基于信息科技課程標準的小學算法實驗教學研究

摘要：本文是基于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，結合教育部《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》中的基本實驗活動，針對第三學段“身邊的算法”教學內容，以“布豐投針”實驗為例，運用實驗教學方法，在五年級十個班級進行實驗教學，對小學算法實驗教學進行實證研究的成果。在實證研究過程中，將“布豐投針”實驗與算法概念相結合，引導學生進行算法設計的思維訓練，讓學生在實驗活動中親身體驗算法，感受算法的魅力，加深他們對算法概念及其應用的理解，培養學生的信息意識和計算思維。

關鍵詞：算法 計算思維 課程標準 實驗教學 “布豐投針”實驗

引言

2022年4月，教育部印發了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）。計算思維是新課標設定的四大核心素養之一，而算法又是計算思維的核心要素，因此，算法教學的重要性不言而喻。新課標將第三學段五年級的教學內容設定為算法，然而，算法的概念較為抽象，對小學生來說難以理解。本文探討了在新課標的理念指引下，如何運用實驗教學的方式，讓學生在實驗探究活動中體驗算法、感知算法，從而培養學生的創造力和解決問題的能力。

一、算法教學的意義

新課標基于新時代發展全民數字素養、提高大眾數字技能的新形勢、新任務，凝練了信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面的核心素養。由于算法是計算思維的核心，新課標將第三學段五年級“身邊的算法”教學模塊設定為“算法的描述”“算法的執行”“算法的效率”三部分內容。其目標是使學生了解利用算法求解簡單問題的基本方式，培養學生初步運用算法思維的習慣，并通過實踐形成設計與分析簡單算法的能力。

計算思維是指一種解決問題的思維方式，即將問題分解為可計算的步驟，并運用邏輯、抽象、算法等工具來解決問題。算法則是計算思維的具體體現，是解決問題的一系列明確而有序的步驟或指令。計算思維提供了解決問題的思維框架，而算法作為計算思維的實現方式，幫助我們將思維過程轉化為可計算的步驟。

算法教學對小學生發展具有重要意義，可以培養邏輯思維能力，激發創造力與創新精神，提高問題解決能力，增強數學能力，以及促進團隊合作能力與溝通能力的培養。這些能力對于小學生全面發展和未來的學習與工作都具有積極的影響。

二、傳統算法教學存在的問題

（一）缺乏動手實踐和與實際問題的聯系

傳統算法教學往往偏重于概念和理論的傳授，而缺乏與實際問題的聯系。同時，其缺乏可視性和操作性，學生只是消極地接受教師的講解和示范，無法親自動手實踐，難以直觀地理解算法的執行過程和結果。學生很難將所學算法知識與實際問題結合起來，缺乏在解決現實問題中的實際應用能力。

（二）缺乏互動、探究、合作學習的機會

傳統算法教學常采用傳統的教師講授和學生聽講的模式，缺乏學生之間的互動和合作學習。這種教學方式限制了學生之間的交流和探討，無法激發學生主動思考和合作解決問題。

（三）趣味性不足

傳統算法教學通常以抽象的理論知識為主，缺乏具體實踐和應用場景的引入。這使得學習缺乏真實感和動力，容易造成學生對算法學習缺乏興趣和動力，導致學習效果下降，學生難以理解算法的實際應用和意義。

三、實驗教學在小學算法教學中的應用

（一）實驗教學的定義和原理

實驗教學是一種基于實踐，通過實驗活動促進學生學習和理解的教學方法，通過讓學生進行實際操作、觀察、實驗和探究，培養學生的實踐技能、探究精神和問題解決能力。實驗教學注重真實的問題和情景，通過實驗的設計、操作和結果的分析，發現問題、解決問題并產生新的認識。實驗教學強調學生的主動參與和親身體驗，注重學生的實踐能力培養和知識的應用，因此，可以激發學生的學習興趣，提高學生的學習動力，并促使學生將理論知識與實際應用相結合，使學習更具實效性和深度。

