基于新課標發展計算思維的算法教學

基于“大概念+大單元”的教學設計，正通過廣泛融合項目式學習而異軍突起，成為時下熱門的教學內容及設計方法。如何正確地區分大單元與常規單元、大概念與教學模塊？本次解碼就讓我們從教學一線設計來觀察與論證，尋找大單元中大概念相互融合進行AI教學設計的路徑。

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

關鍵詞：信息科技；身邊的算法；計算思維

中圖分類號：G434 文獻標識碼：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《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）、發展學生計算思維的算法教學課程實踐，是筆者近期在課題研究中的實踐探索。筆者根據生活中常見的掃地機器人，設計“機器人路線巧規劃—妙用循環結構”學習項目，讓學生基于真實的問題情境分析問題，學習算法中的循環結構的科學原理，并結合編程靈活應用，創作掃地機器人數字化作品，在“做中學、用中學、創中學”，在體驗計算機運用科學原理與技術解決問題過程中，引導學生領悟科學原理，發展學生的計算思維核心素養，提升學生科學探究、跨學科解決問題的關鍵能力，實現“科學原理與實踐應用并重”的學科育人目標。

“身邊的算法”課程教學實踐的背景

“身邊的算法”是信息科技小學階段五、六年級重點學習的內容，是發展學生計算思維核心素養的關鍵單元。但當前的算法教學存在兩個誤區：一是側重編程邏輯思維的培養，忽視了算法的原理與計算機系統結構的分析；二是在新課標中的算法科學原理部分增加后，教師又選擇了教師講、學生聽的傳統教學方式，重點關注學生學習算法的科學原理，忽視引導學生運用編程技術實現算法問題，缺乏對學生高階思維能力的培養。

因此，新課標下的“身邊的算法”教學實踐需要以計算思維培養為核心，重新構建新內容、開展新實踐、探索新策略。“身邊的算法”單元教學既要走出“技能訓練”的編程教學，也要防止掉入“坐而論道”的原理學習。

新課標背景下“身邊的算法”課程教學實踐策略

針對新課標背景下算法教學的現狀，有學者倡導以計算思維為核心，以算法為目標，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，實現科技教學的科與技并重。在這種教學理念的支持下，筆者開展了基于新課標發展計算思維培養的算法教學實踐。其本質就是在新課標的指導下，基于真實問題情境，引導學生運用計算機科學的思維方法與思維活動，利用計算機工具（算法的科學原理、編程技術、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、設計算法、編程調試驗證等步驟。

基于此，筆者架構了新課標背景下發展計算思維的算法教學的實施模式（如圖1），其中，明線是教學組織的5個環節，暗線是算法學習的6個步驟（學科知識學習的邏輯），涵蓋了發展學生計算思維核心素養的6個階段。

新課標背景下“身邊的算法”課程實施教學案例

下面，筆者以“身邊的算法”為例，展示具體教學，教學流程如圖2所示。

1.創設情境，引出算法問題

教師創設情境：很多人家里都有掃地機器人，你知道它為什么可以自動清掃所有房間的衛生嗎？請大家帶著疑問，觀看視頻。

學生很容易發現掃地機器人的奧秘，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）能夠讓機器人按照規劃好的路線邊走邊打掃。

教師提出問題：在前面的課程中，我們學習了順序、選擇結構等基礎的算法知識，那么機器人自動掃地背后又隱藏著怎樣的算法呢？從而引出本節課主題。

設計意圖：通過在生活中創設問題情境，引出關鍵的算法問題，激發學生興趣與思考。

2.體驗算法，頭腦風暴

師生互動：學生上臺體驗“掃地機器人路線巧規劃”范例作品，掃地機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，你發現了什么？引導學生思考，并討論關鍵問題—機器人行走的路線有什么規律？過程是怎樣的？

