交互式理論下思維可視化學習工具的設計開發與應用*

保安璞，吳美珊

（1.廣東省佛山市禪城區石灣第一小學，廣東佛山 528000；2.廣東省佛山市禪城區瀾石小學，廣東佛山 528000）

一、前言

信息科技課程要培養的核心素養，主要包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任[1]。培養學生初步具備解決問題的能力，發展計算思維，是該課程的目標之一，也是信息科技教師研究的熱點。通過梳理文獻發現，有部分研究圍繞圖形化編程，探究以任務驅動的方式促進學生問題解決能力；還有研究通過在教學環節中分析計算思維要素并尋找合適的課堂切入點，為其匹配適合每個教學環節的計算思維培養方法[2]。然而，通過檢索發現，基于交互式學習工具培養學生計算思維的研究處于探索階段，計算思維培養具體可操作、可借鑒的研究仍有待豐富。

教學中發現，學生在學習過程中存在以下現象：一是問題分解能力薄弱，二是習慣盲目探索而不是先形成問題解決方案再進行驗證。針對這一現象，筆者圍繞算法這一課程邏輯主線，以編程繪圖設計學習內容，在教育信息化2.0背景下，依托可視化教學理論、交互式學習理論等，設計開發交互式的思維可視化學習工具并應用于教學，借助技術應用重構教學結構，引導學生針對給定任務，將問題分析過程分解為一系列的實施步驟，采用人機交互方式，用自然語言、流程圖等方式描述算法，形成問題解決方案并編程驗證，在此過程中培養計算思維。

二、思維可視化學習工具的設計開發

對問題進行分解，形成解決方案，驗證解決問題的過程，從而遷移形成問題解決的能力，這是培養學生計算思維的要點。筆者根據可視化理論和交互式學習理論，針對學生計算思維培養，利用flash CS5.5軟件、flash as3.0代碼設計思維可視化學習工具，生成exe可執行文件，應用于編程繪圖教學，為學生提供圖形分析和算法設計的平臺。學生的思維過程可直觀清晰地展示在界面，并能一鍵保存分析界面截圖，提交到網絡平臺交流分享。

（一）功能設計

此思維可視化學習工具有以下三個功能：

1.畫板功能。學生面對復雜的圖形，需要根據數學幾何知識分析圖形的角度、比例、繪制路線等。在畫板功能中，提供多款顏色的畫筆和橡皮擦，讓學生能像在草稿紙上一樣分析圖形，標注繪圖方向和角度，確定算法過程。畫板的上方提供可輸入文本描述圖形繪畫的順序點，讓學生從整體把握算法的步驟，實現顯性思考，顯性表達。該工具上的待分析圖形可根據教學需要更換，教師只要利用flash cs5.5或以上版本的軟件打開fla源文件，在對應圖層中更換即可。工具的源文件容易使用，擴展性強，能生成exe工具。

2.算法流程圖功能。在學生分析圖形的過程中，需要記錄分析步驟，如果采用寫字或打字的方式，在有限的課堂時間內不便于操作，此工具中設置了算法流程圖功能，用戶可拖動界面中預設的自然語言并填寫相關參數，記錄算法步驟，利用人機交互功能，將思考過程可視化表達。自然語言部分同樣可以利用fla源文件按需更改。

3.保存功能。學生的思維過程在畫板和算法流程圖中清晰直觀地展示出來，為方便分享展示交流，工具中設置了保存按鈕，讓學生能輕松地把思維的過程以圖片形式保存到本地，并提交到網絡學習平臺與同學分享，實現人機交互、生生交互和師生交互。該工具支持學生保存提交多種問題解決方案。

（二）運行界面設計

此思維可視化學習工具，界面分為左右兩部分。左邊為問題分析部分，右邊為算法設計部分。左邊問題分析部分，呈現需要通過編程繪制的目標圖形（教師根據教學需要更換），學生可選用界面提供的各種顏色畫筆在圖上進行分析（如分析旋轉角度和繪圖路線）；圖上方還可輸入文本描述圖形繪畫的順序點（如A→B→C→D→A）。界面的右邊是算法設計部分，設置多個與編程相關的自然語言（如向前進、向后退等），學生只需把語句拖拽到流程圖中并填寫相應數值，即可方便快捷地把自己的繪圖思路記錄下來。

三、思維可視化學習工具在教學中的應用及效果

為探索思維可視化學習工具在教學中的應用及效果，選取了小學六年級四個教學班作為研究對象開展研究。本研究中，采用同一教師授課，所有學生具備相同學習基礎，學習能力起點水平相當，且學生不知道實驗的存在，排除了教師授課能力的變化、學生學業能力水平變化等干擾因素，通過問卷調查和學生訪談等方式獲取實驗數據。

（一）研究設計

選取兩個編程繪圖相似課例開展對比教學。A課例以傳統方式教學，學生采用的問題分析方法為紙筆分析，小組討論，實物投屏展示交流；B課例采用思維可視化學習工具輔助進行問題分析，小組討論，網上共享分析成果，網上數據展示交流。