（二）實驗教學在小學算法教學中的優勢

基于新課標“科”與“技”并重的理念，實驗教學突出了讓學生在“做中學、做中悟”的實踐過程，引導學生形成以“觀察—假設—實驗—研究”四個步驟為主體的科學思考方法，培養問題解決能力。實驗過程驗證提供了實時反饋和調試的機會，展示了可視化的算法執行過程，促進團隊合作與討論，加強理論與實踐的結合。這些優勢有助于學生更好地體驗和理解算法，提高問題解決能力和創造性思維能力。

四、“布豐投針”實驗教學的設計和實施

（一）“布豐投針”實驗概述

18世紀，法國著名的博物學家喬治·布豐做了一次著名的“投針”實驗，實驗主要步驟是在一張畫有多條等距平行線段的白紙上，隨機投擲針若干次，觀察記錄針與平行線相交的次數，再用投擲總次數除以相交次數。經過反復實驗，得出當針的長度等于間距的一半時，那么投擲的次數越多，計算結果越接近于圓周率的結論。

（二）實驗教學目標和教學內容設計

教學目標是基于實驗教學過程中理解、探究、結論三方面進行設定的，包含“觀察、假設、實驗、研究”的科學思考方法。

（1）學生能夠通過傳統實驗發現問題，主動尋求采用信息科技手段解決問題。（對應核心素養目標：信息意識）

（2）學生能夠對傳統實驗進行抽象，分解實驗步驟，建立問題模型，以自然語言和流程圖的方式對“布豐投針”實驗進行算法設計。（對應核心素養目標：計算思維）

（3）學生能夠使用實驗仿真程序對算法進行結果驗證，感受算法的魅力。（對應核心素養目標：數字化學習與創新）

（4）學生能夠通過實驗背后的數學學科知識，了解我國古代光輝燦爛的數學歷史文化，提升民族自豪感，增強民族自信。（對應核心素養目標：信息社會責任）。

（三）實驗教學方法和教學資源準備

實驗方法主要是變量控制法，教學過程運用演示法、對比法和小組合作探究法。教學資源主要有A3彩色卡紙、牙簽（若干）、數據記錄表、筆、計算機、Scratch編程平臺和“布豐投針”實驗算法仿真模擬程序。

（四）實驗教學過程規劃和設計

1.活動一：古老實驗我會做（觀察）

將學生分成若干小組，用牙簽替代針，進行傳統方式的“布豐投針”實驗，觀察并記錄實驗結果，增強實驗活動體驗，理解實驗原理和步驟。讓學生觀察不同投擲次數時的實驗結果特征，同時說說實驗過程體會，感受傳統實驗方式的劣勢，啟發學生形成使用計算機進行模擬實驗的思路。

2.活動二：實驗算法我設計（假設）

根據實驗結果引出假設：當投擲次數達到一定數量時，實驗結果會趨向圓周率∏數值。為了提升驗證效果，擴大實驗參數，確定使用計算機進行模擬仿真操作之后，引導學生用自然語言描述“布豐投針”實驗的步驟，教師輔以流程圖進行呈現，然后組織學生討論，分析和歸納完成實驗所需要的素材。最后引導學生思考實驗中涉及哪些參數，比如投擲的次數、間距、交點個數等，選擇控制哪個實驗變量的變化，確定實驗方案。

3.活動三：實驗算法我驗證（實驗）

讓學生分小組按照確定好的實驗方案，嘗試執行“布豐投針”實驗算法模擬程序，并記錄運行結果。學生結合各項參數對程序運行結果進行觀察分析，驗證實驗結論，并在教師指導下，完成實驗報告的填寫。

4.活動四：奇妙算法我了解（研究）

在實驗結論展示過程中，以跨學科融合方式，結合五年級數學學過的“列表法”和“條形統計圖”呈現實驗結果，以便學生更直觀地進行對比，理解實驗的過程和結果，驗證實驗結論，同時增強學生對學過的數學知識的運用能力。

最后，拓展介紹古代一些圓周率計算方法使學生理解科學家們解決問題的不同思路，感受算法的魅力；介紹中國古代在圓周率計算上取得的輝煌成就，提升學生的民族自豪感。

（五）實驗教學過程

實驗教學過程是按照前文實驗教學中四項活動的設計實施的。

1.活動1：古老實驗我會做

（1）激趣導入，通過介紹“布豐投針”實驗的故事，創設情境，激發學生的學習興趣。

（2）了解實驗操作步驟之后，在實驗前強調實驗操作時的安全要點。小組分工合作，在卡紙上按要求繪制平行線、組內討論投擲次數等測試數據。然后，學生輪流使用傳統方式（用牙簽替代針）進行模擬投針實驗，并及時記錄實驗結果。

