融入虛擬科學(xué)實驗的小學(xué)圖形化編程教學(xué)探究

【摘要】本文將虛擬科學(xué)實驗的科學(xué)原理、實驗過程和思維方法高度融合，將學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)與信息科技知識學(xué)習(xí)聯(lián)系起來，通過一系列教學(xué)實踐，探索融入虛擬科學(xué)實驗的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中親歷完整的實踐過程，幫助學(xué)生形成對科學(xué)實驗的完整認知，從而提升學(xué)生的編程思維水平和科學(xué)知識遷移能力。

【關(guān)鍵詞】信息科技；小學(xué)圖形化編程；虛擬科學(xué)實驗；教學(xué)策略

【中圖分類號】G434【文獻標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2023）19—0080—04

義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）在課程理念中強調(diào)遴選科學(xué)原理和實踐應(yīng)用作為重點課程內(nèi)容，體現(xiàn)“科”與“技”并重的指導(dǎo)思想。這明確了小學(xué)信息科技課程中圖形化編程模塊教學(xué)不僅關(guān)注小學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)和技能培育，還把提升小學(xué)生創(chuàng)造性科學(xué)思維水平和科學(xué)精神在課程學(xué)習(xí)中體現(xiàn)出來。所以，在立足小學(xué)生年齡特點和認知規(guī)律的前提下，圖形化編程教學(xué)中融入科學(xué)實踐性元素，對于如今小學(xué)信息科技課程內(nèi)容設(shè)置方面尤為重要。這需要教師在小學(xué)編程教學(xué)中通過大量實踐，在相關(guān)教學(xué)模式、教學(xué)策略層面積極探索。筆者以所在學(xué)校為樣本校之一，借助中心教研組活動，深入蘭州市多所小學(xué)信息科技課堂一線，結(jié)合文獻研究、問卷調(diào)查和實地走訪，進行實驗前后對比和行動研究，通過數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)把收集的量化數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。在對課堂每個環(huán)節(jié)進行分析、研究的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境、完善教學(xué)資源、設(shè)計教學(xué)活動、強化學(xué)法指導(dǎo)、體現(xiàn)評價環(huán)節(jié)，最終形成與虛擬科學(xué)實驗有關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)。同時，緊密銜接學(xué)生的數(shù)字化體驗，把科學(xué)思維融入真實的生活情境、問題情境和項目學(xué)習(xí)情境中，以學(xué)生為主體，在學(xué)生參與的數(shù)字化學(xué)習(xí)中貫穿虛擬現(xiàn)實內(nèi)容，實現(xiàn)從知識呈現(xiàn)到學(xué)生基本技能培養(yǎng)的教學(xué)升級。

一、研究背景

在人工智能時代，大力培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才尤其重要。隨著信息化技術(shù)日益更新，在小學(xué)信息科技教學(xué)中，圖形化編程教學(xué)內(nèi)容已成為引導(dǎo)學(xué)生探索計算機編程的主要依據(jù)[1]。然而在小學(xué)信息科技課堂教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)一些圖形化編程課程的開發(fā)設(shè)計過分迎合小學(xué)生對游戲和動畫比較感興趣的特點，過于側(cè)重引導(dǎo)小學(xué)生理解游戲和動畫原理，一部分小學(xué)生制作的游戲作品缺乏關(guān)于學(xué)習(xí)和生活的深入思考，含有惡搞元素，這并不利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)、科學(xué)思維與方法的鍛煉和正確價值觀的形成。

二、Kitten圖形化編程平臺的優(yōu)勢

以小學(xué)圖形化編程課程為例，基于項目教學(xué)法的小學(xué)創(chuàng)客教育課程教學(xué)設(shè)計與實踐研究以Kitten圖形化編程為教學(xué)平臺，該平臺最大的優(yōu)勢在于將豐富的多媒體創(chuàng)作素材庫和簡單易學(xué)的創(chuàng)作界面呈現(xiàn)在編程者面前，可以讓學(xué)習(xí)者在這個可視化編程語言平臺上，體驗趣味性和探究性，尤其重要的是體現(xiàn)出小學(xué)生在現(xiàn)實場景中接觸到的科學(xué)知識，規(guī)范編程作品創(chuàng)作動機，對于學(xué)生進行數(shù)字化創(chuàng)作有重要意義。經(jīng)驗證，在小學(xué)編程課堂中進行相關(guān)項目學(xué)習(xí)，這樣的圖形化編程可以有效增強學(xué)生的編程思維[2]。

