基于新課標(biāo)發(fā)展計算思維的算法教學(xué)

基于“大概念+大單元”的教學(xué)設(shè)計，正通過廣泛融合項目式學(xué)習(xí)而異軍突起，成為時下熱門的教學(xué)內(nèi)容及設(shè)計方法。如何正確地區(qū)分大單元與常規(guī)單元、大概念與教學(xué)模塊？本次解碼就讓我們從教學(xué)一線設(shè)計來觀察與論證，尋找大單元中大概念相互融合進(jìn)行AI教學(xué)設(shè)計的路徑。

摘要：本文以“身邊的算法”為研究對象，開展基于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》理念下的算法教學(xué)實踐，試圖構(gòu)建以計算思維為核心，以算法為目標(biāo)，以代碼為載體，融合、立體和可生成式的算法教與學(xué)，從而實現(xiàn)科技教學(xué)的科與技并重。

關(guān)鍵詞：信息科技；身邊的算法；計算思維

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0044-04

在信息科技新課程背景下，如何開展基于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）、發(fā)展學(xué)生計算思維的算法教學(xué)課程實踐，是筆者近期在課題研究中的實踐探索。筆者根據(jù)生活中常見的掃地機(jī)器人，設(shè)計“機(jī)器人路線巧規(guī)劃—妙用循環(huán)結(jié)構(gòu)”學(xué)習(xí)項目，讓學(xué)生基于真實的問題情境分析問題，學(xué)習(xí)算法中的循環(huán)結(jié)構(gòu)的科學(xué)原理，并結(jié)合編程靈活應(yīng)用，創(chuàng)作掃地機(jī)器人數(shù)字化作品，在“做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)”，在體驗計算機(jī)運(yùn)用科學(xué)原理與技術(shù)解決問題過程中，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)原理，發(fā)展學(xué)生的計算思維核心素養(yǎng)，提升學(xué)生科學(xué)探究、跨學(xué)科解決問題的關(guān)鍵能力，實現(xiàn)“科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重”的學(xué)科育人目標(biāo)。

“身邊的算法”課程教學(xué)實踐的背景

“身邊的算法”是信息科技小學(xué)階段五、六年級重點學(xué)習(xí)的內(nèi)容，是發(fā)展學(xué)生計算思維核心素養(yǎng)的關(guān)鍵單元。但當(dāng)前的算法教學(xué)存在兩個誤區(qū)：一是側(cè)重編程邏輯思維的培養(yǎng)，忽視了算法的原理與計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析；二是在新課標(biāo)中的算法科學(xué)原理部分增加后，教師又選擇了教師講、學(xué)生聽的傳統(tǒng)教學(xué)方式，重點關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)算法的科學(xué)原理，忽視引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用編程技術(shù)實現(xiàn)算法問題，缺乏對學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)。

因此，新課標(biāo)下的“身邊的算法”教學(xué)實踐需要以計算思維培養(yǎng)為核心，重新構(gòu)建新內(nèi)容、開展新實踐、探索新策略。“身邊的算法”單元教學(xué)既要走出“技能訓(xùn)練”的編程教學(xué)，也要防止掉入“坐而論道”的原理學(xué)習(xí)。

新課標(biāo)背景下“身邊的算法”課程教學(xué)實踐策略

針對新課標(biāo)背景下算法教學(xué)的現(xiàn)狀，有學(xué)者倡導(dǎo)以計算思維為核心，以算法為目標(biāo)，以代碼為載體，建立更加融合、立體和可生成式的算法教與學(xué)，實現(xiàn)科技教學(xué)的科與技并重。在這種教學(xué)理念的支持下，筆者開展了基于新課標(biāo)發(fā)展計算思維培養(yǎng)的算法教學(xué)實踐。其本質(zhì)就是在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，基于真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的思維方法與思維活動，利用計算機(jī)工具（算法的科學(xué)原理、編程技術(shù)、編程思維方法）解決問題的過程，主要包括分析問題、分解、抽象、建模、設(shè)計算法、編程調(diào)試驗證等步驟。

基于此，筆者架構(gòu)了新課標(biāo)背景下發(fā)展計算思維的算法教學(xué)的實施模式（如圖1），其中，明線是教學(xué)組織的5個環(huán)節(jié)，暗線是算法學(xué)習(xí)的6個步驟（學(xué)科知識學(xué)習(xí)的邏輯），涵蓋了發(fā)展學(xué)生計算思維核心素養(yǎng)的6個階段。

