基于實驗教學的小學信息科技編程算法實踐研究

摘要：本文選取新課標第三學段“身邊的算法”的內容模塊，以Python for循環語句為例，設計以實驗為基礎的學習活動，旨在探索和解決編程算法原理探究與科技實踐應用的挑戰，有效提升學生核心素養。

關鍵詞：實驗教學；小學信息科技；編程算法

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）22-0000-03

問題提出

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確提出信息科技課程“要遴選科學原理與實踐應用并重的課程內容，體現‘科’‘技’并重”。《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》梳理了新課程理念下構建學科核心概念、核心規律、核心實驗素養與技能所應開展的基礎性實驗及實踐活動，其中包括信息科技、信息技術、編程等豐富多樣的實踐活動形式。教育部在發文《加強信息科技實驗教學，發揮信息科技育人價值》中強調：“在信息科技課程教學中，必須重視學科實踐和實驗教學。”然而，在現實的教學中，小學信息科技編程教學注重編程技能的培養，缺乏對原理和問題的探究。這種教學模式限制了學生創新思維和創造能力的培養，同時，實踐活動的缺乏也影響了學生將理論知識應用于實際問題解決的能力。為探索和破解編程算法原理探究和科技實踐實施的難題，有效落實新課標的要求，提升學生的核心素養，本文選取新課標第三學段“身邊的算法”的內容模塊，基于learnsite學習平臺和筆者自主開發的思維可視化交互學習工具，以Python for循環語句為例，設計探究循環算法原理的實驗學習。

教學設計

本課選自新課標第三學段“身邊的算法”的內容，引入了生活中的實例——中式古建筑的花窗圖案。本課的教學目標為：通過實驗探究理解算法的循環控制結構；能用自然語言、流程圖描述算法；通過明確的、可執行的操作步驟描述問題的求解方案，并用程序進行驗證，得出結論；把實驗結論應用到實際案例中，解決問題。

1.創設情境

教師展示中國的古典建筑——花窗圖案，介紹花窗圖案的寓意。在學生了解多個花窗圖案和寓意后，教師提出問題：“同學們能發現這些花窗圖案有什么規律嗎？”學生回答：“這些花窗圖案是由某個圖形重復旋轉或平移得到的。”教師強調這個圖形為循環算法中的“基礎圖形”。教師通過深入提問“計算機編程中如何快速畫出這些有規律的重復圖案呢？”進一步引發學生思考。六年級的學生在五年級上冊已經學習了編程貓中的重復執行積木，但當時學生只了解角色動作的重復執行，對其中的原理缺乏深入的探究。教師播放微課，回顧編程貓的重復執行積木，并引出Python for循環語句。

2.實驗探究

與編程貓的重復執行積木不同，Python編程中的for循環語句在每一次循環中都有一個參數在不斷發生變化，這個參數讓循環執行擁有了“判斷力”。每次循環，判斷循環參數是否還在序列中。如果在，取出該值提供給循環體內的語句使用；如果不在，則結束循環。教師引導學生進行試驗探究，讓學生在實驗中獲取循環算法的原理，在實驗探究中完成教學目標。

實驗探究共分為四個步驟，即分析問題、提出假設、實驗驗證、得出結論。學習小組利用筆者設計的思維可視化交互學習工具，通過實驗探究理解for循環算法的原理和用法，培養計算思維。

（1）分析問題

學生通過微課掌握了for循環語句的基本結構，并了解了控制循環次數的關鍵語句。通過Python語言中獨特且嚴格的縮進規則讓學生明白在for循環中如何正確使用基本的控制語句。教師提供了一段程序代碼，學生需要根據這段代碼分析出循環體中生成的基礎圖形，并使用畫筆在交互學習工具中畫出來。學生將獨立完成這一步驟，通過他們繪制的基本圖形，教師可以獲取反饋，從而判斷學生是否已經理解for循環語句的結構。這樣的反饋有助于教師評估學生的理解程度，并據此調整教學策略，以確保實驗探究活動能夠順利進行。

（2）提出假設

學生通過小組合作的方式，積極討論并推測基礎圖形在循環中的重復執行次數。他們需要利用交互學習工具模擬并繪制出重復后的完整圖案，這個過程讓學生的思維可視化，為小組討論、分享思考的過程提供了支架。在這個過程中，變量i的變化是關鍵，學生不僅要猜測i的初始值和最終值，還要探討在每次循環迭代中i的具體變化，并詳細記錄這些變化。在實驗探究的過程中，學生提出的假設并非無中生有，而是基于他們已有的知識和經驗，對實驗過程進行合理的推論和預測。教師可以通過學生的假設觀察他們的思維過程，了解他們是如何將已有知識與新問題聯系起來的。這種基于假設的探究方式不僅能夠激發學生的好奇心，促使他們積極思考問題的多種解決方案，而且還能鼓勵學生運用邏輯推理來構建合理的解釋。這樣的過程有助于培養學生的批判性思維能力，使他們能夠更加深入地分析問題，評估不同解決方案的可行性，并從中選擇最佳的解決路徑。