三、在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中融入虛擬科學(xué)實驗的意義

2007年，關(guān)于虛擬科學(xué)實驗有這樣的定義：虛擬科學(xué)實驗主要指在科學(xué)實踐活動中，學(xué)生按照一定的科學(xué)流程操作現(xiàn)實或虛擬物體，觀察科學(xué)現(xiàn)象，在提出問題、收集數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律等具體過程中完成實驗探究任務(wù)，從而加深對科學(xué)知識、方法和規(guī)律的理解[3]。本研究在此基礎(chǔ)上提出的虛擬科學(xué)實驗是以Kitten圖形化編程環(huán)境為平臺，在教學(xué)內(nèi)容上融合科學(xué)實驗，借助圖形化編程軟件構(gòu)建虛擬科學(xué)實驗操作場景，學(xué)生可在編程軟件界面，通過操控元素或修改參數(shù)來觀察科學(xué)現(xiàn)象、探索科學(xué)規(guī)律，在有應(yīng)用情境、角色體驗的學(xué)習(xí)環(huán)境中，體驗系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、算法思維和建模的科學(xué)方法，將科學(xué)現(xiàn)象探索過程轉(zhuǎn)化為圖形化代碼，經(jīng)歷全景式的項目規(guī)劃設(shè)計，潛移默化地學(xué)會圖形化編程的設(shè)計規(guī)范和思維方法。

在梳理相關(guān)文獻、分析編程平臺優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，筆者圍繞教師、學(xué)生活動這兩方面進行教學(xué)設(shè)計，并將相關(guān)教學(xué)理念、基本特征融入圖形化編程教學(xué)中，探究從“過程與方法”到學(xué)科核心素養(yǎng)層面的教法與學(xué)法策略，注重引導(dǎo)學(xué)生觀測實驗現(xiàn)象，總結(jié)實驗規(guī)律，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)編程思維和科學(xué)素養(yǎng)雙培養(yǎng)。在這樣的完整虛擬科學(xué)實驗中，體現(xiàn)出從單一知識技能傳授到對學(xué)生科學(xué)探究精神培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。基于此，筆者利用信息科技，呈現(xiàn)學(xué)生感興趣的科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)實驗場景，反映學(xué)生對現(xiàn)實世界的認知與期待，培養(yǎng)學(xué)生運用信息科技手段走進科學(xué)、理解科學(xué)和發(fā)展科學(xué)的能力。更重要的是以國家義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)為指引，發(fā)揮虛擬科學(xué)實驗在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中的關(guān)鍵作用，通過這樣的教學(xué)實踐過程，使教師在課堂教學(xué)層面探尋學(xué)生理解科學(xué)、把握科學(xué)研究與實踐探索的規(guī)律，實現(xiàn)學(xué)生在人工智能領(lǐng)域的進階成長[4]。

