摘要：本文結合生物學科中的病毒溯源與基因重組問題，設計了基于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》理念的初中信息科技Python編程跨學科教學單元，詳細闡述了如何將Python編程的所有知識點和算法整合起來，解決一個具有挑戰(zhàn)性的跨學科問題，即利用信息技術手段對病毒中的基因突變點進行溯源，并通過基因修復技術改變和消滅病毒。

關鍵詞：初中；信息科技；跨學科；單元教學

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0057-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中提出：“用不少于10%的課時設計跨學科主題學習?！惫P者認為，初中信息科技跨學科單元教學設計應像大樹一樣，向下要深入學科基礎，掌握扎實的信息科技知識和技能，向上要拓展應用領域，將信息科技與其他學科相結合，解決實際問題。那么，如何設計和實施新課標理念下的初中信息科技跨學科單元教學呢？在教學實踐中，筆者以“病毒溯源與基因重組”主題為例，嘗試將Python編程與生物等學科相結合，設計一個跨學科單元教學內(nèi)容，讓學生在學習編程的同時，理解信息科技在跨學科應用中發(fā)揮的重要作用，以及其他學科知識與信息技術相輔相成的關系。

初中信息科技跨學科“病毒溯源與基因重組”單元設計

1.單元案例背景

基于學科特點，許多基礎型學科的問題都需要借助信息科技的力量來解決，這種跨學科思維可以幫助學生更好地理解學科知識，對于提高學生的綜合素質和創(chuàng)新能力具有重要意義。因此，本單元將生物學問題引入信息技術教學，選定“病毒溯源與基因重組”作為大單元主題，通過Python編程實現(xiàn)功能模擬。

2.單元目標設計

根據(jù)初中信息科技課程內(nèi)容要求，并綜合cl+z5PxvyOLnQ1gG+n5Z/w==考慮學生跨學科素養(yǎng)發(fā)展，筆者將“病毒溯源與基因重組”單元目標確定為：①掌握Python編程的基礎知識，包括變量、數(shù)據(jù)類型、控制結構等；②理解并應用算法思想如列表、字符串處理、數(shù)據(jù)排序等解決實際問題；③培養(yǎng)跨學科思維能力，將信息技術與生物學知識相結合，解決實際問題；④提升計算思維能力，通過編程實踐鍛煉邏輯思維和問題解決能力。

“病毒溯源與基因重組”單元學習活動設計

1.第一課時：單元問題的抽象與建模

首先，創(chuàng)設單元大情境。科學家發(fā)現(xiàn)某病毒的某個基因突變會讓其更強大，傳播力增強，我們要用測序儀把某病毒中突變a所在的基因組位置找出來，利用基因工程技術重組基因，對突變進行修復，使某病毒不再突變，消弱它的能力。以后，科學家還可以用這種方法發(fā)明基因藥物，造福人類。其次，讓學生對單元問題進行抽象與建模。先用自然語言描述想法，再用畫程軟件通過流程圖描述問題，進行流程圖設計。教師講解基礎知識，包括語法規(guī)則、數(shù)據(jù)類型，讓學生先用列表jy=[0，1，’a’，3，4]表示一個基因序列，’a’是基因中的突變點。學生通過畫程軟件畫出流程圖，表達算法思想，解決問題。最后，學生通過畫程軟件中自動生成的程序，初步認識while條件循環(huán)和if選擇結構，不斷判斷基因序列中有沒有突變，通過枚舉算法找到病毒的突變位置，并進行cl+z5PxvyOLnQ1gG+n5Z/w==基因重組，感受編程的魅力。

2.第二課時：基礎知識學習，輸入、輸出病毒基因信息

首先，創(chuàng)設情境。病毒基因組的差異決定了病毒的生物學性狀不同，也決定了病毒遺傳變異的機制。最早發(fā)現(xiàn)的病毒變異是病毒性狀的變異，如毒性、抗原性、抵抗性、依賴性和空斑變異等。這些都是不同基因組突變表現(xiàn)出的特征。其次，引入本課時要解決的子問題。任務一：給測序儀編程。將測好的一個基因組特征打印在屏幕上Print（）。教師可以通過將講解、演示和練習相結合的方式，幫助學生掌握語法規(guī)則、數(shù)據(jù)類型等。學生采用小先生法進行小組合作，學會輸出信息：print（‘1段基因組說明病毒的毒性’）。教師展示學生的編程作品和學生有創(chuàng)意的語句輸出。拓展問題：嘗試用一個輸出語句打印多個基因組信息，如print（‘毒性，抗原性，抵抗性，依賴性，空斑變異’）。任務二：已知一個基因組的序號和決定的性狀，如何輸入到計算機中？教師引入變量的概念和int（）函數(shù)等知識點，包括變量的作用、命名規(guī)則、數(shù)據(jù)類型（字符串和數(shù)值）、int（）函數(shù)和input（）特點。學生通過改寫輸入、輸出語句，掌握知識，學會應用。接著，用小先生法進行小組合作學習，測試程序，教師對課堂生成問題進行點撥，培養(yǎng)學生良好的編程習慣。最后，學生填寫自評和互評表，展示小組成果，包括程序編程測試情況和課堂活動表現(xiàn)。