（3）實驗驗證

學生通過登錄learnsite學習平臺，自主運行Python程序來進行實驗驗證。這一步驟學生能夠獨立操作。隨著程序的執行，他們將深入理解Python中for循環的語法結構及算法原理。學生需要仔細觀察Python海龜如何根據基本圖形畫出重復后的圖案，記錄變量i在每次循環迭代中的變化情況，并將這些觀察結果與先前的猜想進行對比，驗證其一致性。這種觀察過程對于學生把握循環邏輯的原理至關重要，它不僅幫助學生形成準確的結論，還有助于培養他們的觀察力、分析力和邏輯思維能力。這一過程也鼓勵學生勇于提出假設，并在實踐中檢驗這些假設，從而不斷優化自己的思考和解決問題的方法。

（4）得出結論

在完成實驗驗證后，學生進入結論提煉階段。他們將仔細對比最初的猜想與實驗得到的結果，通過這種對比分析，學生能夠明確得出實驗結論。具體來說，他們將理解在for i in range（n）循環算法中代碼塊會重復執行n次，而變量i則會從0開始依次變化，直到n-1；而i每變化一次，控制體中的基本圖形將重復執行一次；當i不滿足循環體條件時，即i大于等于n時，循環將結束。這一發現幫助學生深入理解了for循環算法的工作原理，并且強化了他們對循環控制結構的認識。

得出結論的過程涉及對實驗探究中收集的所有數據和觀察到的結果進行系統的整理和分析。通過這樣的實踐，讓學生學會了如何從復雜的現象中提煉出本質規律，并將這些規律應用到新的情境中去，這對于培養他們解決實際問題的能力具有重要意義。此外，這種基于證據的推理過程也讓學生認識到，科學結論的形成是一個嚴謹的思考過程，需要有充分的證據和進行合理的論證。

最后，教師對實驗探究過程進行了細致的反饋，并對此進行了小結，重點闡釋了for循環算法的工作原理。針對學生的實驗結果和遇到的問題，教師適時引入了教學微課，這種教學方法確保了教學內容能夠根據學生的學習情況和需求來調整，實現了以學定教。

3.實踐應用

在本環節，教師引導學生進行小組合作，學以致用。學生以小組為單位選擇其中一個花窗圖案在交互學習工具上進行分析并記下步驟。學生在小組內討論出算法，組長則負責在工具里畫出來和寫下步驟；小組各成員在自己計算機上編寫程序、調試程序，保存上交；完成的學生可欣賞其他小組的編程作品，并給予點贊和評分；最后，教師邀請小組上臺展示設計思路和程序。通過實踐應用環節，讓學生把掌握的知識應用到實際案例中，使學生對for循環語句有了更深的理解。

4.分享小結

在課堂的最后階段，教師鼓勵學生分享學習心得，并共同回顧本課的重點和難點。這一過程不僅鞏固了所學知識，而且促進了學生之間相互學習和思想交流。

教學反思

1.借助教學資源和平臺，搭建學習支架

實驗教學與編程算法教學相結合的課堂實踐需要教師給學生提供及時且充足的學習支架，讓學生能夠有效地利用各種學習資源，主動積極地開展實驗活動。在本節課中，學生能借助筆者自主開發的思維可視化交互學習工具分析for循環語句的基礎圖形，猜想循環一定次數后畫出的圖形，對變量i的變化進行判斷和填空，快速地保存結果，并把分析結果通過learnstise平臺與其他同學進行分享。因為有了交互學習工具和learnsite學習平臺輔助教學，學生的思維變得可視化、可分享，小組的實驗探究、交流的時間大大縮短。同時這樣也能記錄學生實驗探究的過程，記錄學生的學習數據和成果，方便教師根據反饋調整教學。

2.充分設計實驗探究活動，創新教學內容

實驗教學與編程算法教學相結合的課堂實踐關鍵在于實驗活動的設計。作為信息科技教師，要對教學內容進行優化，并充分結合學生的認知特點，設計生動有趣的實驗活動，推進以學生為主體的學習方式創新。本案例結合小學六年級學生的認知特點，根據中國古典建筑中花窗圖案重復且有規律的特點進行情境創設，讓學生認識到程序能解決重復性問題，并進行for循環語句的探究，通過分析、假設、驗證、結論等環節，讓學生在自主探究中明白for循環語句的原理，化被動為主動，達到對問題的深入理解。

結語

本研究通過深入探討與實踐，見證了實驗教學法在小學信息科技編程算法教學中的顯著成效。實驗結果表明，這種教學方法能夠顯著提高學生對算法的理解和應用能力，同時也增強了他們的創新意識和實踐技能。未來，我們將繼續探索和優化教學策略，以期在小學信息科技教育領域取得更加豐碩的成果，為培養下一代的領軍人才奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022．

[2]熊璋.“科”“技”并重：義務教育信息科技課程標準解讀——訪義教信息科技課標組組長熊璋教授[J].中國信息技術教育，2022（09）：4-7．