四、在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中融入虛擬科學(xué)實驗的方法

1.學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，提出主題。目前，蘭州市一些小學(xué)有相對優(yōu)越的硬件資源，計算機及其機房的配套設(shè)施較為完善，這為此次研究的順利開展提供了一定的硬件條件。在此基礎(chǔ)上，教師借助Kitten圖形化編程軟件平臺，在準(zhǔn)備階段完成對學(xué)生學(xué)情的分析，而問卷調(diào)查和實地訪談是研究的主要方法。為了更細致地把相關(guān)教學(xué)理念貫穿于課堂教學(xué)中，筆者圍繞“虛擬科學(xué)實驗融入前圖形化編程需求分析”“虛擬科學(xué)實驗融入圖形化編程教學(xué)的態(tài)度調(diào)查”，設(shè)計了調(diào)查問卷，并與部分學(xué)生談話，為筆者分析實驗結(jié)果提供了重要依據(jù)。在科學(xué)分析學(xué)情的基礎(chǔ)上，形成圖形化編程基本知識與技能水平差異情況分析，教師把學(xué)習(xí)者分為實驗設(shè)計組和觀察記錄組，為后面進行的分層教學(xué)和小組合作打下基礎(chǔ)。觀察記錄組的學(xué)生對編程知識掌握不多，這一部分學(xué)生在課前準(zhǔn)備方面以觀察和記錄完整實驗為主，以了解編程作品制作的基本流程為輔。實驗設(shè)計組的學(xué)生由于已具有圖形化編程的初步制作經(jīng)驗，可側(cè)重于親歷虛擬實驗從元素到模組、模塊，從模塊到整體的搭建。不僅如此，教師依據(jù)學(xué)生對于知識技能的熟練度，可對學(xué)生的角色進行調(diào)整，使兩組學(xué)生在多次取長補短的合作學(xué)習(xí)中提升能力。

想在這個過程中牢牢吸引學(xué)生的注意力，教師需要做好虛擬科學(xué)實驗主題情境創(chuàng)設(shè)。整個過程中，始終貫穿以人為本的理念，教師可以根據(jù)實驗的復(fù)雜程度和學(xué)生對知識的接受程度劃分主題，把高年級小學(xué)生的科學(xué)知識范圍分為天文、物理、化學(xué)、生物以及人與生態(tài)等部分，主題從天文學(xué)以及探尋物質(zhì)世界原理和規(guī)律的物理、化學(xué)幾大板塊逐步深入，最終回歸到生態(tài)和人的關(guān)系相關(guān)領(lǐng)域。在探究式學(xué)習(xí)開始之前，教師可以把充滿探究樂趣的科學(xué)揭秘主題預(yù)先告知學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生利用書本、互聯(lián)網(wǎng)等獲取相關(guān)知識，初步具備在相關(guān)科學(xué)主題中分析解決問題的能力，能在解決具體問題的情境中展開項目學(xué)習(xí)。

2.范例研習(xí)，做好實驗反饋與建議。在此環(huán)節(jié)之前，學(xué)生所掌握的知識和技能并沒有得到實踐檢驗，對此，教師可以展示完整的虛擬科學(xué)實驗范本，學(xué)生在演示中練習(xí)編寫相關(guān)程序、運行編好的程序。教師可以先讓學(xué)生預(yù)覽最終效果，依靠范本實驗的邏輯關(guān)系和生動形象的動畫效果，最大限度地激發(fā)學(xué)生的參與熱情。當(dāng)學(xué)生存在疑問時，教師適時引導(dǎo)學(xué)生理清設(shè)計虛擬科學(xué)實驗的基本思路、制定基本步驟，提示實驗難點，講解實驗素材的使用方法和選擇依據(jù)，使學(xué)生在范例研習(xí)過程中能清楚地觀察到每一個實驗要素，積極思考由每一個實驗步驟組成的完整制作流程。

有了上述實驗范本的引導(dǎo)和觀察記錄組學(xué)生的協(xié)助，實驗設(shè)計組學(xué)生可以有效地投入虛擬科學(xué)實驗的操作中，從每一個實驗素材的選擇、每一處編程模組的確定、每一塊編程積木的搭建到每一個實驗?zāi)繕?biāo)的達成，都充分體現(xiàn)學(xué)生實驗操作、探究科學(xué)的歷程，使學(xué)生在融入虛擬科學(xué)實驗的圖形化編程軟件平臺獲得成長。教師在巡視過程中精準(zhǔn)指導(dǎo)、答疑解惑，對共性問題集中講解，對反映科學(xué)現(xiàn)象的佳作予以肯定，讓學(xué)生圍繞如何調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)、改變實驗條件等方面分享見解，再引導(dǎo)學(xué)生共同學(xué)習(xí)、總結(jié)提煉。最后，教師提出關(guān)于虛擬科學(xué)實驗設(shè)計的總結(jié)性學(xué)習(xí)建議。

