新課標下小學信息科技圖形化編程教學實踐

王東

摘要：本文以蘇科版小學信息技術五年級的“搖桿”傳感器教學為例，探討了新課標下圖形化編程教學的理念、目標和策略，旨在通過實踐探索，為信息科技新課標下的圖形化編程教學提供一些參考和借鑒。

關鍵詞：科學精神；自主可控；算法；計算思維；圖形化編程

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）01-0070-04

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）在課程性質中明確指出，信息科技課程旨在培養科學精神和科技倫理，提升自主可控意識。其中的“科學精神”指注重認識事物的真理性；“自主可控”指通過原創，擁有產品的核心技術，以保證國家的安全和獨立性。筆者選擇蘇科版小學信息技術五年級第17課《小貓抓魚》作為教學內容，對標新課標做了教學嘗試，并對小學基于開源硬件的圖形化編程中如何培養科學精神，提升自主可控意識的教學指向變化做分析。

理解技術導向與科技導向，調整教學目標導向策略

《小貓抓魚》一課的教學目標有三個，分別為：①認識搖桿傳感器的工作原理；②正確連接搖桿傳感器；③學習使用搖桿傳感器控制角色運動的方法。原教材根據教學目標和圖形化編程中搭建腳本實現的順序，先是介紹了搖桿傳感器的原理，再按搭建腳本的順序介紹了添加角色與背景、設置小貓抓魚動作兩個部分的內容。對本課的難點“使用搖桿傳感器控制角色運動”只是直接給出了“400、600兩個數值”與“搖桿的X、Y比較”，接著就出示了腳本。這樣雖然也強調了計算思維的培養，但還是基于知識邏輯組織教學，技術導向的成分居多。

新課標核心素養采用了“學段+數字素養”雙緯度的設計。“搖桿控制角色”可對應第三學段（5～6年級）“身邊的算法”模塊。本模塊的學習目標是讓學生熟練掌握一些常用的算法表達方式和風格，了解算法的執行過程，同時能夠運用自然語言或流程圖等工具，設計出解決簡單問題的算法，并評估其正確性和效率。這強調了對學生計算思維的培養，但更注重認識、理解事物的本原，科技導向的成分居多。

對比原教材和新課標不難看出（如下頁圖），在5年級圖形化編程教學中，兩者都注重計算思維的培養，但新課標更注重算法的學習，并且要通過算法的學習，培養學生運用算法思維的習慣，培養學生的探索、創新精神。所以，教師在進行教學設計時要更注重引導學生學習原理，引導學生依據獲得的搖桿傳感器的數值根據需求進行數據處理、設計算法、優化算法，最后進行編程驗證。

設定培養科學精神目標，制訂教學過程設計策略

1.設計契合學習任務，激發學生的探索欲望

我國夢天實驗艙成功與天和核心艙對接，標志著中國空間站“天宮”建設全部完成。以此為背景，筆者設計了一個太空飛船收集能量的程序設計任務，旨在激發學生的愛國熱情和探索欲望。其中，學生要掌握搖桿傳感器的原理，并設計算法用搖桿控制太空飛船在舞臺區自由移動。這樣的任務符合新課標的要求，既增強了學生的感性認知，又激發了學生的探索欲望。

2.體驗解決問題過程，培養學生的創新精神

（1）問題描述

筆者設計了分析問題的環節。學生要用搖桿控制飛船在太空中收集能量，首先要明確飛船的移動方式。筆者在Mind+軟件中加載“畫圖”功能，讓學生用搖桿控制飛船在太空中寫出“中國”兩個大字并思考飛船的移動方向，引導學生發現飛船需要實現“左移”“右移”“上移”“下移”。為了進一步探索，筆者讓學生用搖桿控制飛船畫一條斜線并思考飛船的移動方向，引導學生發現飛船走斜線也是通過“左移”“右移”“上移”“下移”，從而得出搖桿控制飛船的目標：在太空中的任何位置都要能實現飛船的“左移”“右移”“上移”“下移”。

（2）原理與數據

為了讓學生理解“算法的執行”，筆者先讓學生探究搖桿傳感器的原理。搖桿傳感器由兩個電位器組成，撥動搖桿就會改變電位器的電阻和電壓，從而影響傳感器A1、A2的數值。這個原理對小學生來說不容易理解，筆者利用白板的交互功能，用兩個長方形和一個實心圓模擬搖桿傳感器的結構，讓學生在課件中拖動實心圓，觀察搖桿的工作過程，簡化了學生的認知難度。同時，提醒學生注意搖桿傳感器A1、A2的編號，它們是模擬傳感器，可以用“讀取模擬引腳（A0）”控件來讀取數值，為后面的編程做準備。為了讓學生更清楚地把飛船的移動目標和搖桿的動作聯系起來，筆者為學生設計了一個探究記錄表，讓學生在Mind+軟件中記錄搖桿傳感器A1、A2的數值和飛船的移動方向，為進一步探究做好數據支持。

