編程與小學(xué)科學(xué)教育融合課程探究

劉瑞雪

數(shù)字時(shí)代的到來(lái)和快速發(fā)展，對(duì)編程教育提出了更高的要求，不僅要學(xué)習(xí)編程的語(yǔ)法，借助這些語(yǔ)句、模塊完成繪畫、閱讀、寫作等描述性的編程應(yīng)用，更重要的是通過(guò)編程學(xué)習(xí)和實(shí)踐提高學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)多維度的思維能力。融入跨學(xué)科的理念和思路，可以讓學(xué)習(xí)者通過(guò)計(jì)算工具加深對(duì)各領(lǐng)域知識(shí)的理解，激活和使用新知識(shí)，重構(gòu)并獲取新技能，促進(jìn)編程教育與學(xué)科知識(shí)教育的協(xié)同發(fā)展。本文選取小學(xué)科學(xué)與編程教育的結(jié)合點(diǎn)，以“地球運(yùn)動(dòng)”知識(shí)點(diǎn)為例，介紹編程與小學(xué)科學(xué)教育融合的課程探究與設(shè)計(jì)。

教學(xué)背景

小學(xué)科學(xué)教育日益受到重視，最新修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)也體現(xiàn)了諸多與時(shí)俱進(jìn)的變化，其中明確提出“設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動(dòng)課程綜合化實(shí)施，強(qiáng)化實(shí)踐性要求”。信息技術(shù)天然帶有工具類學(xué)科的屬性，將其作為學(xué)習(xí)天文等科學(xué)知識(shí)的載體，可為教學(xué)引入一些新思路、新方法和新手段，尤其適用于傳統(tǒng)教學(xué)中難以通過(guò)實(shí)物、實(shí)驗(yàn)開展學(xué)習(xí)或需長(zhǎng)期觀察的知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，信息技術(shù)學(xué)科具備的計(jì)算思維和方法也將為問(wèn)題解決、知識(shí)建構(gòu)提供新的思路。

本課程設(shè)計(jì)選取的 Scratch 圖形化編程軟件面向兒童開發(fā)，相較文本編程，更利于小學(xué)階段學(xué)習(xí)者理解和操作，支持媒體資源的添加和使用，便于教師搭建學(xué)習(xí)活動(dòng)及場(chǎng)景。

遴選“地球與宇宙科學(xué)”的重要概念和基礎(chǔ)知識(shí)，將圖形化編程作為具像化的教學(xué)手段和學(xué)習(xí)工具，設(shè)計(jì)跨學(xué)科的課程內(nèi)容和主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，有助于優(yōu)化課程內(nèi)容組織形式，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)學(xué)科核心概念的基礎(chǔ)上，理解跨學(xué)科概念，促進(jìn)知識(shí)在真實(shí)應(yīng)用中的固化與提升。

教學(xué)實(shí)施

在教學(xué)實(shí)施中，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分析分解，設(shè)立任務(wù)目標(biāo)，逐步探究“地球運(yùn)動(dòng)”的全貌。教師可提供圖片、音樂(lè)等媒體資源作為探究對(duì)象的“造型”、背景等，搭建支撐探究活動(dòng)的載體，根據(jù)學(xué)習(xí)者的基礎(chǔ)，還可提供代碼片段或樣例，做好“腳手架”支撐。

教學(xué)過(guò)程

任務(wù)1：地球自轉(zhuǎn)和晝夜交替

Scratch 圖形化編程軟件中如何實(shí)現(xiàn)物體的變化運(yùn)動(dòng)？在 Scratch 媒體資源庫(kù)選擇幾個(gè)角色，比如走路的小貓、獅子，觀察和了解這些角色如何根據(jù)“造型”變化和“視覺(jué)暫留”原理展現(xiàn)動(dòng)物行進(jìn)的狀態(tài)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)習(xí)者思考，如何由此展現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)？觀察平鋪的世界地圖和地球儀的異同，教師為學(xué)習(xí)者準(zhǔn)備3張地球圖片作為地球的“造型”，按照正確順序拼接可形成一幅完整的地球圖片。學(xué)習(xí)者思考和設(shè)置“造型”的出場(chǎng)順序，使其在代碼的控制下，能夠從東向西展現(xiàn)地球各大洲的風(fēng)貌，實(shí)現(xiàn)地球自西向東自轉(zhuǎn)的模擬。使用“右轉(zhuǎn)”代碼，可模擬地軸的傾斜角度，使自轉(zhuǎn)模擬更完整。

根據(jù)學(xué)習(xí)者的編程基礎(chǔ)，教師可引導(dǎo)其自主編程，或?yàn)槠涮峁┨?yáng)照射的代碼，觀察地球自轉(zhuǎn)下的晝夜交替現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)動(dòng)手調(diào)整“造型”變化的順序，學(xué)習(xí)者在實(shí)踐中內(nèi)化地球自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)的概念；調(diào)整“造型”變化的時(shí)間，觀察和思考晝夜交替的間隔和時(shí)間的概念。同時(shí)，了解如何通過(guò)計(jì)算工具實(shí)現(xiàn)物體變化的思路和“循環(huán)”的編程邏輯。

任務(wù)2：地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)

