馬童玲

摘要：本文結(jié)合第三學(xué)段計(jì)算思維的學(xué)段目標(biāo)，通過(guò)實(shí)際教學(xué)及反思不斷迭代教學(xué)設(shè)計(jì)，優(yōu)化教學(xué)策略，形成了“聚焦真實(shí)性問(wèn)題，啟迪學(xué)生的思維；深入剖析案例，形成計(jì)算思維意識(shí)；綜合運(yùn)用知識(shí)，提升計(jì)算思維能力”的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)實(shí)施路徑。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)；信息科技；計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2024）11-0015-03

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的背景

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中明確提出要開展跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。信息科技學(xué)科的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)是指從學(xué)習(xí)情境、問(wèn)題設(shè)置、目標(biāo)達(dá)成等角度進(jìn)行信息科技與其他學(xué)科的跨越，讓學(xué)生在真實(shí)的、開放的學(xué)習(xí)情境中利用各學(xué)科的知識(shí)、技能、思想、方法解決綜合性問(wèn)題，進(jìn)而完成跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，提升自主學(xué)習(xí)能力，在此過(guò)程中逐漸培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。而算法是計(jì)算思維的核心要素之一，在信息科技課程中引導(dǎo)學(xué)生以身邊的算法為載體，利用算法求解簡(jiǎn)單問(wèn)題，能使其初步養(yǎng)成運(yùn)用算法思維的好習(xí)慣，并通過(guò)實(shí)踐形成設(shè)計(jì)與分析簡(jiǎn)單算法的能力。

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)的實(shí)施路徑及案例解析

1.聚焦真實(shí)性問(wèn)題，啟迪學(xué)生的思維

新課標(biāo)倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生置身真實(shí)或類真實(shí)的生活情境，圍繞真實(shí)問(wèn)題進(jìn)行探索，建構(gòu)知識(shí)，發(fā)展思維?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)情境的創(chuàng)設(shè)要聯(lián)結(jié)學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，聚焦社會(huì)中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，促使學(xué)生用信息科技手段解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題。

（1）原有設(shè)計(jì)

“算法的描述”是第三學(xué)段“身邊的算法”單元的內(nèi)容。教學(xué)目標(biāo)是：通過(guò)生活中的實(shí)例體驗(yàn)算法；理解算法是通過(guò)明確的、可執(zhí)行的操作步驟描述的問(wèn)題求解方案；能用多種方式描述算法。在常見的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師會(huì)通過(guò)“活動(dòng)感知→求解問(wèn)題→鞏固拓展→課堂小結(jié)”這一步驟來(lái)組織教學(xué)。

（2）設(shè)計(jì)思考

在上述過(guò)程中，學(xué)生只是按照教師的引導(dǎo)在分解問(wèn)題，得出問(wèn)題的答案，并沒(méi)有真正領(lǐng)會(huì)如何將抽象的問(wèn)題具象化、如何利用算法來(lái)描述問(wèn)題的求解方案。針對(duì)以上問(wèn)題，教師應(yīng)在教學(xué)中構(gòu)建以學(xué)生為中心的真實(shí)問(wèn)題情境，讓學(xué)生先用自然語(yǔ)言描述問(wèn)題及求解方案，再采用流程圖的方式將問(wèn)題求解過(guò)程以更為清晰的方式呈現(xiàn)出來(lái)，鼓勵(lì)學(xué)生多思考、多探究、多交流、多評(píng)價(jià)，嘗試將已有的知識(shí)進(jìn)行遷移重組，滿足學(xué)習(xí)的內(nèi)在需求。

（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)

在基于跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)“算法的描述”設(shè)計(jì)中，教師首先要分析學(xué)習(xí)對(duì)象的年齡特征，了解他們的情感需求，創(chuàng)設(shè)適合他們的活動(dòng)情境，讓學(xué)生以“設(shè)計(jì)師”的身份深度參與到學(xué)習(xí)中，真正做到“玩中學(xué)、學(xué)中悟、悟中創(chuàng)”。建議活動(dòng)設(shè)計(jì)如下。

①具身體驗(yàn)，初嘗算法——教師通過(guò)實(shí)物教具給學(xué)生以具身化的情境體驗(yàn)，讓學(xué)生在具象環(huán)境中初步感知游戲的過(guò)程，并能用自然語(yǔ)言進(jìn)行描述。

②多樣描述，再探算法——教師引導(dǎo)學(xué)生在制作游戲前先進(jìn)行分析、規(guī)劃再繪制流程圖，將所思所想以可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái)，最后根據(jù)流程圖編寫程序。在面對(duì)復(fù)雜程序時(shí)可以化繁為簡(jiǎn)，分析每個(gè)角色各自的動(dòng)作腳本。通過(guò)根據(jù)流程圖編寫腳本的方法，讓學(xué)生體會(huì)流程圖在游戲設(shè)計(jì)中的重要性，同時(shí)通過(guò)編寫腳本驗(yàn)證流程圖的填寫是否正確，如果不正確知道如何改正。這樣的方式能讓學(xué)生初步體會(huì)到腳本的調(diào)試過(guò)程。

