驗證性實驗教學探析

〔摘" "要〕" 信息科技的快速發展使小學信息科技教育備受關注，其中實驗教學對于提升學生的信息素養和實踐能力至關重要。本文探討了小學信息科技實驗教學的價值，強調其在培養學生的創新思維、實踐能力和解決問題能力方面的作用，并將圍繞“雞兔同籠”問題，以義務教育信息科技教學指南五年級下冊《窮舉算法的設計與驗證》實驗教學為例，通過系統的設計思路、實施步驟及效果評估，對驗證性實驗教學過程進行設計和實施，提升學生的信息素養和算法思維能力，這項研究為小學信息科技實驗教學的開展提供了參考。

〔關鍵詞〕" 信息科技；實驗教學；驗證性實驗；信息素養

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）21" " 0073-03

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的發布，信息科技課程正式轉型，不再僅僅是信息技術的簡單應用，而是更加注重“科”與“技”的并重，強調學生信息素養、創新能力和實踐能力的培養。2023年《教育部等十八部門關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》頒布，強調了實驗教學在培養學生科學素養和創新能力中的關鍵作用。實驗教學作為一種新型的教育方式，注重學生實踐和創新能力的培養，符合教育創新的需求。本文以義務教育信息科技教學指南五年級下冊《窮舉算法的設計與驗證》實驗教學為例，深入探討小學信息科技實驗教學的實踐研究，對驗證性實驗教學過程進行設計和實施，旨在揭示實驗教學在提升學生信息素養、實踐能力和問題解決能力方面的獨特作用，并為小學信息科技實驗教學的設計與實施提供有益的參考和借鑒。

一、小學信息科技實驗教學的價值分析

小學信息科技實驗教學在培養學生信息素養、提升實踐能力以及問題解決能力等方面展現出了明顯的價值。

（一）培養學生信息素養

實驗教學通過讓學生親手操作、親身體驗，加深學生對信息科技基本概念和原理的理解，有效提升了學生的信息素養。例如，在《窮舉算法的設計與驗證》實驗中，學生通過編程實現算法，不僅掌握了算法設計的基本步驟，還學會了調試程序、分析算法效率等，這些技能對于未來在信息科技領域的學習和工作都至關重要。

（二）提升學生實踐能力

實驗教學強調動手操作和實踐應用，使學生在實踐中鍛煉了解決問題的能力和創新思維。通過參與實驗活動，學生能夠將理論知識轉化為實際技能，如使用編程工具、調試程序、分析數據等。這些實踐能力的提升，為學生未來的學習和職業發展奠定了堅實的基礎。

（三）培養學生問題解決能力

實驗教學通過創設真實或模擬的問題情境，引導學生主動探索、分析問題并提出解決方案。在《窮舉算法的設計與驗證》實驗中，學生需要面對算法設計、程序調試、效率分析等多個問題，通過不斷嘗試和調整，最終找到解決方案。這一過程不僅鍛煉了學生的問題解決能力，還培養了他們的耐心和毅力。

（四）發展學生創新思維

實驗教學鼓勵學生自主設計實驗方案、嘗試新的方法和思路，激發學生的創新思維。在實驗過程中，學生可以充分發揮想象力和創造力，提出獨特的見解和解決方案。這種創新思維的激發，對于學生未來的學習和工作都具有重要的意義。

二、驗證性實驗教學及窮舉算法

（一）驗證性實驗教學概述

信息科技課程實驗教學是培養創新人才的重要途徑。魏雄鷹在文章《加強信息科技實驗教學發揮信息科技育人價值》中提到：“義務教育信息科技基本實驗目錄涵蓋了驗證性實驗、探究性實驗、創新應用性實驗和虛擬仿真實驗等實驗類型。”驗證性實驗教學是信息科技實驗中最基礎也是最常見的類型之一，其目的是通過實踐驗證或證明特定的現象或理論。它基于已知的科學原理或理論知識，通過實驗操作來驗證或證明這些原理或知識的正確性。學生可以通過編程實驗來驗證算法設計的正確性、驗證程序代碼運行效率、驗證過程與控制系統的設計方案的可行性、驗證物聯系統中控制與反饋等。這種實驗方法注重培養學生的實踐動手能力和辯證思維能力，幫助學生鞏固和應用所學的理論知識。

