个大概念，并将“班级系统”的概念迁移到“计算机系统”的概念中，实现认知融合。

计算思维的培养是信息科技核心素养四个组成部分之一，与信息意识、数字化学习与创新、信息社会责任互相支持，互相渗透。以往的教学过程偏重细节，忽视思想，教学内容呈现为“拼盘”“浓缩”式的模块，通过大概念学习可以有效地解决这些问题，实现从“信息技术”到“信息科技”的有效转变，计算思维的有效培养可以更好地促进学生核心素养的提升。

参考文献：

[1]饶爱京.技术与学习环境设计融合的困境、成因及突破[J].教育理论与实践，2023（4）：53-57.

[2]吴永军.关于大观念教学的三个议题[J].课程·教材·教法，2023（5）：40-47.

[3]辛继湘.人是技术的尺度——智能教学中人的主体性危机与化解[J].中国电化教育，2023（7）：23-28.

[4]李琪.促进计算思维发展的编程投入机制研究：基于ICAP理论[J].电化教育研究，2023（8）：88-95.

[5]万昆.促进跨学科学习的发生机制、模型构建与实证研究[J].中国电化教育，2023（8）：59-67.

[6]赵龙.主体性危机与对策：人工智能时代人类何以自处[J].理论导刊，2023（5）：88-95.

责任编辑：颜莹

*本文获2023年江苏省“师陶杯”教育科研论文评选一等奖。

收稿日期：2024-01-15

作者简介：左延金，金湖县育才初级中学，淮安市第五批学科带头人，淮安市第二期“533英才工程”学术技术骨干人才培养对象。