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

師生互動，結合課前范例作品，逐步分析機器人路線規劃背后的算法關鍵—循環結構。

設計意圖：以學生為主體，引導學生理解機器人行走路線的規律，嘗試將復雜的算法問題分解為一個個簡單的算法問題，培養學生分析問題、分解問題的能力。

3.合作探究，算法實現

（1）如何利用算法編程實現？

任務1：掃地機器人按弓字形路線向右行走。

①參考范例，分析機器人走弓字形過程的第一步，引導學生提煉關鍵詞—勻速向右、邊走邊掃、遇到邊緣停止。

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

③如何實現遇到邊緣停止？師生互動，探索關鍵—重復執行直到，并示范編程驗證。

④學生完成任務1，教師總結并提問：什么是直到循環呢？

⑤觀看微視頻，認識“直到循環”，初步了解循環的兩個要素：循環條件與循環體。接著學生上臺，將任務1程序中的循環條件與循環結構拖入循環結構流程圖（如圖3），初步感知直到循環的結構，嘗試理解循環體與循環條件。

設計意圖：通過感知直到循環的結構，初步理解循環的要素—循環條件與循環體。以教師為主導，依托編程，探究算法，解決問題，引導學生做中學、學中做，體現編程與算法原理并重。

（2）機器人下一步又如何行走？如何編程實現？

任務2：觀察分析機器人走弓字形過程的第二步。

①引導學生提煉關鍵詞—勻速向下、邊走邊掃、移動固定距離。

②結合任務1的編程知識與方法，學生示范，調整積木—“面向180方向”。

③實現移動固定距離：師生互動，探索關鍵—重復執行（）次，并探索嘗試發現：重復執行20次移動距離剛好合適。

④學生參考學習文檔，實踐任務2：向下走。

⑤學生完成任務2，教師總結并提問：什么是計數循環？

⑥觀看微視頻，認識計數循環，初步了解計數循環與直到循環的異同—循環條件不同。

⑦學生上臺，將任務2程序中的循環條件與循環結構拖入計數循環結構流程圖（如下頁圖4），初步感知計數循環的結構，深入理解循環體與循環條件。

設計意圖：通過感知計數循環的結構，再次理解循環的要素—循環條件與循環體。幫助學生深入觀察分析機器人行走的過程，理解計數循環與直到循環，指導學生針對不同的情境，運用不同的循環結構編程實現機器人行走。

（3）從提出問題到解決問題，“弓字形”剩下的兩步又如何走？

①繼續分析機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引導學生分析第三步的往右走與第一步的往左走，發現關鍵—改變方向，改變循環條件，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學生參考學習文檔，實踐任務3：走完4步（如下頁圖5）。通過應用任務1與任務2的知識方法，引導學生快速解決任務3的問題，從而實現知識的遷移與運用，關注“技術輸出”。

（4）拓展任務：規劃全屋路線

學生運用本節課所學的計數循環，自主探索，完成拓展任務，如添加聲音、語音等功能，讓掃地機器人更有人性化，更富創意。

設計意圖：通過拓展任務，引導學生做中學、學中創，從而實現學生的分層教學，注重學生個性化表達與創新精神。

4.作品分享，師生互評

學生上臺分享展示作品，教師引導反思程序。教師結合板書，依據作品評價標準（任務完成度），展開師生互評，從而引導學生體驗編程樂趣，學會分享，學會評價。

5.總結內容，拓展質疑

①師生互動：借助思維導圖，共同總結本節課所學。

②教師提出拓展任務—生活中還有哪些使用循環結構解決問題的實例，并展示紅綠燈、電梯、上課鈴聲等，引導學生運用所學，拓展認知。

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學生觀看微視頻，發現房間有的區域不能打掃，這時教師引導學生認識當前算法的局限性。

⑤呈現掃地機器人為解決各種復雜環境下的路線問題設計了多種算法技術，引導學生應用算法讓世界更智能更美好。

結語

本節課緊緊圍繞新課標的課程內容要求，基于真實的算法問題，通過5個環節，層層深入，重點引導學生經歷算法學習的6個步驟，在真實的情境中，引導學生理解算法中的結構，并運用編程知識、技術與工具創作作品，發展學生的算法思維。

參考文獻：

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

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