（二）窮舉算法概述

算法，作為計算思維的核心要素之一，扮演著至關重要的角色。它不僅是人工智能得以廣泛應用于我們生活各個領域的三大支柱之一，而且是推動科技進步和創新的關鍵驅動力。在新課標中，針對五年級學生的學習內容，特別設計了“身邊的算法”這一模塊。通過這個模塊，學生將能夠接觸到日常生活中的各種算法實例，從而理解如何利用算法來解決實際問題。這不僅有助于學生掌握求解簡單問題的基本方法，而且能夠培養他們運用算法思維來思考問題的習慣。通過一系列的實踐活動，學生將逐步形成設計和分析簡單算法的能力，為他們未來在更復雜問題上的算法應用打下堅實的基礎。

窮舉算法，作為一種基礎的算法策略，其核心思想是通過逐一檢查所有可能的選項來找到問題的解決方案。這種方法雖然在效率上可能不是最優的，但它簡單直觀，易于理解和實現。在“身邊的算法”模塊中，窮舉算法可以作為教學的一個重要工具，幫助學生理解算法解決問題的基本原理，并且在實際操作中體驗算法的力量。在“雞兔同籠”問題中，學生可以運用窮舉算法，通過列出所有可能的雞和兔的組合，來計算出符合題目條件的答案。這種方法不僅能夠加深學生對問題的理解，而且能夠鍛煉他們的邏輯思維能力和解決問題的技巧。本文將圍繞“雞兔同籠”問題，通過《窮舉算法的設計與驗證》實驗教學設計與實施，對小學信息科技驗證性實驗教學進行探索研究，旨在通過實踐教學，讓學生在解決具體問題的過程中，深入理解算法的原理和應用，提高信息科技素養。

三、《窮舉算法的設計與驗證》實驗教學設計與實施

（一）確定實驗目的

本次實驗教學的目的是讓學生深入理解窮舉算法的基本原理，掌握使用流程圖描述算法的方法，并通過源碼編輯器編寫程序來驗證算法的正確性。通過該實驗，學生還能對比不同輸入數據規模下的算法執行次數，從而分析算法效率，培養計算思維與科學探究能力。此外，實驗還旨在提升學生的動手實踐能力，加深對算法設計和編程實現的理解。

（二）了解實驗原理

該實驗原理主要包括窮舉算法的基本原理和算法效率分析。窮舉算法是一種通過遍歷所有可能的解來驗證是否滿足條件的算法，它在解決某些特定問題時非常有效。在“雞兔同籠”問題中，窮舉算法通過遍歷所有可能的雞和兔的數量組合，找到滿足總頭數和總腳數條件的解。算法效率分析則通過記錄程序執行次數，理解輸入數據規模對算法執行時間的影響，從而評估算法在實際應用中的可行性。

（三）準備實驗材料和設備

本次實驗所需的材料和設備包括軟件工具（如源碼編輯器，支持變量、循環和分支結構模塊）、輔助材料（如導學案、流程圖模板、實驗任務單、微課視頻教程）以及硬件設備（如計算機，需安裝源碼編輯器及實驗程序）。這些材料和設備為學生提供了必要的實驗條件，確保實驗能夠順利進行。

（四）實施實驗過程

1.填寫流程圖，理清算法邏輯

步驟描述：首先，教師引導學生回顧“雞兔同籠”問題的數學解法，然后介紹窮舉算法的基本概念。接著，學生根據導學案中的列表法示例（如頭數8，腳數26），使用流程圖模板補全窮舉算法流程圖。

教學過程：教師通過提問和討論的方式，幫助學生理解流程圖中的每個步驟和邏輯關系。例如，詢問學生“為什么我們需要初始化雞數為0？”或“循環終止條件是什么？”等問題，以引導學生深入思考。