在課后，利用李克特量表、開放式問卷、個別訪談等方法收集學生的學習興趣、問題解決方法偏好、合作學習態度、學習滿意度、對思維可視化學習工具的認可度等維度信息。

（二）應用效果分析

在調查中，回收有效問卷150份。調查結果（如下表）顯示，在使用交互式思維可視化學習工具輔助學習之后，98.67%的學生接納或喜歡編程繪圖；61.33%的學生喜歡使用思維可視化學習工具進行問題分析，70%的學生認為采用思維可視化學習工具學習效率更高，學習收獲更大（超過喜歡用此工具進行問題分析的學生比例）。此兩項的比例都遠遠高于選擇傳統學習方式的學生比例。學生認為交互式思維可視化學習工具對自己學習的各方面均有幫助。

思維可視化學習工具對學生的幫助

問卷調查數據及后續應用思維可視化學習工具開展教學的反饋表明，思維可視化學習工具的應用普遍受到學生歡迎，其效果主要體現在以下三方面：

1.提高學習興趣。思維可視化學習工具突破了傳統教學紙筆分析和單一模式交流的學習方式，將問題的分析與思考過程可視化呈現，幫助學生直觀、便利地開展圖形分析，降低了分析問題的難度，獲得良好的學習體驗。使用思維可視化學習工具后，41.18%的學生認為自己提高了學習興趣。思維可視化學習工具讓學生能聚焦于圖形，進行自主、積極的分析，而不是盲目地直接編寫繪圖程序。教師則能通過學生可視化學習成果，看到學生思維的過程，并有針對性地指導學生和調整教學，支持學生實現真正意義上的自主學習。

2.提升問題解決能力。思維可視化學習工具提供自然語言半成品，為學生進行算法分析提供必要的幫助，有效降低了學生制定問題解決方案和設計編程算法的難度，節約了學習時間，提高了教學效率。調查數據顯示，88.24%的學生反饋，借助思維可視化學習工具，自己獨立進行問題分析更容易；100%的學生認為借助思維可視化學習工具學習編程繪圖對自己分析問題和解決問題能力提升有幫助（包括不喜歡學習編程繪圖的學生）。

3.促進合作學習。由于思維可視化學習工具能展示思維的動態過程，允許把思維的過程以圖片形式保存下來，方便學生之間展示思維過程和合作交流，很好地發揮了小組共同研究的作用，解決了學生可能無法依靠個人力量理解和完成的學習，甚至愿意挑戰分析更有難度的問題。學生在小組中討論、探究、設計，充分展示自己的才能，堅持不懈地研究和交流，實現了真正意義上的合作學習。調查結果顯示，64.71%的學生認為，通過使用思維可視化學習工具，更好地實現了同伴互助學習，對自己的學習有啟發；76.47%的學生認為，借助網絡平臺瀏覽學習其他同學的學習成果，對自己有啟發。

四、思維可視化學習工具的應用建議

（一）創設立德樹人學習情境，有效激發學生學習熱情

有效激發學生的學習動機，是思維可視化學習工具成功應用的第一步?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》倡導以真實問題或項目驅動，引導學生經歷計算思維過程，構建知識，提升問題解決能力。將中國傳統文化的學習融入教學活動之中，引導學生解決生活中的真實問題，是創設立德樹人情境、激發學習動機的一種方法。比如將中國傳統民間藝術——幾何窗花應用于建筑設計作為學習情境，將長方形的畫法分析與窗花的設計聯系起來。通過創設情景，在增強學習趣味性的同時，增進學生對民族文化的了解和認同，增強文化自信，落實立德樹人育人目標。

（二）優化學習工具提示內容，引導探究學習真實發生

分析問題并制定問題解決方案是培養學生計算思維的重要活動。借助交互式思維可視化學習工具，為學生自主探究分析問題和形成問題解決方案提供學習支架，需要教師優化此學習工具中的提示信息，讓學生聚焦問題分析與解決，幫助學生將抽象的空間思維過程直觀呈現，讓學生做到所想皆可見，分析問題的過程與解決問題的方法得以同步呈現。

（三）促進在線交流有效進行，培養學生合作學習意識

面對復雜的幾何圖形，學生自主分析難度大，可采用小組合作策略，引導學生共同思考，合作探究，由小組長在交互式思維可視化學習工具上，記錄問題分析結果和算法分析結果，點擊界面上的保存按鈕上傳網絡平臺共享。在線共享學習成果，實現線下學習與線上交流雙措并舉，合作學習與自主探究相結合，讓學生可以在集體智慧的基礎上再次思考理解或創新；也讓教師動態掌握學生的學習情況，及時進行針對性指導或組織交流。

五、結語

在思維可視化與交互式學習理論支持下，開發思維可視化學習工具并應用于教學，重構教學結構，將問題的分析與思考過程可視化呈現，讓學生的思維過程看得見，將學習過程可視化，讓合作學習有支架，降低學生在學習過程中分析問題與解決問題難度，有效培養學生計算思維。技術與教學的融合創新，助力課堂減負提質，降低學生認知成本，激勵學生走向主動學習與個性化學習，并在有效的合作學習中得到發展。