（3）設計算法

為了讓學生探究搖桿傳感器的原理，筆者用白板互動授課平臺，用一個長方形和一個實心圓模擬搖桿傳感器的結構，讓學生在課件中拖動實心圓，模擬搖桿的工作過程，為學生提供了一個自主探究的環境。接著，為了讓學生探究搖桿傳感器的數據，筆者和學生一起分三步進行探索：第一步，標出數據的范圍。筆者先讓學生把搖桿放在中間位置，記錄下A1傳感器的數值（不同的搖桿傳感器的數值可能有些差異，這是正常的誤差，可以用算法來糾正），然后讓學生把搖桿撥到最右邊和最左邊，記錄A1傳感器的最大值1023和最小值0，這樣就完成了搖桿X的建模過程。第二步，探索數據的變化。筆者讓學生把搖桿撥到靠近最右邊的位置，讓學生猜測此時A1傳感器的數值。通過模型，學生可以判斷出數值大約是900。筆者提問：“如果A1傳感器的數值是800，搖桿應該在哪里？”學生判斷出應該在900左邊一點，筆者按照學生的判斷撥動搖桿。通過這兩次探索，學生已經初步理解搖桿右撥和A1數值之間的關系，但如果用算法來實現，還需要確定一個合適的比較值。于是，筆者繼續引導學生探索“如果A1傳感器的數值是600，搖桿應該在哪里？”，讓學生親自操作找出A1為600的位置，這樣，數據和模型之間的聯系就更加清晰了。第三步，設計算法。設計算法也應當遵循學生思維的發展過程。首先，引導學生提取問題的基本特征，用兩個循序漸進的問題引導探究：“通過什么可判斷搖桿是否右撥？”“A1傳感器的值大于哪個數值就表明搖桿右撥了？”通過探究，引導學生理解算法設計的依據（在這個過程中還要向學生說明選擇600可完美解決搖桿傳感器初始位置數值呈現的誤差問題），然后便可組織學生用自然語言描述算法，給出“檢測搖桿右撥，通過搖桿X值與? ? ? ? ? 的描述。比較進行判斷，如果? ? ? ? ? ，那么就讓飛船執行? ? ? ? ? 命令”的描述。算法的執行，光有自然語言是不夠的。接下來引導學生提煉出描述中的關鍵詞“如果……那么……”，并用分支流程圖的方式來描述算法。

（4）驗證算法

筆者認為，教學內容不應該只是代碼教學，而應該培養學生的數字化學習與創新能力。在教授搖桿控制飛船的算法時，筆者先讓學生獲取數據、抽象建模和算法探索，并畫出流程圖，然后帶領學生在Mind+中找到相關的控件，并讓學生按照流程圖搭建腳本來驗證搖桿右撥的算法。接著，筆者組織學生探索搖桿左撥的算法設計，并找出變量“搖桿X”與A1傳感器數值比較的關鍵值400，同樣用自然語言描述、畫出流程圖、尋找控件、搭建腳本來驗證算法。最后，筆者提示學生搖桿上撥、下撥的算法與搖桿左撥、右撥的算法類似，并鼓勵學生利用小組互助的方式自主探索并在圖形化編程軟件中驗證算法。

3.分享算法驗證效果，提高學生的創新思維

算法的執行不僅是將自然語言或流程圖轉化為計算機命令，還應該包括對算法的優化，以培養學生的創新精神。在教授搖桿控制飛船的算法后，筆者讓學生在程序中加入隕石和能量條兩個角色。隕石從上方隨機落下，能量條從右側隨機移動，學生用搖桿控制飛船收集能量條，如果被隕石碰到就失去能量。筆者讓學生運行程序并體驗效果，學生發現收集能量條時很容易被隕石碰到，筆者引導學生思考如何解決這個問題，并組織小組討論。學生提出可以增大飛船移動的數值，但發現這樣會導致飛船移動過快，難以捕捉能量條。于是，學生進一步探索如何根據搖桿操作的習慣優化算法，使得飛船在捕捉能量條時移動緩慢，在逃離隕石時移動快速。筆者引導學生觀察自己的操作習慣，并找出搖桿的數值范圍。學生發現在逃離隕石時，一般都會把搖桿撥到最左、最右、最下，此時搖桿A1的數值應小于100、大于900，搖桿A2的數值小于100。筆者讓學生根據這些條件優化算法，搭建腳本并運行體驗。