2.編寫程序，驗證算法正確性

步驟描述：在源碼編輯器中，學生根據流程圖編寫程序，實現窮舉算法。學生編寫程序時，需要設置雞和兔的總頭數和總腳數作為輸入參數，然后使用循環結構遍歷所有可能的雞和兔的數量組合。程序應包含變量聲明、循環結構、條件判斷、輸出結果等部分。編寫完成后，學生運行程序驗證輸入數據的正確性，并調試程序以確保其正常運行。

教學過程：教師提供示例代碼或代碼片段，幫助學生快速上手。同時，鼓勵學生分組合作，相互討論和解決問題。在調試過程中，教師引導學生使用斷點調試、逐步執行等方法，幫助學生找到并修正程序中的錯誤。

3.分析算法效率

步驟描述：學生修改程序，添加執行次數變量，記錄不同輸入數據規模下的執行次數。通過對比數據，分析算法效率與數據規模的關系，得出算法效率的相關結論。

教學過程：教師引導學生設計不同的輸入數據規模，運行程序并記錄執行次數。隨后，學生使用圖表或表格等形式展示數據，并進行分析和討論。通過分析不同輸入數據規模下的執行次數，學生可以發現算法效率與數據規模之間存在一定的關系。例如，當輸入數據規模較小時，算法執行次數較少；而當輸入數據規模較大時，算法執行次數顯著增加。這有助于學生理解算法效率的重要性，并激發他們探索優化算法的興趣。

四、《窮舉算法的設計與驗證》實驗教學效果評估

（一）學生表現與反饋

在整個實驗過程中，學生總體表現出較高的參與度和學習熱情，大多數學生能夠積極投入實驗討論和操作中，對窮舉算法產生濃厚的興趣。通過實驗，學生有效掌握了窮舉算法的基本原理和應用方法，對變量、循環和分支結構的使用有了更深入的理解，并學會了調試程序和糾正錯誤。同時，學生在團隊合作中展現出了良好的溝通能力和協作精神。

（二）實驗結果分析

算法正確性驗證。在實驗過程中，所有學生編寫的程序均能夠正確驗證“雞兔同籠”問題的解。通過對比不同輸入數據下的輸出結果，我們發現程序結果與預期結果完全一致。

算法效率分析。數據分析：通過分析不同輸入數據規模下的執行次數，我們發現算法執行次數與輸入數據規模成正比關系。例如，當輸入頭數為5時，平均執行次數為10次；而當輸入頭數為50時，平均執行次數則增加到了250次。這一結果驗證了算法效率與數據規模之間的直接關聯。

（三）教學效果總結

本次實驗教學取得了顯著成效，不僅成功實現了教學目標，幫助學生深入理解了窮舉算法的原理和應用，還培養了學生的計算思維和科學探究能力。任務驅動法、小組合作法和微課輔助法等教學方法和策略的有效運用，極大地激發了學生的學習興趣和積極性，提高了他們的自主學習和合作能力。

本文對小學信息科技驗證性實驗教學進行了實踐研究，通過《窮舉算法的設計與驗證》實驗教學的設計與實施，詳細介紹了驗證性實驗教學的設計思路、實施步驟及效果評估，驗證了其在培養學生信息素養、實踐能力和創新思維方面的獨特價值。未來，我們將繼續深化實驗教學改革，優化實驗設計，加強跨學科融合，探索更多創新性的教學模式和方法，以進一步提升學生的信息科技素養和綜合能力，為培養新時代創新人才貢獻力量。

【本文系2025年深圳市寶安區教育科學“十四五”規劃2024年度立項課題“基于核心素養的小學信息科技實驗教學課程的探索與實踐研究”的研究成果，課題編號：BAKG2024024】

參考文獻

[1]教育部，中央宣傳部，中央網信辦等18部門.關于加強新時代中小學科學教育工作的意見[S].北京：教監管〔2023〕2號，2023.

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

[3]魏雄鷹.加強信息科技實驗教學發揮信息科技育人價值[J].教育與裝備研究，2024（2）：12-15.

[4]吳良輝，彭燕.基于信息科技新課標的實驗教學研究[J].中國信息技術教育，2024（2）：21-23.

[5]郝曉娟.基于關鍵能力培養的初中信息科技實驗教學的實踐研究：以《互聯網基本原理與功能》實驗項目學習為例[J].中國信息技術教育，2024（9）：16-19.