跨學(xué)科融合理念下小學(xué)編程課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)踐

【摘 要】跨學(xué)科教學(xué)已成為各階段學(xué)校教育的新趨勢。在跨學(xué)科融合理念下，如何有效培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，是人工智能時(shí)代教育發(fā)展的一大重要問題。以“自然—人文—未來”為主題，對小學(xué)編程課程跨學(xué)科融合教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行架構(gòu)與設(shè)計(jì)，旨在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，提升學(xué)生的綜合能力與核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】跨學(xué)科;小學(xué)編程課程;任務(wù)設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2022）04-0044-06

【作者簡介】陳珍，南京河西外國語學(xué)校（南京，210019）小學(xué)部教科室主任，一級教師，主要研究方向?yàn)橹行W(xué)信息技術(shù)教育教學(xué)。

編程是發(fā)展人工智能的基礎(chǔ)?！缎乱淮斯ぶ悄馨l(fā)展規(guī)劃》提出，要“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”;[1]國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要讓中小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能課程;人工智能教育于2018 —2019年逐步加入初高中信息技術(shù)教材，等等。這些都進(jìn)一步說明了編程教育已經(jīng)逐步受到國家、學(xué)校、教師與家長的重視。[2]有效培養(yǎng)學(xué)生的編程思維是人工智能時(shí)代教育發(fā)展的一個(gè)重要課題。

在跨學(xué)科融合理念下，學(xué)生通過學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程，多途徑試驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅能打破學(xué)科壁壘，提升原始創(chuàng)新能力，還能在各學(xué)科學(xué)習(xí)中找到交叉點(diǎn)與突破點(diǎn)，自主選擇各學(xué)科知識點(diǎn)、能力點(diǎn)進(jìn)行整合與使用，有效提升自身綜合能力。那么，編程內(nèi)容如何有機(jī)融入信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)，又應(yīng)如何有效開展教學(xué)呢？筆者做了一些初步的嘗試。

一、小學(xué)編程課程跨學(xué)科融合教學(xué)活動(dòng)類型

教學(xué)活動(dòng)主題直接影響學(xué)生參與教學(xué)互動(dòng)的積極性和主動(dòng)性，最終決定教學(xué)活動(dòng)的實(shí)效。本文將跨學(xué)科融合案例融入校本編程課程教學(xué)，建構(gòu)小學(xué)編程課程跨學(xué)科融合教學(xué)活動(dòng)體系，完善了教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生成果的評價(jià)要求。為驗(yàn)證該教學(xué)模式的成效，本文以南京河西外國語學(xué)校小學(xué)三至六年級的學(xué)生為研究對象，規(guī)劃了現(xiàn)象（過程）模擬型、原理概念型和探索實(shí)踐型三類教學(xué)活動(dòng)。這三類教學(xué)活動(dòng)均融合了語文、數(shù)學(xué)、音樂、美術(shù)、科學(xué)、人工智能等學(xué)科相關(guān)知識點(diǎn)，學(xué)生在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的同時(shí)可將其他學(xué)科知識融會(huì)貫通，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和解決實(shí)際問題的能力。[3]

（一）原理概念型教學(xué)活動(dòng)

該類型教學(xué)活動(dòng)集中在三四年級實(shí)施，實(shí)施工具包括Scratch圖形化編程與Python代碼式編程。教師先將學(xué)習(xí)者需要掌握的知識點(diǎn)歸納為一個(gè)系統(tǒng)性的知識結(jié)構(gòu)，使學(xué)生通過系統(tǒng)化的反復(fù)體驗(yàn)與練習(xí)逐步掌握編程思維，形成一套問題解決模式。

原理概念型教學(xué)活動(dòng)可分為兩種：一是運(yùn)用編程的方法驗(yàn)證數(shù)學(xué)、科學(xué)、自然等學(xué)科中的概念;二是用編程的方法探索問題的多種驗(yàn)證途徑?；趯W(xué)生掌握的學(xué)科知識概念，并用編程的思路進(jìn)一步驗(yàn)證，不僅能促進(jìn)學(xué)生對于學(xué)科知識點(diǎn)的理解與思考，也能夠拓寬知識面，全面提升綜合素養(yǎng)。

（二）現(xiàn)象（過程）模擬型教學(xué)活動(dòng)

這類活動(dòng)集中在三至五年級實(shí)施，主要使用圖形化編程工具（如Scratch圖形化編程）?？紤]到小學(xué)很多學(xué)科中存在一些固有流程，如實(shí)驗(yàn)步驟、朗讀順序、課程安排等，教學(xué)活動(dòng)主要有游戲設(shè)計(jì)、故事描述以及藝術(shù)創(chuàng)作等，學(xué)生在此類活動(dòng)中要根據(jù)實(shí)踐過程的順序設(shè)計(jì)編程思路，最后整合成一個(gè)完整的算法過程。

