融入虛擬科學實驗的小學圖形化編程教學探究

【摘要】本文將虛擬科學實驗的科學原理、實驗過程和思維方法高度融合，將學生科學思維素養培養與信息科技知識學習聯系起來，通過一系列教學實踐，探索融入虛擬科學實驗的小學圖形化編程教學策略，引導學生在小學圖形化編程教學中親歷完整的實踐過程，幫助學生形成對科學實驗的完整認知，從而提升學生的編程思維水平和科學知識遷移能力。

【關鍵詞】信息科技；小學圖形化編程；虛擬科學實驗；教學策略

【中圖分類號】G434【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2023）19—0080—04

義務教育信息科技課程標準（2022年版）在課程理念中強調遴選科學原理和實踐應用作為重點課程內容，體現“科”與“技”并重的指導思想。這明確了小學信息科技課程中圖形化編程模塊教學不僅關注小學生數字素養和技能培育，還把提升小學生創造性科學思維水平和科學精神在課程學習中體現出來。所以，在立足小學生年齡特點和認知規律的前提下，圖形化編程教學中融入科學實踐性元素，對于如今小學信息科技課程內容設置方面尤為重要。這需要教師在小學編程教學中通過大量實踐，在相關教學模式、教學策略層面積極探索。筆者以所在學校為樣本校之一，借助中心教研組活動，深入蘭州市多所小學信息科技課堂一線，結合文獻研究、問卷調查和實地走訪，進行實驗前后對比和行動研究，通過數據分析軟件系統把收集的量化數據進行優化。在對課堂每個環節進行分析、研究的基礎上，通過創設教學情境、完善教學資源、設計教學活動、強化學法指導、體現評價環節，最終形成與虛擬科學實驗有關的教學經驗總結。同時，緊密銜接學生的數字化體驗，把科學思維融入真實的生活情境、問題情境和項目學習情境中，以學生為主體，在學生參與的數字化學習中貫穿虛擬現實內容，實現從知識呈現到學生基本技能培養的教學升級。

一、研究背景

在人工智能時代，大力培養科技創新人才尤其重要。隨著信息化技術日益更新，在小學信息科技教學中，圖形化編程教學內容已成為引導學生探索計算機編程的主要依據[1]。然而在小學信息科技課堂教學中，筆者發現一些圖形化編程課程的開發設計過分迎合小學生對游戲和動畫比較感興趣的特點，過于側重引導小學生理解游戲和動畫原理，一部分小學生制作的游戲作品缺乏關于學習和生活的深入思考，含有惡搞元素，這并不利于學生學科核心素養的培養、科學思維與方法的鍛煉和正確價值觀的形成。

二、Kitten圖形化編程平臺的優勢

以小學圖形化編程課程為例，基于項目教學法的小學創客教育課程教學設計與實踐研究以Kitten圖形化編程為教學平臺，該平臺最大的優勢在于將豐富的多媒體創作素材庫和簡單易學的創作界面呈現在編程者面前，可以讓學習者在這個可視化編程語言平臺上，體驗趣味性和探究性，尤其重要的是體現出小學生在現實場景中接觸到的科學知識，規范編程作品創作動機，對于學生進行數字化創作有重要意義。經驗證，在小學編程課堂中進行相關項目學習，這樣的圖形化編程可以有效增強學生的編程思維[2]。

三、在小學圖形化編程教學中融入虛擬科學實驗的意義

2007年，關于虛擬科學實驗有這樣的定義：虛擬科學實驗主要指在科學實踐活動中，學生按照一定的科學流程操作現實或虛擬物體，觀察科學現象，在提出問題、收集數據、總結規律等具體過程中完成實驗探究任務，從而加深對科學知識、方法和規律的理解[3]。本研究在此基礎上提出的虛擬科學實驗是以Kitten圖形化編程環境為平臺，在教學內容上融合科學實驗，借助圖形化編程軟件構建虛擬科學實驗操作場景，學生可在編程軟件界面，通過操控元素或修改參數來觀察科學現象、探索科學規律，在有應用情境、角色體驗的學習環境中，體驗系統規劃設計、算法思維和建模的科學方法，將科學現象探索過程轉化為圖形化代碼，經歷全景式的項目規劃設計，潛移默化地學會圖形化編程的設計規范和思維方法。