③評(píng)價(jià)優(yōu)化，感悟算法——教師廣播展示學(xué)生作品，組織學(xué)生根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)開展作品的自評(píng)與互評(píng)。

活動(dòng)成效：在制作游戲的過(guò)程中學(xué)生感受到了生活中無(wú)處不在的算法，能夠主動(dòng)利用已有的知識(shí)儲(chǔ)備和生活經(jīng)驗(yàn)，對(duì)簡(jiǎn)單問(wèn)題進(jìn)行抽象與分解，了解解決問(wèn)題的過(guò)程中蘊(yùn)含的算法，并能夠主動(dòng)構(gòu)建與信息科技學(xué)科相關(guān)的聯(lián)系，較熟練地利用自然語(yǔ)言、流程圖等多種算法描述方式。

2.深入剖析案例，形成計(jì)算思維意識(shí)

為了有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，教師不僅需要引導(dǎo)學(xué)生利用圖形結(jié)構(gòu)將抽象的概念具體化，讓思維以可視化的方式呈現(xiàn)，還需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度探究與實(shí)踐驗(yàn)證，幫助學(xué)生成為一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、思考者、探究者，形成有效求解問(wèn)題的計(jì)算思維意識(shí)。

（1）原有設(shè)計(jì)

“算法的執(zhí)行”是第三學(xué)段“身邊的算法”單元的內(nèi)容。常規(guī)的教學(xué)思路為“教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→讓學(xué)生用自然語(yǔ)言描述求解這個(gè)問(wèn)題的算法→教師出示半成品的程序設(shè)計(jì)→學(xué)生補(bǔ)充完成并驗(yàn)證”。

（2）設(shè)計(jì)思考

在上述過(guò)程中，學(xué)生很難靠自己直觀想象分析問(wèn)題，也很難抽象出問(wèn)題的特征。教師在教學(xué)中，首先要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)求解問(wèn)題的特征分析問(wèn)題，抽象出其具體的特征，然后，用多種形式描述問(wèn)題求解的一般過(guò)程，對(duì)結(jié)果進(jìn)行大膽的預(yù)測(cè)，最后規(guī)劃并設(shè)計(jì)算法，建立與程序之間的關(guān)系，并通過(guò)程序驗(yàn)證算法的可行性。

（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)

利用圖形化編程語(yǔ)言執(zhí)行算法，學(xué)生往往不容易建構(gòu)算法與程序設(shè)計(jì)之間的邏輯關(guān)系。因此，教師需要適當(dāng)引導(dǎo)，幫助學(xué)生建立跨學(xué)科的自然語(yǔ)言、流程圖與圖形化編程語(yǔ)言之間的關(guān)系，完成建模，進(jìn)而幫助學(xué)生在使用圖形化編程語(yǔ)言執(zhí)行算法時(shí)發(fā)展算法思維?；顒?dòng)設(shè)計(jì)如下。

①情境導(dǎo)入，初步感知——教師播放消防機(jī)器人救援視頻，引導(dǎo)學(xué)生思考如何控制機(jī)器人行走，讓機(jī)器人參與救援行動(dòng)。

②分析問(wèn)題，抽象建模——教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)什么是灰度傳感器，并帶領(lǐng)學(xué)生測(cè)量地圖上的黑色軌跡線和白色區(qū)域的反射光強(qiáng)度值，得出黑色區(qū)域用數(shù)值1表示，白色區(qū)域用數(shù)值0表示。學(xué)生利用紙模型在圖紙上模擬，具身感知顏色傳感器與軌跡線的位置有哪幾種情況并用自然語(yǔ)言進(jìn)行描述。

③設(shè)計(jì)算法，編寫程序——教師先引導(dǎo)學(xué)生探究哪些控件可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在巡線過(guò)程中判斷顏色，然后引導(dǎo)學(xué)生填寫流程圖，感知利用顏色判斷巡線過(guò)程的算法并利用分支流程圖再次厘清機(jī)器人巡線過(guò)程的執(zhí)行情況，最后要求學(xué)生深入剖析程序，將問(wèn)題進(jìn)行抽象理解后編寫程序，建立算法與程序之間的關(guān)系。

④優(yōu)化提升，感悟進(jìn)階——教師引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)在的程序是使用三個(gè)并列的條件判斷語(yǔ)句，并提示，為了讓算法更加高效，可以采用程序嵌套的方式來(lái)優(yōu)化，幫助學(xué)生感悟算法的優(yōu)化可以讓程序運(yùn)行更高效，體會(huì)分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)在程序設(shè)計(jì)和生活中的重要價(jià)值。

活動(dòng)成效：學(xué)生在參與機(jī)器人巡線活動(dòng)的過(guò)程中，感知、了解了分支結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并在圖形化程序驗(yàn)證算法時(shí)經(jīng)歷完整的分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法、驗(yàn)證算法的過(guò)程，深刻體會(huì)到利用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法來(lái)解決問(wèn)題的途徑，計(jì)算思維能力得到了進(jìn)一步的提升。