例如，在學(xué)科實(shí)驗(yàn)-編程跨學(xué)科案例實(shí)驗(yàn)?zāi)M教學(xué)活動(dòng)中，我們設(shè)計(jì)了“光合作用”“肥皂方糖與牙簽”“可樂吹氣球”等主題任務(wù)。教學(xué)活動(dòng)實(shí)施過程中能夠明顯感受到課堂氛圍更加活躍，學(xué)生參與度大幅提高，原因主要有二：一是此類教學(xué)活動(dòng)編程算法難度不高，學(xué)生易于掌握;二是該類教學(xué)活動(dòng)是對生活中常見的實(shí)驗(yàn)過程的模擬，實(shí)用性較強(qiáng)，學(xué)生的接受度高。

（三）探索實(shí)踐型教學(xué)活動(dòng)

探索實(shí)踐型教學(xué)活動(dòng)以解決實(shí)際問題為核心，形式多樣，更具開放性，主要在五六年級進(jìn)行。在活動(dòng)過程中，學(xué)生可以在既定主題下自主發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、提出解決方案并自主發(fā)揮進(jìn)行創(chuàng)意表達(dá)，有利于充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，有效提高創(chuàng)新能力。

二、小學(xué)編程課程跨學(xué)科融合教學(xué)活動(dòng)案例設(shè)計(jì)規(guī)劃

學(xué)校結(jié)合各學(xué)科課程資源和學(xué)生實(shí)際需求，于三至六年級開設(shè)校本編程課程。課程教學(xué)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)法為主，以信息技術(shù)課堂為載體，以“自然—人文—未來”為主題，融合相關(guān)學(xué)科、領(lǐng)域的知識，設(shè)計(jì)多學(xué)科聯(lián)合的系列學(xué)習(xí)任務(wù)。

考慮到三四年級的學(xué)生初步接觸編程課程，在課堂任務(wù)設(shè)置重視趣味性的前提下，以原理概念型、現(xiàn)象（過程）模擬型活動(dòng)為主，激勵(lì)學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)問題、探究問題和解決問題。五年級的學(xué)生有一定的編程基礎(chǔ)，教學(xué)主題任務(wù)類型以現(xiàn)象（過程）模擬型、探究實(shí)踐型為主，教師可結(jié)合數(shù)學(xué)學(xué)科問題解決思路，引入算法概念。六年級在開源硬件的支撐下，教學(xué)主題任務(wù)以探究實(shí)踐型為主，以小組合作為主要方式，教師引導(dǎo)學(xué)生在自主、合作、探究學(xué)習(xí)的過程中學(xué)習(xí)控制技術(shù)，感知信息技術(shù)給人類生產(chǎn)、生活帶來的巨大影響（見下頁圖1）。

（一）三年級教學(xué)活動(dòng)案例內(nèi)容設(shè)計(jì)（見下頁表1）

三年級的學(xué)生剛接觸編程，教師可以結(jié)合美術(shù)學(xué)科的繪畫、音樂學(xué)科的樂理、傳統(tǒng)文化故事等指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Scratch軟件編寫一款小游戲或小應(yīng)用，用數(shù)字動(dòng)畫的形式設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)案例場景或者進(jìn)行過程模擬與藝術(shù)創(chuàng)作。因此，本階段所設(shè)計(jì)的Scratch教學(xué)活動(dòng)案例以學(xué)科知識原理概念或過程模擬為主，依據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容匹配合適的教學(xué)活動(dòng)任務(wù)。

（二）四年級教學(xué)活動(dòng)案例內(nèi)容設(shè)計(jì)（見下頁表2）

四年級的學(xué)生已具備一定的Scratch編程基礎(chǔ)和學(xué)科系統(tǒng)思維。因此，本年級教學(xué)活動(dòng)案例內(nèi)容逐步向探索實(shí)踐型過渡，便于學(xué)生學(xué)習(xí)概念與發(fā)生過程。如“光合作用”這類原理型知識，學(xué)生在學(xué)科教學(xué)中只能通過想象來理解，如果在編程設(shè)計(jì)中使用相應(yīng)素材將整個(gè)轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行可視化分解，就能使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有更深的認(rèn)識。

（三）五年級教學(xué)活動(dòng)案例內(nèi)容設(shè)計(jì)（見表3）

基于兩年Scratch編程課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對編程有了一定的認(rèn)識后，開始正式接觸、學(xué)習(xí)Python語言，并同步培養(yǎng)邏輯思維、數(shù)學(xué)思維。五年級的教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容主要以數(shù)學(xué)-編程跨學(xué)科案例研究為主，設(shè)計(jì)了數(shù)學(xué)學(xué)科中質(zhì)數(shù)判斷算法、窮舉法算法等主題任務(wù);此外，還加入人工智能基礎(chǔ)內(nèi)容，如無人超市與班級管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（四）六年級教學(xué)活動(dòng)案例內(nèi)容設(shè)計(jì)（見下頁表4）

