抽象、建模，促进学生计算思维培养

张勇 周韬

[摘 要]信息技术学科要培养的计算思维是当今学生需要具备的核心素养之一，也是时代的产物，受到教师的关注。计算思维在很多领域都有应用，是一种具有广泛应用价值的思想方法，计算思维培养的第一步是要让学生学会对问题进行抽象与建模。结合实例阐述小学信息技术教学中抽象与建模能力培养的策略和思考。

[关键词]计算思维;抽象;建模

[中图分类号] G43[文献标识码] A[文章编号] 1007-9068（2021）21-0085-03

一、抽象与建模的内涵

目前，越来越多的教师开始关注核心素养在教学中的落实以及学生素养的发展。信息技术学科素养是核心素养在信息技术学科中的具体体现，包括信息意识、计算思维、信息社会责任、数字化学习与创新四个部分，其中计算思维又是学生在信息社会中需要具备的重要能力之一。

2006年时任美国卡内基梅隆大学计算机科学系的主任周以真教授最早提出了计算思维这一概念：计算思维是人们运用计算机科学思想与方法进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。信息技术新课标将“计算思维”引入课堂，使其成为信息技术核心素养的重要组成部分。

利用计算思维解决问题就是要将现实生活中的问题转变为计算机能够处理的问题，现实生活中几乎所有的东西都可以被“0”和“1”所代替，抽象能力决定着创造力，利用计算思维解决问题的过程其实是一个抽象建模、设计算法、描述算法的过程。抽象与建模是此过程中的第一步重要工作，抽象与建模过程中的抽象对于解决问题至关重要，在学生解决问题时引导其尝试抽象思考抓住问题的重点部分去除非重点部分，将复杂的问题进行简化，然后通过抽象出的内容构建问题解决的模型，再尝试像计算机执行程序一样去思考问题，利用合适的指令让计算机能够明白人的具体想法和思路。

所以，我们可以把抽象与建模视为计算思维培养的关键之一，将其引到小学信息技术教育中，让学生通过学习具备一定的“抽象与建模”意识和能力，为其终生发展打下基础。

二、抽象与建模能力的培养策略

1.在现实生活中感知抽象与建模

学生学习抽象与建模，首先需要先了解抽象与建模的概念和内涵，在学生的日常生活中就有很多关于抽象与建模的例子。

（1）求同去异进行抽象。

例如，在生活中要查找城市中某一个地点或者规划出行路线时，人们通常会查询地圖网站或者使用地图类App。现实生活中包括马路、建筑、汽车、植物等对象，而在电子地图上并不包含所有的对象，像街道、建筑等主要内容被标记出来了，而树木、汽车之类的内容则被忽略了。在现实世界中，植物有种类、形状属性，在电子地图上植物的这部分属性被忽略了，它们被绿色代替，建筑被忽略了高矮、颜色等属性，保留了位置和俯视视角形状的属性。通过地图的案例分析，学生知道电子地图的创建有选择的忽略部分细节，抓住重点，这就是抽象的普遍方法。

教师接着引导学生思考，在生活中还有哪些抽象的例子，它们分别是对什么进行抽象。学生在教师的引导下结合生活经验进行思考、讨论，找到生活中的交通标志是用抽象的内容和特定的颜色表示路况，为车辆和行人提供完善和清晰的提示。科学中的细胞示意图其实并不包含一个真正细胞的全部组成部分，但是课堂上常用这样的图来描述细胞的结构，因为图中的特征是所有细胞共有的。

抽象，就是从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，而舍弃其非本质的特征，在尝试解决问题时，我们也需如此。

（2）根据目的进行抽象。

现在人脸识别技术在我们生活中有着广泛的应用，在不同的使用场合需要对人脸进行不同的抽象。如果把人脸识别技术应用在门禁系统上，就需要忽略人的发型、肤色、眼镜、表情等属性，将人的眼睛大小，眉毛和下巴轮廓等面部特征进行抽象。但如果人脸识别用在课堂教学分析，用于了解学生学习的愉悦度和专注度，就需要重点抽象出人的表情，而忽略人脸的其他属性。

