關注跨學科主題學習，提升計算思維能力

馬童玲

摘要：本文結合第三學段計算思維的學段目標，通過實際教學及反思不斷迭代教學設計，優化教學策略，形成了“聚焦真實性問題，啟迪學生的思維；深入剖析案例，形成計算思維意識；綜合運用知識，提升計算思維能力”的跨學科主題學習活動實施路徑。

關鍵詞：跨學科主題學習活動；信息科技；計算思維

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2024）11-0015-03

跨學科主題學習活動設計的背景

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中明確提出要開展跨學科主題學習。信息科技學科的跨學科主題學習活動是指從學習情境、問題設置、目標達成等角度進行信息科技與其他學科的跨越，讓學生在真實的、開放的學習情境中利用各學科的知識、技能、思想、方法解決綜合性問題，進而完成跨學科知識的學習，提升自主學習能力，在此過程中逐漸培養學生的計算思維能力。而算法是計算思維的核心要素之一，在信息科技課程中引導學生以身邊的算法為載體，利用算法求解簡單問題，能使其初步養成運用算法思維的好習慣，并通過實踐形成設計與分析簡單算法的能力。

跨學科主題學習活動的實施路徑及案例解析

1.聚焦真實性問題，啟迪學生的思維

新課標倡導真實性學習，讓學生置身真實或類真實的生活情境，圍繞真實問題進行探索，建構知識，發展思維。跨學科主題學習活動情境的創設要聯結學生已有的生活經驗，聚焦社會中的現實問題，促使學生用信息科技手段解決現實生活中的實際問題。

（1）原有設計

“算法的描述”是第三學段“身邊的算法”單元的內容。教學目標是：通過生活中的實例體驗算法；理解算法是通過明確的、可執行的操作步驟描述的問題求解方案；能用多種方式描述算法。在常見的教學設計中，教師會通過“活動感知→求解問題→鞏固拓展→課堂小結”這一步驟來組織教學。

（2）設計思考

在上述過程中，學生只是按照教師的引導在分解問題，得出問題的答案，并沒有真正領會如何將抽象的問題具象化、如何利用算法來描述問題的求解方案。針對以上問題，教師應在教學中構建以學生為中心的真實問題情境，讓學生先用自然語言描述問題及求解方案，再采用流程圖的方式將問題求解過程以更為清晰的方式呈現出來，鼓勵學生多思考、多探究、多交流、多評價，嘗試將已有的知識進行遷移重組，滿足學習的內在需求。

（3）改進設計

在基于跨學科主題學習活動“算法的描述”設計中，教師首先要分析學習對象的年齡特征，了解他們的情感需求，創設適合他們的活動情境，讓學生以“設計師”的身份深度參與到學習中，真正做到“玩中學、學中悟、悟中創”。建議活動設計如下。

①具身體驗，初嘗算法——教師通過實物教具給學生以具身化的情境體驗，讓學生在具象環境中初步感知游戲的過程，并能用自然語言進行描述。

②多樣描述，再探算法——教師引導學生在制作游戲前先進行分析、規劃再繪制流程圖，將所思所想以可視化的方式呈現出來，最后根據流程圖編寫程序。在面對復雜程序時可以化繁為簡，分析每個角色各自的動作腳本。通過根據流程圖編寫腳本的方法，讓學生體會流程圖在游戲設計中的重要性，同時通過編寫腳本驗證流程圖的填寫是否正確，如果不正確知道如何改正。這樣的方式能讓學生初步體會到腳本的調試過程。

③評價優化，感悟算法——教師廣播展示學生作品，組織學生根據評價標準開展作品的自評與互評。

活動成效：在制作游戲的過程中學生感受到了生活中無處不在的算法，能夠主動利用已有的知識儲備和生活經驗，對簡單問題進行抽象與分解，了解解決問題的過程中蘊含的算法，并能夠主動構建與信息科技學科相關的聯系，較熟練地利用自然語言、流程圖等多種算法描述方式。

2.深入剖析案例，形成計算思維意識

為了有效培養學生的計算思維能力，教師不僅需要引導學生利用圖形結構將抽象的概念具體化，讓思維以可視化的方式呈現，還需要引導學生進行深度探究與實踐驗證，幫助學生成為一個發現者、思考者、探究者，形成有效求解問題的計算思維意識。

（1）原有設計

“算法的執行”是第三學段“身邊的算法”單元的內容。常規的教學思路為“教師引導學生發現問題→讓學生用自然語言描述求解這個問題的算法→教師出示半成品的程序設計→學生補充完成并驗證”。

（2）設計思考

在上述過程中，學生很難靠自己直觀想象分析問題，也很難抽象出問題的特征。教師在教學中，首先要引導學生根據求解問題的特征分析問題，抽象出其具體的特征，然后，用多種形式描述問題求解的一般過程，對結果進行大膽的預測，最后規劃并設計算法，建立與程序之間的關系，并通過程序驗證算法的可行性。