以提升自主可控意識為導向，規劃教學評價設計策略

1.緊扣學科核心素養，培養計算思維和創新精神

新課標要求信息科技課堂應以人為本，培養學生適應、勝任和幸福的能力，教會學生如何積累和創新知識。因此，教學設計是否符合新課標要求，應該看它是否貫徹學科核心素養，重視培養學生的計算思維、創新精神和自主可控意識。

搖桿控制角色的教學設計旨在讓學生經歷完整的問題解決過程，包括分析問題、設計算法、驗證算法和優化算法，從而培養他們的計算思維。在這個過程中，還鼓勵學生自主探索、自主創新，培養他們的探索創新精神，同時提升學生的自主可控意識，培養他們實現自主可控目標的能力。

2.科學設計學習任務群，構建計算思維和創新精神培養途徑

新課標將計算思維定義為在解決問題的過程中，運用計算機科學領域的思想方法進行抽象、分解、建模、算法設計等的一系列思維活動。在教學過程中，這也應該由符合思維習慣和邏輯關系的遞進式教學環節來實現。為了符合新課標的要求，教學中需要采用任務群的方式設計教學任務。在設計教學任務時，要注意任務的真實性、意義性、情境性、實踐性、關聯性、創造性等，以激發學生的學習興趣。任務群是否能夠有效地分解知識點，逐步培養學生的計算思維和創新精神，提高學生的自主可控能力，也是評價教學設計質量的一個重要標準。

搖桿控制角色的教學設計分為三個部分：分析問題、設計和優化算法、編程驗證。在分析問題時，要按照問題描述、條件分析、目標結果的框架引導學生。在設計和優化算法時，要把搖桿算法分為基本控制算法和優化控制算法兩個層次。基本控制算法又細分為四個方向的算法，先以搖桿右撥為例，探索搖桿動作和傳感器數據之間的關系，設計控制飛船右移的算法，然后探索左移、上移、下移等其他方向的算法，在此基礎上再通過體驗程序發現逃避隕石需要加速的需求，以搖桿右撥為例進行優化，設計出更好的搖桿控制飛船角色的算法。這樣的遞進式探索任務既能夠培養學生的計算思維能力，也能夠培養學生的探索精神和創新精神，從而培養出具有創新能力的人才，實現國家在科技領域的自主可控目標。

3.結合學情模塊實踐，優化計算思維培養效果

實踐是教學的重要環節，在基于開源硬件的圖形化編程教學中，實踐可以讓學生在動手操作的過程中提高邏輯思維和創造力，也可以讓學生感受到編程與生活的聯系，拓展知識視野，在實踐中提升自主可控意識。因此，教學設計中實踐環節的實效是評價是否符合新課標要求的一個重要標準。

搖桿控制角色的教學涉及圖形化編程基礎知識、測控板知識、搖桿傳感器知識、分支流程知識等。搖桿傳感器的工作原理、分支流程是設計搖桿控制角色算法的基礎，而圖形化編程基礎知識和測控板知識是學生已經掌握的內容，所以在設計實踐操作時，與這兩部分相關的操作由教師提供半成品程序來解決。在驗證設計好的算法時，搭建腳本編程實現環節采用模塊化實踐方式。獲取搖桿傳感器數據作為一個實踐模塊，在搖桿控制角色時把上、下、左、右四個方向的編程分為四個實踐操作模塊，并提示學生四個實踐操作模塊可互相借鑒。這樣的模塊化實踐操作可以反向促進學生計算思維的培養，優化計算思維培養效果，提升學生自主可控能力。

結束語

在圖形化編程教學中，教師應該以問題為導向、項目為載體、探究為方式、合作為手段、評價為支撐，以激發學生的主動性、創造性和參與性，引導學生動手操作、動腦思考，從表面現象發現深層規律，不僅會使用單一技術還能綜合應用，進而獲得知識和能力的提升。當然，基于“搖桿”傳感器的圖形化編程教學對新課標的實踐還有很多需要改進的地方，如培養科學精神的教學效果量化評價、提升自主可控意識的教學反饋等，筆者在今后的教學中還需不斷探索和反思。

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