在梳理相關文獻、分析編程平臺優勢的基礎上，筆者圍繞教師、學生活動這兩方面進行教學設計，并將相關教學理念、基本特征融入圖形化編程教學中，探究從“過程與方法”到學科核心素養層面的教法與學法策略，注重引導學生觀測實驗現象，總結實驗規律，使學生在學習過程中實現編程思維和科學素養雙培養。在這樣的完整虛擬科學實驗中，體現出從單一知識技能傳授到對學生科學探究精神培養的轉變。基于此，筆者利用信息科技，呈現學生感興趣的科學現象、科學實驗場景，反映學生對現實世界的認知與期待，培養學生運用信息科技手段走進科學、理解科學和發展科學的能力。更重要的是以國家義務教育信息科技課程標準為指引，發揮虛擬科學實驗在小學圖形化編程教學中的關鍵作用，通過這樣的教學實踐過程，使教師在課堂教學層面探尋學生理解科學、把握科學研究與實踐探索的規律，實現學生在人工智能領域的進階成長[4]。

四、在小學圖形化編程教學中融入虛擬科學實驗的方法

1.學習準備，提出主題。目前，蘭州市一些小學有相對優越的硬件資源，計算機及其機房的配套設施較為完善，這為此次研究的順利開展提供了一定的硬件條件。在此基礎上，教師借助Kitten圖形化編程軟件平臺，在準備階段完成對學生學情的分析，而問卷調查和實地訪談是研究的主要方法。為了更細致地把相關教學理念貫穿于課堂教學中，筆者圍繞“虛擬科學實驗融入前圖形化編程需求分析”“虛擬科學實驗融入圖形化編程教學的態度調查”，設計了調查問卷，并與部分學生談話，為筆者分析實驗結果提供了重要依據。在科學分析學情的基礎上，形成圖形化編程基本知識與技能水平差異情況分析，教師把學習者分為實驗設計組和觀察記錄組，為后面進行的分層教學和小組合作打下基礎。觀察記錄組的學生對編程知識掌握不多，這一部分學生在課前準備方面以觀察和記錄完整實驗為主，以了解編程作品制作的基本流程為輔。實驗設計組的學生由于已具有圖形化編程的初步制作經驗，可側重于親歷虛擬實驗從元素到模組、模塊，從模塊到整體的搭建。不僅如此，教師依據學生對于知識技能的熟練度，可對學生的角色進行調整，使兩組學生在多次取長補短的合作學習中提升能力。

想在這個過程中牢牢吸引學生的注意力，教師需要做好虛擬科學實驗主題情境創設。整個過程中，始終貫穿以人為本的理念，教師可以根據實驗的復雜程度和學生對知識的接受程度劃分主題，把高年級小學生的科學知識范圍分為天文、物理、化學、生物以及人與生態等部分，主題從天文學以及探尋物質世界原理和規律的物理、化學幾大板塊逐步深入，最終回歸到生態和人的關系相關領域。在探究式學習開始之前，教師可以把充滿探究樂趣的科學揭秘主題預先告知學生，引導學生利用書本、互聯網等獲取相關知識，初步具備在相關科學主題中分析解決問題的能力，能在解決具體問題的情境中展開項目學習。

2.范例研習，做好實驗反饋與建議。在此環節之前，學生所掌握的知識和技能并沒有得到實踐檢驗，對此，教師可以展示完整的虛擬科學實驗范本，學生在演示中練習編寫相關程序、運行編好的程序。教師可以先讓學生預覽最終效果，依靠范本實驗的邏輯關系和生動形象的動畫效果，最大限度地激發學生的參與熱情。當學生存在疑問時，教師適時引導學生理清設計虛擬科學實驗的基本思路、制定基本步驟，提示實驗難點，講解實驗素材的使用方法和選擇依據，使學生在范例研習過程中能清楚地觀察到每一個實驗要素，積極思考由每一個實驗步驟組成的完整制作流程。

有了上述實驗范本的引導和觀察記錄組學生的協助，實驗設計組學生可以有效地投入虛擬科學實驗的操作中，從每一個實驗素材的選擇、每一處編程模組的確定、每一塊編程積木的搭建到每一個實驗目標的達成，都充分體現學生實驗操作、探究科學的歷程，使學生在融入虛擬科學實驗的圖形化編程軟件平臺獲得成長。教師在巡視過程中精準指導、答疑解惑，對共性問題集中講解，對反映科學現象的佳作予以肯定，讓學生圍繞如何調整關鍵參數、改變實驗條件等方面分享見解，再引導學生共同學習、總結提煉。最后，教師提出關于虛擬科學實驗設計的總結性學習建議。

經過以上的案例分析可以得出以下結論：范例研習環節有效激活了學生的編程思維。在問卷調查分析中可以看出，有78.5%的學生認為，基于虛擬科學實驗的圖形化編程教學極大地提升了編程學習效率。在編程學習過程中，教師對新知識的講解，讓學生能了解每個模塊的不同作用和搭建編程積木的方法。在學生創作階段，學生對知識和技能掌握的熟練度得以提升，進一步增強了算法思維能力。