（3）改進設計

利用圖形化編程語言執行算法，學生往往不容易建構算法與程序設計之間的邏輯關系。因此，教師需要適當引導，幫助學生建立跨學科的自然語言、流程圖與圖形化編程語言之間的關系，完成建模，進而幫助學生在使用圖形化編程語言執行算法時發展算法思維。活動設計如下。

①情境導入，初步感知——教師播放消防機器人救援視頻，引導學生思考如何控制機器人行走，讓機器人參與救援行動。

②分析問題，抽象建模——教師引導學生認識什么是灰度傳感器，并帶領學生測量地圖上的黑色軌跡線和白色區域的反射光強度值，得出黑色區域用數值1表示，白色區域用數值0表示。學生利用紙模型在圖紙上模擬，具身感知顏色傳感器與軌跡線的位置有哪幾種情況并用自然語言進行描述。

③設計算法，編寫程序——教師先引導學生探究哪些控件可以實現機器人在巡線過程中判斷顏色，然后引導學生填寫流程圖，感知利用顏色判斷巡線過程的算法并利用分支流程圖再次厘清機器人巡線過程的執行情況，最后要求學生深入剖析程序，將問題進行抽象理解后編寫程序，建立算法與程序之間的關系。

④優化提升，感悟進階——教師引導學生觀察現在的程序是使用三個并列的條件判斷語句，并提示，為了讓算法更加高效，可以采用程序嵌套的方式來優化，幫助學生感悟算法的優化可以讓程序運行更高效，體會分支結構、循環結構在程序設計和生活中的重要價值。

活動成效：學生在參與機器人巡線活動的過程中，感知、了解了分支結構的特點，并在圖形化程序驗證算法時經歷完整的分析問題、設計算法、驗證算法的過程，深刻體會到利用計算機科學領域的思想方法來解決問題的途徑，計算思維能力得到了進一步的提升。

3.綜合運用知識，提升計算思維能力

從古至今，算法一直伴隨著人們的生活和學習，隨著時間的推移和生活效率的提升，人們對算法不斷優化，形成了很多行之有效的算法。這些算法讓人們在解決問題的過程中有了更多的選擇。一方面，在解決同一問題時，不同算法在時間效率上不同；另一方面，同一算法在不同數據規模下的執行次數不同，從而在時間效率上也不同。

（1）原有設計

“算法的效率”是第三學段“身邊的算法”單元的內容。教學目標為：知道算法步驟的執行次數與問題的規模有關，能根據求解問題的特征，在設計算法并通過程序執行算法的基礎上分析算法的執行效率；觀察并體驗采用不同算法解決同一問題在時間效率上的差別，優化生活、學習中的算法，了解算法對知識產權的保護作用等。常規的教學設計是“兩個事物作比較→感知不同的算法效率→評價總結”。

（2）設計思考

在上述過程中，學生理解的算法效率指的是直觀體驗意義上的效率，不同算法在解決同一問題時會產生時間效率上的差異，這種差異會導致人們在應用算法時有不同的體驗。因此，在教學中，教師要幫助學生通過辨析生活中的實例、設計算法、驗證算法等活動了解算法的影響，認識到算法的價值和局限性。

（3）改進設計

為了能用計算機更加高效和便捷地解決問題，人們需要不斷優化算法，從而提高算法的效率。因此，培養學生優化算法的能力非常重要。建議活動如下。

①生活規劃，體驗算法效率——教師引導學生思考去南京科技館應選擇何種出行方式，學生初步感知選擇的方式不同帶來的效率不同。接著，引導學生思考如何高效完成聽英語、整理房間、燒水、掃地、寫作業等任務。

②問題探究，感知算法效率——美術老師有八瓶顏料，其中有一瓶用了一點，可是由于沒有標記，不知道哪一瓶是用過的，那么，怎樣才能快速找出這瓶顏料呢？

預設：枚舉法和二分法。

教師引導學生了解每種算法的優勢以及使用的場合，知道在采用不同算法解決同一問題時，時間效率是不一樣的。

學生通過猜數字游戲，再次感知算法不同，時間效率也不同。

③鞏固拓展，明確時間效率——通過案例鞏固，讓學生進一步明確，不同的數據規模選擇的算法不同，而不同的算法帶來的時間效率也不同。

教師引導學生了解算法是人工智能的核心，有了優秀的算法可以更快、更高效地實現人們的目標，提高人們學習與生活的效率。

活動成效：通過生活中的規劃有效幫助學生感知并理解什么是算法的效率，利用編程語言呈現算法步驟的執行次數，以更直觀的形式使學生感受到算法的執行方式，初步建構了算法的時間效率這一概念。

結語

跨學科主題學習活動有利于提升小學生的計算思維，教師在教學中應不斷優化迭代教學，采用多元教學策略提升學生學習活動的參與度，從而提升其解決問題、建構知識、思維遷移的能力，以及數字化學習與創新的能力。

本文為江蘇省教育科學“十四五”規劃2023年度立項專項課題“跨學科主題活動培養小學生計算思維的教學策略研究”（批準號：C/2023/03/63）、南京市中小學教學研究第十五期立項課題“小學信息科技跨學科主題活動培養學生計算思維的行動研究”（批準號：2023NJJK15-L26）研究成果。