跨學科融合理念下小學編程課程的內容設計與實踐

【摘 要】跨學科教學已成為各階段學校教育的新趨勢。在跨學科融合理念下，如何有效培養學生的編程思維，是人工智能時代教育發展的一大重要問題。以“自然—人文—未來”為主題，對小學編程課程跨學科融合教學活動進行架構與設計，旨在激發學生自主學習的內驅力，提升學生的綜合能力與核心素養。

【關鍵詞】跨學科;小學編程課程;任務設計

【中圖分類號】G434? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2022）04-0044-06

【作者簡介】陳珍，南京河西外國語學校（南京，210019）小學部教科室主任，一級教師，主要研究方向為中小學信息技術教育教學。

編程是發展人工智能的基礎。《新一代人工智能發展規劃》提出，要“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”;[1]國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確提出，要讓中小學生學習人工智能課程;人工智能教育于2018 —2019年逐步加入初高中信息技術教材，等等。這些都進一步說明了編程教育已經逐步受到國家、學校、教師與家長的重視。[2]有效培養學生的編程思維是人工智能時代教育發展的一個重要課題。

在跨學科融合理念下，學生通過學習計算機編程，多途徑試驗、創新設計，不僅能打破學科壁壘，提升原始創新能力，還能在各學科學習中找到交叉點與突破點，自主選擇各學科知識點、能力點進行整合與使用，有效提升自身綜合能力。那么，編程內容如何有機融入信息技術學科教學，又應如何有效開展教學呢？筆者做了一些初步的嘗試。

一、小學編程課程跨學科融合教學活動類型

教學活動主題直接影響學生參與教學互動的積極性和主動性，最終決定教學活動的實效。本文將跨學科融合案例融入校本編程課程教學，建構小學編程課程跨學科融合教學活動體系，完善了教學活動中學生成果的評價要求。為驗證該教學模式的成效，本文以南京河西外國語學校小學三至六年級的學生為研究對象，規劃了現象（過程）模擬型、原理概念型和探索實踐型三類教學活動。這三類教學活動均融合了語文、數學、音樂、美術、科學、人工智能等學科相關知識點，學生在完成學習任務的同時可將其他學科知識融會貫通，大大提高了學生的學習主動性和解決實際問題的能力。[3]

（一）原理概念型教學活動

該類型教學活動集中在三四年級實施，實施工具包括Scratch圖形化編程與Python代碼式編程。教師先將學習者需要掌握的知識點歸納為一個系統性的知識結構，使學生通過系統化的反復體驗與練習逐步掌握編程思維，形成一套問題解決模式。

原理概念型教學活動可分為兩種：一是運用編程的方法驗證數學、科學、自然等學科中的概念;二是用編程的方法探索問題的多種驗證途徑。基于學生掌握的學科知識概念，并用編程的思路進一步驗證，不僅能促進學生對于學科知識點的理解與思考，也能夠拓寬知識面，全面提升綜合素養。

（二）現象（過程）模擬型教學活動

這類活動集中在三至五年級實施，主要使用圖形化編程工具（如Scratch圖形化編程）。考慮到小學很多學科中存在一些固有流程，如實驗步驟、朗讀順序、課程安排等，教學活動主要有游戲設計、故事描述以及藝術創作等，學生在此類活動中要根據實踐過程的順序設計編程思路，最后整合成一個完整的算法過程。

例如，在學科實驗-編程跨學科案例實驗模擬教學活動中，我們設計了“光合作用”“肥皂方糖與牙簽”“可樂吹氣球”等主題任務。教學活動實施過程中能夠明顯感受到課堂氛圍更加活躍，學生參與度大幅提高，原因主要有二：一是此類教學活動編程算法難度不高，學生易于掌握;二是該類教學活動是對生活中常見的實驗過程的模擬，實用性較強，學生的接受度高。

（三）探索實踐型教學活動

探索實踐型教學活動以解決實際問題為核心，形式多樣，更具開放性，主要在五六年級進行。在活動過程中，學生可以在既定主題下自主發現問題、思考問題、提出解決方案并自主發揮進行創意表達，有利于充分激發學生的學習內驅力，有效提高創新能力。

二、小學編程課程跨學科融合教學活動案例設計規劃

學校結合各學科課程資源和學生實際需求，于三至六年級開設校本編程課程。課程教學以任務驅動法為主，以信息技術課堂為載體，以“自然—人文—未來”為主題，融合相關學科、領域的知識，設計多學科聯合的系列學習任務。

考慮到三四年級的學生初步接觸編程課程，在課堂任務設置重視趣味性的前提下，以原理概念型、現象（過程）模擬型活動為主，激勵學生在生活中發現問題、探究問題和解決問題。五年級的學生有一定的編程基礎，教學主題任務類型以現象（過程）模擬型、探究實踐型為主，教師可結合數學學科問題解決思路，引入算法概念。六年級在開源硬件的支撐下，教學主題任務以探究實踐型為主，以小組合作為主要方式，教師引導學生在自主、合作、探究學習的過程中學習控制技術，感知信息技術給人類生產、生活帶來的巨大影響（見下頁圖1）。