通过学习学生可以发现，抽象是有针对性的，需要先明确要解决的问题，然后根据问题选取抽象的内容，解决的问题不同，抽象的对象也不同。

（3）基于抽象进行建模。

如果要进行人脸识别，只进行抽象是无法识别人脸的，还需要在人的面部关键信息提取抽象之后，利用多种技术手段对信息进行处理，建立人脸的编码模型，然后与数据库中存储的模型进行比对，最终实现人脸的识别。这个用抽象出的内容构建解决问题的模型，再用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程就是建模。

通过人脸识别的案例学生们明白了，在解决实际问题时需要先根据问题进行抽象，然后根据抽象出的要素建立解决问题的模型。

2.在案例学习中认识抽象与建模

在生活中的建模种类有很多，如数学建模、数据建模、可视化建模、3D建模等，这些不同种类的建模在生活中发挥着不同的作用。接下来需要让学生对抽象与建模的具体种类和方法有一个系统的了解。

例如可视化建模，它能通过直观的展示为我们的生活提供参考和帮助。为了让人们了解特殊时期不能开学的原因，有人构建了《计算机仿真模拟疫情期间开学可能的后果》的可视化模型，在模型中，人被忽略了外貌、性别、年龄等属性，被抽象成不同颜色的小球，小球的颜色表示人健康或生病的状态，教室、食堂、寝室被抽象成了小方框。通过这个可视化建模的展示，非常直观地让人们知道特殊时期不能开学的原因。

3.在实际应用中锻炼抽象与建模

计算思维和抽象与建模的学习并非只局限于纸上谈兵，学生学习它们的最终的目的是要将其运用到实际中解决实际问题。例如很多学生对于编程学习中创编游戏非常感兴趣，在设计和编写游戏时学生要考虑很多内容，包括主角、配角、声音、特效、背景等等。

这时可以利用思维导图的BOIs策略中的ordering，也就是要在思维中构建一定的顺序。引导学生画出思维导图，忽略可有可无的细节以降低难度，抓住程序的重点关键部分，明确要解决的主要问题，再逐步添加其他部分的内容。如程序中第一层是角色、背景、控制指令和结束条件，第二层是这些内容的控制方案或触发条件，可以通过侦测、广播等手段让众多的角色或背景联系起来产生互动。教师引导学生运用问题清单对程序的问题进行分析和梳理，将一个完整的程序系统或问题分解为若干个容易处理的子系统或子问题，通过编写子系统或解决子问题从而更简单地找到程序编写的切入点，接着逐渐完成整个程序的编写，这样才会让学生编写程序的思路更有条理，编写程序的过程更加顺利。

4.在日常应用中发展抽象与建模

我们可以说抽象与建模是将一个看似困难的问题重新解释成计算模型，解决实际问题的科学思维方式。在生活中，它的思想和方法在很多学科或领域都有应用，比如数学、科学、信息技术、艺术设计等。

如果能掌握与运用抽象与建模的思想方法，对我们的生活是非常有帮助的。学生根据教师教授的思想，尝试对遇到的问题进行抽象与建模，设计算法，描述算法、解决问题，这不仅有助于发展学生的信息技术学科能力，还可以提高学生综合运用所学信息技术与其他学科知识的能力，在解决问题的过程中，学生收获信息技术学习的乐趣，学会举一反三，提升核心素养。

三、关于计算思维、抽象与建模的思考

世界已经进入数字经济时代，社会正在经历全面的数字化转型，计算思维也将影响每个领域的每一个人。培养抽象与建模能力是培养计算思维的重要一环，小学信息技术教育对于学生的培养要求不断提高，计算思维、抽象与建模教育是一个比较新的领域，这也对学生和教师提出了新的挑战，要求教师能够不断提升自身素养，结合生活实际和学生基础，引导学生进行一系列的探究活动，从普遍的现象中找到其中蕴含的思维规律。教育不仅仅是让学生适应现在的生活，更是为了学生的终生发展服务，怎样做好计算思维的培养工作，还需要我们不断去探索实践。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张松.建模与解模：探寻培养小学生计算思维的密码——以小学Scratch编程课为例[J].中小学信息技术教育，2019（05）.

[2] 王继华.抽象：计算思维培养的关键[J].中小学信息技术教育，2016（03）.

（责编 韦淑红）