新課標(biāo)背景下“身邊的算法”課程實施教學(xué)案例

下面，筆者以“身邊的算法”為例，展示具體教學(xué)，教學(xué)流程如圖2所示。

1.創(chuàng)設(shè)情境，引出算法問題

教師創(chuàng)設(shè)情境：很多人家里都有掃地機(jī)器人，你知道它為什么可以自動清掃所有房間的衛(wèi)生嗎？請大家?guī)е蓡枺^看視頻。

學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)掃地機(jī)器人的奧秘，這一方面是因為它的硬件，包括掃地裝置、觸碰傳感器和指南針傳感器，另一方面是因為它的軟件（程序）能夠讓機(jī)器人按照規(guī)劃好的路線邊走邊打掃。

教師提出問題：在前面的課程中，我們學(xué)習(xí)了順序、選擇結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)的算法知識，那么機(jī)器人自動掃地背后又隱藏著怎樣的算法呢？從而引出本節(jié)課主題。

設(shè)計意圖：通過在生活中創(chuàng)設(shè)問題情境，引出關(guān)鍵的算法問題，激發(fā)學(xué)生興趣與思考。

2.體驗算法，頭腦風(fēng)暴

師生互動：學(xué)生上臺體驗“掃地機(jī)器人路線巧規(guī)劃”范例作品，掃地機(jī)器人自動按照弓字形邊行走邊打掃地面的垃圾，回到終點停止。

教師提問：通過觀察，你發(fā)現(xiàn)了什么？引導(dǎo)學(xué)生思考，并討論關(guān)鍵問題—機(jī)器人行走的路線有什么規(guī)律？過程是怎樣的？

接著師生互動，初步感知掃地機(jī)器人路線的規(guī)律—按照弓字形行走，這樣的過程重復(fù)3次。

師生互動，結(jié)合課前范例作品，逐步分析機(jī)器人路線規(guī)劃背后的算法關(guān)鍵—循環(huán)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生理解機(jī)器人行走路線的規(guī)律，嘗試將復(fù)雜的算法問題分解為一個個簡單的算法問題，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、分解問題的能力。

3.合作探究，算法實現(xiàn)

（1）如何利用算法編程實現(xiàn)？

任務(wù)1：掃地機(jī)器人按弓字形路線向右行走。

①參考范例，分析機(jī)器人走弓字形過程的第一步，引導(dǎo)學(xué)生提煉關(guān)鍵詞—勻速向右、邊走邊掃、遇到邊緣停止。

②結(jié)合前面所學(xué)的編程知識與方法，找到模塊v“面向90方向，移動3步，下一個造型”。

③如何實現(xiàn)遇到邊緣停止？師生互動，探索關(guān)鍵—重復(fù)執(zhí)行直到，并示范編程驗證。

④學(xué)生完成任務(wù)1，教師總結(jié)并提問：什么是直到循環(huán)呢？

⑤觀看微視頻，認(rèn)識“直到循環(huán)”，初步了解循環(huán)的兩個要素：循環(huán)條件與循環(huán)體。接著學(xué)生上臺，將任務(wù)1程序中的循環(huán)條件與循環(huán)結(jié)構(gòu)拖入循環(huán)結(jié)構(gòu)流程圖（如圖3），初步感知直到循環(huán)的結(jié)構(gòu)，嘗試?yán)斫庋h(huán)體與循環(huán)條件。

設(shè)計意圖：通過感知直到循環(huán)的結(jié)構(gòu)，初步理解循環(huán)的要素—循環(huán)條件與循環(huán)體。以教師為主導(dǎo)，依托編程，探究算法，解決問題，引導(dǎo)學(xué)生做中學(xué)、學(xué)中做，體現(xiàn)編程與算法原理并重。

（2）機(jī)器人下一步又如何行走？如何編程實現(xiàn)？

任務(wù)2：觀察分析機(jī)器人走弓字形過程的第二步。

①引導(dǎo)學(xué)生提煉關(guān)鍵詞—勻速向下、邊走邊掃、移動固定距離。

②結(jié)合任務(wù)1的編程知識與方法，學(xué)生示范，調(diào)整積木—“面向180方向”。

③實現(xiàn)移動固定距離：師生互動，探索關(guān)鍵—重復(fù)執(zhí)行（）次，并探索嘗試發(fā)現(xiàn)：重復(fù)執(zhí)行20次移動距離剛好合適。