3.第三課時：病毒基因序列處理，用列表存儲病毒多個基因組信息，用in檢測基因組信息

首先，引入情境。教師提問：“你還知道哪些病毒基因組決定的性狀？”其次，引入本課時要解決的子問題。任務一：用列表存儲病毒多個基因組信息（如圖1）。學生通過小先生法進行小組合作，小組同學和教師進行語法糾錯，并展示學生的程序作品；利用列表的索引號規(guī)則，學會查找列表項；進行程序測試，小組加分，并利用小組合作，討論找出語法規(guī)律，展示列表規(guī)則結論。任務二：如何用in找出某一性狀在不在基因組中？學生利用合作學習，測試程序，教師點撥并指導語法糾錯，總結in的用法。最后，學生對本節(jié)課的表現(xiàn)進行自評和互評，了解自己和小組的得分情況。

4.第四課時：病毒溯源算法設計，用if選擇結構查找基因突變，完成病毒溯源

首先，學會畫流程圖和利用流程圖表達算法?；蛄斜碇腥绻小癮”突變，判斷病毒來自某地。學生利用畫程軟件，將偽代碼填入程序框架中，初步寫出算法，學會選擇結構；通過小組合作討論語句寫法。其次，根據(jù)if結構，將偽代碼轉成Python語言。任務一：判斷有“a”基因突變的病毒是來自某地。學生編寫程序，小組合作調(diào)試，展示優(yōu)秀作品，進行加分和糾錯，師生總結語法常見錯誤，解決課堂生成問題。任務二：用多個突變溯源多個區(qū)域，或溯源到具體的某個地點。學生學習elif多路徑選擇語句或if的嵌套格式，學習創(chuàng)新編程調(diào)試。最后，學生完成問卷星選擇題，通過做題讀程序，了解生活中的選擇結構應用實例，拓展編程思路，并動手創(chuàng)作自己的小程序作品。

5.第五課時：用枚舉算法定位，在基因序列中用for語句找出有“a”突變的基因組位置

首先，學會利用for語句構思流程圖，找出有突變的基因組位置，并用枚舉算法解決問題。其次，學生將流程圖轉化為程序語句，編寫并調(diào)試程序（如圖2）。師生對課堂生成問題進行總結：for語法的格式與優(yōu)化、語法常見錯誤糾正、range（）格式優(yōu)化、縮進的作用等。最后，學生通過完成問卷，了解生活中枚舉算法的實例，創(chuàng)意出自己的枚舉算法作品，并進行成果展示和加分。

6.第六課時：基因重組模擬，使用while循環(huán)找到所有存在a突變的遺傳基因片段，并確定突變的位置，修復重構基因

首先，教師可以提供多種基因片段讓學生選擇，并鼓勵學生用畫程軟件設計流程圖，展示算法，嘗試用不同的重組策略設計流程圖。其次，學生學會利用while語句、枚舉、for、if等多種語法和知識完成編程，并調(diào)試程序。教師進行知識點撥（如while語法格式規(guī)則），學生合作找出while與for的區(qū)別。最后，學生通過完成問卷，了解生活中應用while結構的實例，創(chuàng)作生活中的whlie結構程序作品。

“病毒溯源與基因重組”單元實施策略

“病毒溯源與基因重組”跨學科單元是將Python編程的所有知識點和算法整合起來，圍繞“病毒溯源與基因重組”主題展開教學。整個教學過程分為基礎知識學習、病毒基因序列處理、病毒溯源算法設計、用枚舉算法定位和基因重組模擬五個階段，每個階段都包含相應的教學活動和評估方式，以確保學生全面掌握所學知識和技能。該單元采取的實施策略主要包括如下幾種。

①情境教學。通過創(chuàng)設真實的病毒溯源和基因重組情境，激發(fā)學生的學習興趣和動力。教師利用多媒體教學資源展示病毒傳播的過程和基因重組的原理等。

②項目式學習。學生以小組為單位采用項目式學習方式完成一系列學習任務，每個小組都需要設計并實現(xiàn)自己的病毒溯源算法和基因重組模擬程序，并在課堂上進行展示和交流。

③翻轉課堂。教師利用翻轉課堂模式提高教學效率，在教學中先讓學生利用畫程等軟件設計，然后進行編程調(diào)試，針對學生課堂生成的問題組織討論和實踐活動。

④多元化評價。除了傳統(tǒng)的編程作業(yè)外，還可以結合課堂表現(xiàn)、小組討論、項目展示、問卷答疑、作品創(chuàng)作等進行多元化評價，以更全面地反映學生的學習情況。

⑤跨學科討論與總結。在整個教學過程中，教師定期組織跨學科討論和作品展示會，讓學生分享自己的學習成果、創(chuàng)意作品和拓展認知。同時，教師還應引導學生總結所學知識和技能在解決實際問題中的應用價值，思考知識的拓展應用領域。

結束語

筆者將信息技術教學與生物學中的病毒溯源與基因重組問題相結合，設計了基于Python編程的跨學科大單元主題教學內(nèi)容。這個單元設計涵蓋了Python的基礎知識和算法，讓學生通過整個學習過程，接觸到不同學科的知識和思維方式，學會從更多角度分析和解決問題，包括用計算思維方式解決其他學科的問題，培養(yǎng)了學生的跨學科思維能力和計算思維能力，提高了學生的綜合素質和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

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[3]黃麗君.大單元教學視域下“跨學科學習”任務群的教學策略研究[J].教育信息技術，2024（Z1）：159-162.