六年級課程中加入了開源硬件支持，結(jié)合硬件條件與人工智能相關(guān)元素設(shè)計(jì)了噪聲污染監(jiān)測、手勢識別、智能家居與無人駕駛等教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容。在硬件編程中培養(yǎng)了學(xué)生的算法思維，使其對電機(jī)、舵機(jī)、傳感器等建立起初步的認(rèn)識。同時(shí)，通過小組合作共享，培養(yǎng)學(xué)生的互助協(xié)作精神和解決綜合問題的能力。

三、小學(xué)編程課程跨學(xué)科融合教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐與效果分析

（一）教學(xué)活動(dòng)評價(jià)工具設(shè)計(jì)（見下頁表5）

跨學(xué)科設(shè)計(jì)編程課程教學(xué)活動(dòng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生編程思維能力和解決實(shí)際問題的綜合實(shí)踐能力。而評價(jià)工具在記錄和反饋學(xué)生的完成情況時(shí)，也驗(yàn)證了不同類型教學(xué)活動(dòng)的科學(xué)性與可操作性。本文中的教學(xué)活動(dòng)評價(jià)工具主要以通用性為準(zhǔn)則，并隨著年級的增長及每次教學(xué)活動(dòng)的開展，反映學(xué)生知識水平、思維能力、綜合實(shí)踐能力的變化趨勢。

教學(xué)活動(dòng)評價(jià)以任務(wù)成果為結(jié)點(diǎn)，依據(jù)學(xué)生所提交的活動(dòng)成果，進(jìn)行有針對性的量化考核。教師在記錄學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)展的同時(shí)，還能以該評價(jià)表為依據(jù)，在教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后對學(xué)生各次任務(wù)完成情況進(jìn)行對比分析。

該教學(xué)活動(dòng)實(shí)施評價(jià)表從科學(xué)性、邏輯性和藝術(shù)性三方面出發(fā)，對活動(dòng)任務(wù)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、算法優(yōu)化以及問題解決四個(gè)維度進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)，活動(dòng)任務(wù)指標(biāo)又細(xì)化為內(nèi)容、算法、流程圖及完整性四點(diǎn)。

（二）小學(xué)編程課程跨學(xué)科融合教學(xué)活動(dòng)實(shí)施小結(jié)

在跨學(xué)科知識整合理論基礎(chǔ)之上，通過對已有相關(guān)文獻(xiàn)的梳理研究，構(gòu)思設(shè)計(jì)了小學(xué)階段三至六年級校本編程課程教學(xué)活動(dòng)及相應(yīng)案例。其中，原理概念型教學(xué)活動(dòng)融合語文傳統(tǒng)文化故事、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)概念，引導(dǎo)學(xué)生對有關(guān)實(shí)驗(yàn)、故事或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以對作品進(jìn)行完善與優(yōu)化。通過對知識系統(tǒng)化的反復(fù)體驗(yàn)練習(xí)、理解，將知識點(diǎn)內(nèi)化為合乎邏輯的概念?，F(xiàn)象（過程）模擬型教學(xué)活動(dòng)融合科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程和生活中的自然現(xiàn)象等，將現(xiàn)象或過程進(jìn)行了可視化呈現(xiàn)，充分加深學(xué)生對各學(xué)科知識點(diǎn)的理解。探索實(shí)踐型教學(xué)活動(dòng)重點(diǎn)引入人工智能基礎(chǔ)知識，以提出問題為活動(dòng)情境，以小組為單位在制定策略、解決問題的教學(xué)情境中提取編程思維的概念及技巧。最終，由教師將所規(guī)劃設(shè)計(jì)的具體教學(xué)活動(dòng)案例應(yīng)用于課堂教學(xué)中，運(yùn)用Scratch、Python軟件進(jìn)行實(shí)施，并對跨學(xué)科融合理念下小學(xué)編程課程教學(xué)活動(dòng)的實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行評價(jià)總結(jié)。

案例實(shí)施及學(xué)生作品評價(jià)表的結(jié)果分析，驗(yàn)證了學(xué)生在具體情境中體驗(yàn)知識的狀況，學(xué)生可以將抽象的知識具體化、可視化，學(xué)習(xí)、掌握、運(yùn)用各學(xué)科知識與方法等，同時(shí)在活動(dòng)實(shí)踐中掌握程序設(shè)計(jì)語言的概念、條件以及邏輯?？鐚W(xué)科融合理念下小學(xué)編程課程教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)有利于提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、小組合作能力、問題分析和解決能力，使學(xué)生在面對復(fù)雜問題時(shí)能夠清晰地梳理解決思路，提出解決策略，進(jìn)而用發(fā)散性思維去創(chuàng)作一些獨(dú)具特色的作品，逐步推動(dòng)編程思維教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《人工智能（初中版）》教材正式出版[J].電化教育研究，2019，40（5）：129.

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[3]楊碩.小學(xué)Scratch編程體驗(yàn)式教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究[D].保定：河北大學(xué)，2020.

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