④學(xué)生參考學(xué)習(xí)文檔，實踐任務(wù)2：向下走。

⑤學(xué)生完成任務(wù)2，教師總結(jié)并提問：什么是計數(shù)循環(huán)？

⑥觀看微視頻，認(rèn)識計數(shù)循環(huán)，初步了解計數(shù)循環(huán)與直到循環(huán)的異同—循環(huán)條件不同。

⑦學(xué)生上臺，將任務(wù)2程序中的循環(huán)條件與循環(huán)結(jié)構(gòu)拖入計數(shù)循環(huán)結(jié)構(gòu)流程圖（如下頁圖4），初步感知計數(shù)循環(huán)的結(jié)構(gòu)，深入理解循環(huán)體與循環(huán)條件。

設(shè)計意圖：通過感知計數(shù)循環(huán)的結(jié)構(gòu)，再次理解循環(huán)的要素—循環(huán)條件與循環(huán)體。幫助學(xué)生深入觀察分析機(jī)器人行走的過程，理解計數(shù)循環(huán)與直到循環(huán)，指導(dǎo)學(xué)生針對不同的情境，運(yùn)用不同的循環(huán)結(jié)構(gòu)編程實現(xiàn)機(jī)器人行走。

（3）從提出問題到解決問題，“弓字形”剩下的兩步又如何走？

①繼續(xù)分析機(jī)器人走弓字形過程的第三步和第四步：往左走到邊緣，再向下走固定距離。

②引導(dǎo)學(xué)生分析第三步的往右走與第一步的往左走，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵—改變方向，改變循環(huán)條件，而第四步與第二步其實是一樣的。

③師生互動，示范編程驗證。

④學(xué)生參考學(xué)習(xí)文檔，實踐任務(wù)3：走完4步（如下頁圖5）。通過應(yīng)用任務(wù)1與任務(wù)2的知識方法，引導(dǎo)學(xué)生快速解決任務(wù)3的問題，從而實現(xiàn)知識的遷移與運(yùn)用，關(guān)注“技術(shù)輸出”。

（4）拓展任務(wù)：規(guī)劃全屋路線

學(xué)生運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)的計數(shù)循環(huán)，自主探索，完成拓展任務(wù)，如添加聲音、語音等功能，讓掃地機(jī)器人更有人性化，更富創(chuàng)意。

設(shè)計意圖：通過拓展任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生做中學(xué)、學(xué)中創(chuàng)，從而實現(xiàn)學(xué)生的分層教學(xué)，注重學(xué)生個性化表達(dá)與創(chuàng)新精神。

4.作品分享，師生互評

學(xué)生上臺分享展示作品，教師引導(dǎo)反思程序。教師結(jié)合板書，依據(jù)作品評價標(biāo)準(zhǔn)（任務(wù)完成度），展開師生互評，從而引導(dǎo)學(xué)生體驗編程樂趣，學(xué)會分享，學(xué)會評價。

5.總結(jié)內(nèi)容，拓展質(zhì)疑

①師生互動：借助思維導(dǎo)圖，共同總結(jié)本節(jié)課所學(xué)。

②教師提出拓展任務(wù)—生活中還有哪些使用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決問題的實例，并展示紅綠燈、電梯、上課鈴聲等，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)，拓展認(rèn)知。

③教師提出新問題：如果房間里面有桌子、椅子等障礙物，我們的算法能繞過去嗎？

④學(xué)生觀看微視頻，發(fā)現(xiàn)房間有的區(qū)域不能打掃，這時教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識當(dāng)前算法的局限性。

⑤呈現(xiàn)掃地機(jī)器人為解決各種復(fù)雜環(huán)境下的路線問題設(shè)計了多種算法技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用算法讓世界更智能更美好。

結(jié)語

本節(jié)課緊緊圍繞新課標(biāo)的課程內(nèi)容要求，基于真實的算法問題，通過5個環(huán)節(jié)，層層深入，重點引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷算法學(xué)習(xí)的6個步驟，在真實的情境中，引導(dǎo)學(xué)生理解算法中的結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用編程知識、技術(shù)與工具創(chuàng)作作品，發(fā)展學(xué)生的算法思維。

參考文獻(xiàn)：

胡金錦.融通·激活·重構(gòu)：大概念統(tǒng)領(lǐng)的算法單元教學(xué)策略探索——以“排序算法”為例[J].中國信息技術(shù)教育，2024（09）：31-35.

本文系2022年度中山市教育科研課題“智慧教育環(huán)境下基于能力點的小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)模式研究”（項目編號：C2022172）、2023年度中山市教育科研課題“面向計算思維培養(yǎng)的小學(xué)Mind+教學(xué)策略的研究”（項目編號：B2023089）的研究成果。