（3）讓學生分小組進行匯報，說說實驗結果和自己的感受。交流傳統實驗方式的優缺點，鼓勵學生思考解決問題的方法。

2.活動2：實驗算法我設計

（1）引導學生說出使用計算機模擬“布豐投針”實驗的想法，學生匯報“布豐投針”實驗的步驟，師生共同梳理實驗過程。

（2）學生用自然語言和流程圖兩種方式描述“布豐投針”實驗的操作步驟，教師對學生的語言進行糾正、完善，同時借用流程圖進一步幫學生理清思路，設計好實驗的算法。

3.活動3：實驗算法我驗證

（1）在實驗前，小組內討論模擬實驗時的投擲次數等測試數據，確定投擲次數后，運行計算機程序模擬“布豐投針”實驗，記錄每輪輸出的結果。學生完成實驗報告單上的數據表格填寫和條形統計圖的繪制，分析結果數據特點。

（2）使用計算機仿真程序對“布豐投針”實驗進行實時動態仿真模擬展示，仿真結果以折線統計圖的方式呈現，隨著投擲次數不斷增加，結果越接近圓周率值。

4.活動4：奇妙算法我了解

實驗拓展：視頻介紹常見的圓周率計算方法，以“割圓術”為例，引導學生理解科學家們觀察、研究問題的各種奇妙思路，從而感受算法的魅力。鼓勵學生用不同的方法解決生活中的常見問題并嘗試設計解決問題的算法，逐漸培養學生的計算思維。

五、實驗教學的評價和效果分析

在進行小學算法實驗教學的研究時，數據收集和方法分析是至關重要的。數據收集主要通過觀察學生在實驗教學中的表現和參與情況，同時，使用錄像設備記錄實驗過程和學生的反應。課后運用“問卷星”設計問卷調查，收集學生對實驗教學的看法、反饋和體驗。

各項數據分析結果表明，實驗教學效果非常顯著。在小學算法實驗教學中，學生參與度高，得到的理解和實踐經驗也更加深入。

實驗教學還將學習與實際場景相結合，實際問題的解決，激發了學生的學習動力和興趣。學生們在解決問題的過程中，體會到算法的應用和價值，提高了他們對算法學習的興趣和熱情。他們不再將算法視為抽象的概念，而是將其應用到實際生活中，提高了對算法的實際應用能力。

六、小學算法實驗教學的啟示和展望

小學算法實驗教學具有培養思維能力、提高編程技能、激發興趣和提高團隊合作能力等優勢。然而，教師需要充分考慮學生的認知能力、師資和資源限制、時間限制及評估難度等局限性，特別是小學生的認識能力有限，對算法實驗主題的選擇和實驗內容的簡化是難點，在實踐中需要精心設計，以達到更好的教學效果。

小學算法實驗教學通過實踐操作，培養學生的問題解決能力和算法運用能力，提升他們的創新思維和邏輯推理能力，以應對日益數字化的未來社會需求。這種教學方式能激發學生的學習興趣和動力，培養他們的合作與溝通能力，以及信息社會責任意識，使他們成為具備綜合素養和適應未來挑戰的終身學習者。

研究結果表明，小學算法實驗教學可以有效解決傳統算法教學中的直觀性差、理解難度大、應用場景缺乏、缺乏動手實踐和合作交流等問題，充分提高了學生的參與度，并且增強了學生的學習興趣。通過實踐操作和創造性思維，學生能夠親身經歷實驗過程，對算法的運用擁有完整的體驗，因此，更容易投入學習，提高對算法的理解和應用能力。

小學算法實驗教學的跨學科整合有助于拓寬學生的知識面，將算法與數學、科學、藝術等學科有機結合，能促進學科的綜合發展，培養學生的綜合素養。

參考文獻：

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責任編輯：黃大燦