地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道是什么形狀？幫助學(xué)習(xí)者分析地球公轉(zhuǎn)軌道并建模為數(shù)學(xué)概念——圓，正圓更便于小學(xué)階段的學(xué)習(xí)者理解和應(yīng)用。學(xué)習(xí)者首先利用已學(xué)的科學(xué)知識(shí)，指出圓心——太陽(yáng)，半徑——地球與太陽(yáng)之間的距離，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)地球以太陽(yáng)為圓心畫一個(gè)圓。然后結(jié)合編程，實(shí)現(xiàn)模擬地球自動(dòng)運(yùn)行。教師可給出一些編程的提示和引導(dǎo)，比如使用“移動(dòng)”代碼找到位置，例如圓心“太陽(yáng)”；使用“移動(dòng)”代碼實(shí)現(xiàn)從“太陽(yáng)”到“地球”的距離，也就是半徑；使用“左轉(zhuǎn)”代碼可以實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度；如何讓“地球”不停地運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)？可以使用“循環(huán)”代碼，使其重復(fù)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)學(xué)習(xí)者的編程基礎(chǔ)，教師可引導(dǎo)其自主編程或?yàn)槠涮峁┨?yáng)照射角度的代碼，觀察地球公轉(zhuǎn)中太陽(yáng)照射角度的變化和四季變化現(xiàn)象。教師引導(dǎo)時(shí)可引入 Scratch“畫筆”工具，易于小學(xué)階段學(xué)生接受和理解，且呈現(xiàn)效果更加形象，畫出連接“太陽(yáng)”和“地球”的直線，模擬太陽(yáng)光照射。

程序運(yùn)行中，學(xué)習(xí)者可直觀地觀察到太陽(yáng)光往復(fù)直射南北回歸線和赤道的現(xiàn)象和規(guī)律，可以觀察到地球上某一地區(qū)太陽(yáng)光照射角度的往復(fù)變化。既結(jié)合了傳統(tǒng)教學(xué)中的觀察記錄和標(biāo)桿實(shí)驗(yàn)，又使其效果更加快捷、直觀和精準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)習(xí)者通過(guò)動(dòng)手操作，加深了對(duì)地球公轉(zhuǎn)的理解，調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向和角度，觀察和理解地球公轉(zhuǎn)的方向和速度；配合太陽(yáng)照射角度的模擬，還可進(jìn)一步了解太陽(yáng)照射角度變化、溫度變化和四季變化的規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者模擬和思考地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)會(huì)有什么不同？進(jìn)而幫助學(xué)習(xí)者理解四季交替的本質(zhì)，內(nèi)化地球公轉(zhuǎn)知識(shí)。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者使用編程的“變量”概念并結(jié)合“判斷”邏輯，在地球公轉(zhuǎn)中記錄和展示角度的變化，自動(dòng)識(shí)別一些特殊位置，如太陽(yáng)光直射南回歸線、赤道和北回歸線，這不僅有利于其觀察、分析和歸納自然現(xiàn)象的規(guī)律，還可讓學(xué)習(xí)者進(jìn)一步了解和掌握計(jì)算工具的記錄和判斷方法。

任務(wù)3：極晝與極夜

什么是極晝、極夜？為什么會(huì)有這種現(xiàn)象？對(duì)極晝、極夜的模擬探究，是一個(gè)綜合運(yùn)用地球運(yùn)動(dòng)知識(shí)的好機(jī)會(huì)。首先，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者分析引發(fā)極晝、極夜現(xiàn)象的重要因素，如地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、地軸傾角、太陽(yáng)照射等。然后，幫助學(xué)生將任務(wù)1、任務(wù)2中所學(xué)所用的知識(shí)和技能進(jìn)行分析和整合，編程實(shí)現(xiàn)以上組成因素。最后，在程序運(yùn)行中觀察太陽(yáng)光的覆蓋情況，分析和總結(jié)北極圈、南極圈內(nèi)出現(xiàn)極晝、極夜現(xiàn)象的規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)習(xí)者通過(guò)綜合的知識(shí)運(yùn)用，對(duì)地球運(yùn)動(dòng)有了更全面和深入的理解，通過(guò)調(diào)整地軸傾角，可直觀地了解極晝、極夜現(xiàn)象的范圍和形成的本質(zhì)原因。同時(shí)，通過(guò)綜合知識(shí)的運(yùn)用，培養(yǎng)和提高學(xué)習(xí)者分析、分解問(wèn)題，進(jìn)而整合解決問(wèn)題的思維和能力。

總結(jié)與思考

編程與學(xué)科教學(xué)融合的過(guò)程，要充分尋找二者的結(jié)合點(diǎn)，發(fā)揮編程自身的特點(diǎn)，服務(wù)教學(xué)，使其效果更加直觀、精準(zhǔn)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的知識(shí)內(nèi)化、能力遷移和思維養(yǎng)成，使課程學(xué)習(xí)更加豐滿，讓編程應(yīng)用更為有的放矢。

同時(shí)，融合課程的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮學(xué)習(xí)者的編程能力，課程設(shè)計(jì)一方面要循序漸進(jìn)，注意進(jìn)階；另一方面可以優(yōu)化配套，細(xì)化引導(dǎo)輔助的講解視頻、教學(xué)步驟等，為課程開展提供切實(shí)的支撐。