（一）三年級教學活動案例內容設計（見下頁表1）

三年級的學生剛接觸編程，教師可以結合美術學科的繪畫、音樂學科的樂理、傳統文化故事等指導學生運用Scratch軟件編寫一款小游戲或小應用，用數字動畫的形式設計教學活動案例場景或者進行過程模擬與藝術創作。因此，本階段所設計的Scratch教學活動案例以學科知識原理概念或過程模擬為主，依據不同的教學內容匹配合適的教學活動任務。

（二）四年級教學活動案例內容設計（見下頁表2）

四年級的學生已具備一定的Scratch編程基礎和學科系統思維。因此，本年級教學活動案例內容逐步向探索實踐型過渡，便于學生學習概念與發生過程。如“光合作用”這類原理型知識，學生在學科教學中只能通過想象來理解，如果在編程設計中使用相應素材將整個轉化過程進行可視化分解，就能使學生對教學內容有更深的認識。

（三）五年級教學活動案例內容設計（見表3）

基于兩年Scratch編程課程的學習，學生對編程有了一定的認識后，開始正式接觸、學習Python語言，并同步培養邏輯思維、數學思維。五年級的教學活動內容主要以數學-編程跨學科案例研究為主，設計了數學學科中質數判斷算法、窮舉法算法等主題任務;此外，還加入人工智能基礎內容，如無人超市與班級管理系統設計。

（四）六年級教學活動案例內容設計（見下頁表4）

六年級課程中加入了開源硬件支持，結合硬件條件與人工智能相關元素設計了噪聲污染監測、手勢識別、智能家居與無人駕駛等教學活動內容。在硬件編程中培養了學生的算法思維，使其對電機、舵機、傳感器等建立起初步的認識。同時，通過小組合作共享，培養學生的互助協作精神和解決綜合問題的能力。

三、小學編程課程跨學科融合教學活動實踐與效果分析

（一）教學活動評價工具設計（見下頁表5）

跨學科設計編程課程教學活動，旨在培養學生編程思維能力和解決實際問題的綜合實踐能力。而評價工具在記錄和反饋學生的完成情況時，也驗證了不同類型教學活動的科學性與可操作性。本文中的教學活動評價工具主要以通用性為準則，并隨著年級的增長及每次教學活動的開展，反映學生知識水平、思維能力、綜合實踐能力的變化趨勢。

教學活動評價以任務成果為結點，依據學生所提交的活動成果，進行有針對性的量化考核。教師在記錄學生學習進展的同時，還能以該評價表為依據，在教學活動結束后對學生各次任務完成情況進行對比分析。

該教學活動實施評價表從科學性、邏輯性和藝術性三方面出發，對活動任務、創意設計、算法優化以及問題解決四個維度進行評價，同時，活動任務指標又細化為內容、算法、流程圖及完整性四點。

（二）小學編程課程跨學科融合教學活動實施小結

在跨學科知識整合理論基礎之上，通過對已有相關文獻的梳理研究，構思設計了小學階段三至六年級校本編程課程教學活動及相應案例。其中，原理概念型教學活動融合語文傳統文化故事、數學基礎概念，引導學生對有關實驗、故事或經驗進行創新設計，以對作品進行完善與優化。通過對知識系統化的反復體驗練習、理解，將知識點內化為合乎邏輯的概念。現象（過程）模擬型教學活動融合科學實驗過程和生活中的自然現象等，將現象或過程進行了可視化呈現，充分加深學生對各學科知識點的理解。探索實踐型教學活動重點引入人工智能基礎知識，以提出問題為活動情境，以小組為單位在制定策略、解決問題的教學情境中提取編程思維的概念及技巧。最終，由教師將所規劃設計的具體教學活動案例應用于課堂教學中，運用Scratch、Python軟件進行實施，并對跨學科融合理念下小學編程課程教學活動的實踐結果進行評價總結。

案例實施及學生作品評價表的結果分析，驗證了學生在具體情境中體驗知識的狀況，學生可以將抽象的知識具體化、可視化，學習、掌握、運用各學科知識與方法等，同時在活動實踐中掌握程序設計語言的概念、條件以及邏輯。跨學科融合理念下小學編程課程教學活動的設計有利于提升學生的自主學習能力、小組合作能力、問題分析和解決能力，使學生在面對復雜問題時能夠清晰地梳理解決思路，提出解決策略，進而用發散性思維去創作一些獨具特色的作品，逐步推動編程思維教學目標的實現。

【參考文獻】

[1]《人工智能（初中版）》教材正式出版[J].電化教育研究，2019，40（5）：129.

[2]余成波.中小學生編程教育現狀調查研究[D].武漢：華中師范大學，2019.

[3]楊碩.小學Scratch編程體驗式教學活動設計與實踐研究[D].保定：河北大學，2020.

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