3.綜合運(yùn)用知識(shí)，提升計(jì)算思維能力

從古至今，算法一直伴隨著人們的生活和學(xué)習(xí)，隨著時(shí)間的推移和生活效率的提升，人們對(duì)算法不斷優(yōu)化，形成了很多行之有效的算法。這些算法讓人們?cè)诮鉀Q問(wèn)題的過(guò)程中有了更多的選擇。一方面，在解決同一問(wèn)題時(shí)，不同算法在時(shí)間效率上不同；另一方面，同一算法在不同數(shù)據(jù)規(guī)模下的執(zhí)行次數(shù)不同，從而在時(shí)間效率上也不同。

（1）原有設(shè)計(jì)

“算法的效率”是第三學(xué)段“身邊的算法”單元的內(nèi)容。教學(xué)目標(biāo)為：知道算法步驟的執(zhí)行次數(shù)與問(wèn)題的規(guī)模有關(guān)，能根據(jù)求解問(wèn)題的特征，在設(shè)計(jì)算法并通過(guò)程序執(zhí)行算法的基礎(chǔ)上分析算法的執(zhí)行效率；觀察并體驗(yàn)采用不同算法解決同一問(wèn)題在時(shí)間效率上的差別，優(yōu)化生活、學(xué)習(xí)中的算法，了解算法對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)作用等。常規(guī)的教學(xué)設(shè)計(jì)是“兩個(gè)事物作比較→感知不同的算法效率→評(píng)價(jià)總結(jié)”。

（2）設(shè)計(jì)思考

在上述過(guò)程中，學(xué)生理解的算法效率指的是直觀體驗(yàn)意義上的效率，不同算法在解決同一問(wèn)題時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間效率上的差異，這種差異會(huì)導(dǎo)致人們?cè)趹?yīng)用算法時(shí)有不同的體驗(yàn)。因此，在教學(xué)中，教師要幫助學(xué)生通過(guò)辨析生活中的實(shí)例、設(shè)計(jì)算法、驗(yàn)證算法等活動(dòng)了解算法的影響，認(rèn)識(shí)到算法的價(jià)值和局限性。

（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了能用計(jì)算機(jī)更加高效和便捷地解決問(wèn)題，人們需要不斷優(yōu)化算法，從而提高算法的效率。因此，培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)化算法的能力非常重要。建議活動(dòng)如下。

①生活規(guī)劃，體驗(yàn)算法效率——教師引導(dǎo)學(xué)生思考去南京科技館應(yīng)選擇何種出行方式，學(xué)生初步感知選擇的方式不同帶來(lái)的效率不同。接著，引導(dǎo)學(xué)生思考如何高效完成聽英語(yǔ)、整理房間、燒水、掃地、寫作業(yè)等任務(wù)。

②問(wèn)題探究，感知算法效率——美術(shù)老師有八瓶顏料，其中有一瓶用了一點(diǎn)，可是由于沒(méi)有標(biāo)記，不知道哪一瓶是用過(guò)的，那么，怎樣才能快速找出這瓶顏料呢？

預(yù)設(shè)：枚舉法和二分法。

教師引導(dǎo)學(xué)生了解每種算法的優(yōu)勢(shì)以及使用的場(chǎng)合，知道在采用不同算法解決同一問(wèn)題時(shí)，時(shí)間效率是不一樣的。

學(xué)生通過(guò)猜數(shù)字游戲，再次感知算法不同，時(shí)間效率也不同。

③鞏固拓展，明確時(shí)間效率——通過(guò)案例鞏固，讓學(xué)生進(jìn)一步明確，不同的數(shù)據(jù)規(guī)模選擇的算法不同，而不同的算法帶來(lái)的時(shí)間效率也不同。

教師引導(dǎo)學(xué)生了解算法是人工智能的核心，有了優(yōu)秀的算法可以更快、更高效地實(shí)現(xiàn)人們的目標(biāo)，提高人們學(xué)習(xí)與生活的效率。

活動(dòng)成效：通過(guò)生活中的規(guī)劃有效幫助學(xué)生感知并理解什么是算法的效率，利用編程語(yǔ)言呈現(xiàn)算法步驟的執(zhí)行次數(shù)，以更直觀的形式使學(xué)生感受到算法的執(zhí)行方式，初步建構(gòu)了算法的時(shí)間效率這一概念。

結(jié)語(yǔ)

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)有利于提升小學(xué)生的計(jì)算思維，教師在教學(xué)中應(yīng)不斷優(yōu)化迭代教學(xué)，采用多元教學(xué)策略提升學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的參與度，從而提升其解決問(wèn)題、建構(gòu)知識(shí)、思維遷移的能力，以及數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的能力。

本文為江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度立項(xiàng)專項(xiàng)課題“跨學(xué)科主題活動(dòng)培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)策略研究”（批準(zhǔn)號(hào)：C/2023/03/63）、南京市中小學(xué)教學(xué)研究第十五期立項(xiàng)課題“小學(xué)信息科技跨學(xué)科主題活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的行動(dòng)研究”（批準(zhǔn)號(hào)：2023NJJK15-L26）研究成果。