為了進一步檢驗該環節實驗研究，筆者抽選蘭州市某小學六年級兩個班的學生為研究對象，將學生分為實驗組、對比組，其中實驗組學生通過融入虛擬科學實驗的圖形化編程教學學習，而對比組則按照教材中一般圖形化編程教學流程學習。實驗開始前，對兩組學生進行相關科學概念理解前測，實驗結束后，圍繞相關科學概念進行后測，通過前后對比可知，實驗組學生學習效果較好，而且實驗反饋與建議這個環節能有效促進學生科學思維和能力的培養。

3.階段成果展示、分享和交流。在階段成果展示、分享階段，前面內容提到的觀察記錄組學生通過細致觀察，詳細記錄實驗結果，通過不同組間實驗情況的對比，得出精確的實驗結論。觀察記錄組學生在觀察記錄、提煉經驗、填寫記錄表等過程中發現實驗創新點，融入實驗前后的不同想法，由教師組織這部分學生展示階段性成果，對于發現的實驗規律進行總結、拓展。在此基礎上，觀察記錄組學生相互討論，形成總結性經驗，再反饋給同組的實驗設計成員，在更精細化的范圍內進行虛擬科學實驗經驗交流，促使實驗設計組學生進一步完善作品，完成又一輪的研討提升和成果展示。可以說，在此階段融入虛擬科學實驗小學圖形化編程教學策略，對學生協作學習有一定幫助。前測問卷數據顯示，51.2%的學生愿意與他人協作學習，后測問卷中這一數量上升至79.8%，說明學生的協作能力得到了提升。

4.做好綜合評價、全課總結。檢測學習效果，建立融入學生自評、學生互評和教師評價的完整評價機制尤其重要。在經過完整的學習階段后，依據程序積木搭建、畫面構圖、顏色搭配是否合理、協調，創意是否新穎獨特，素材使用是否貼合主題，科學原理是否通過虛擬科學實驗得出等評價標準，進行課堂學習評價，完整反映出學生在編程思維、科學素養等方面的提升。

在此基礎上，教師可借助問卷星等在線評價系統完成數字化學生整體評價分析。教師可將評價量表發到自主學習資源包中，學生通過上述學習階段后，打開對應課程的教學后測評價表，按照知識與技能、過程與方法、情感態度、價值觀等層級順序評估自身學科核心素養情況，對全課知識點進行全面系統的回顧和總結。教師通過直觀的柱狀圖呈現學生的學習成果，使學生更好地取長補短。

為了驗證多維評價體系和課堂教學總結的重要性，筆者在研究中邀請具有豐富的圖形化編程教學經驗的專職信息科技教師參與，共同對研究結果進行分析，得出能有效提升學生參與課堂活動的積極性，更好地讓學生理解編程作品創作的內涵，培養以數字化創新能力和嚴謹科學態度為主要內容的學科核心素養。

在這個過程中，教師需要及時發現學習過程中出現的問題，及時點撥學生，展示學習成果，總結實驗規律，實現提升學生學科核心素養的教育目標，讓學生逐步形成熱愛科學、追求真理的人生態度[5]。

結合小學信息技術新課標，教師不僅要提升學生的編程知識和技能水平，而且要把培養學生程序算法思維作為重點，更要規范學生對于編程作品的創作動機。目前，小學圖形化編程教學中存在編程游戲化、忽略編程思維和嚴謹科學態度培養的問題，而通過在小學圖形化編程教學中融入虛擬科學實驗的教學策略，可以有效解決存在的問題。具體實施中，教師可從課堂教學目標設置、教學內容確定、教學資源選擇、實驗情境創設、實驗活動構建、分享交流、組織反饋以及教學評價等方面，進行圖形化編程教學探索，形成科學且有指導性的課堂教學模型，可以應用模型中提供的教學思維與方法，讓學生在完成虛擬科學實驗的過程中，不斷提升編程思維，提高信息科技拓展能力、科學探究能力。

參考文獻

[1]張芳菲.談信息技術的科學本質與育人價值[J].小學教學參考，2022（06）：84-86.

[2]王濱.基于項目教學法的小學創客教育課程教學設計與實踐——以小學圖形化編程課程為例[J].陜西師范大學學報，2019（01）.

[3]易蘇情.融入元認知策略的小學虛擬科學實驗活動設計與成效研究[J].浙江大學學報，2022（05）.

[4]陳亞陽.基于校園文化特色的小學圖形化編程校本課程開發[J].中國信息技術教育，2022（05）：49-50.

[5]張漢城.基于STEAM理念，建設Kitten校本課程[J].新教師，2022（07）：86-87.

（本文系2023年度甘肅省“十四五”教育科學規劃課題“融入虛擬科學實驗的小學圖形化編程教學策略”的研究成果，課題立項號：GS[2023]GHB0561）

編輯：彭雪亮