經(jīng)過以上的案例分析可以得出以下結(jié)論：范例研習(xí)環(huán)節(jié)有效激活了學(xué)生的編程思維。在問卷調(diào)查分析中可以看出，有78.5%的學(xué)生認為，基于虛擬科學(xué)實驗的圖形化編程教學(xué)極大地提升了編程學(xué)習(xí)效率。在編程學(xué)習(xí)過程中，教師對新知識的講解，讓學(xué)生能了解每個模塊的不同作用和搭建編程積木的方法。在學(xué)生創(chuàng)作階段，學(xué)生對知識和技能掌握的熟練度得以提升，進一步增強了算法思維能力。

為了進一步檢驗該環(huán)節(jié)實驗研究，筆者抽選蘭州市某小學(xué)六年級兩個班的學(xué)生為研究對象，將學(xué)生分為實驗組、對比組，其中實驗組學(xué)生通過融入虛擬科學(xué)實驗的圖形化編程教學(xué)學(xué)習(xí)，而對比組則按照教材中一般圖形化編程教學(xué)流程學(xué)習(xí)。實驗開始前，對兩組學(xué)生進行相關(guān)科學(xué)概念理解前測，實驗結(jié)束后，圍繞相關(guān)科學(xué)概念進行后測，通過前后對比可知，實驗組學(xué)生學(xué)習(xí)效果較好，而且實驗反饋與建議這個環(huán)節(jié)能有效促進學(xué)生科學(xué)思維和能力的培養(yǎng)。

3.階段成果展示、分享和交流。在階段成果展示、分享階段，前面內(nèi)容提到的觀察記錄組學(xué)生通過細致觀察，詳細記錄實驗結(jié)果，通過不同組間實驗情況的對比，得出精確的實驗結(jié)論。觀察記錄組學(xué)生在觀察記錄、提煉經(jīng)驗、填寫記錄表等過程中發(fā)現(xiàn)實驗創(chuàng)新點，融入實驗前后的不同想法，由教師組織這部分學(xué)生展示階段性成果，對于發(fā)現(xiàn)的實驗規(guī)律進行總結(jié)、拓展。在此基礎(chǔ)上，觀察記錄組學(xué)生相互討論，形成總結(jié)性經(jīng)驗，再反饋給同組的實驗設(shè)計成員，在更精細化的范圍內(nèi)進行虛擬科學(xué)實驗經(jīng)驗交流，促使實驗設(shè)計組學(xué)生進一步完善作品，完成又一輪的研討提升和成果展示?？梢哉f，在此階段融入虛擬科學(xué)實驗小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略，對學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)有一定幫助。前測問卷數(shù)據(jù)顯示，51.2%的學(xué)生愿意與他人協(xié)作學(xué)習(xí)，后測問卷中這一數(shù)量上升至79.8%，說明學(xué)生的協(xié)作能力得到了提升。

4.做好綜合評價、全課總結(jié)。檢測學(xué)習(xí)效果，建立融入學(xué)生自評、學(xué)生互評和教師評價的完整評價機制尤其重要。在經(jīng)過完整的學(xué)習(xí)階段后，依據(jù)程序積木搭建、畫面構(gòu)圖、顏色搭配是否合理、協(xié)調(diào)，創(chuàng)意是否新穎獨特，素材使用是否貼合主題，科學(xué)原理是否通過虛擬科學(xué)實驗得出等評價標(biāo)準(zhǔn)，進行課堂學(xué)習(xí)評價，完整反映出學(xué)生在編程思維、科學(xué)素養(yǎng)等方面的提升。

在此基礎(chǔ)上，教師可借助問卷星等在線評價系統(tǒng)完成數(shù)字化學(xué)生整體評價分析。教師可將評價量表發(fā)到自主學(xué)習(xí)資源包中，學(xué)生通過上述學(xué)習(xí)階段后，打開對應(yīng)課程的教學(xué)后測評價表，按照知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度、價值觀等層級順序評估自身學(xué)科核心素養(yǎng)情況，對全課知識點進行全面系統(tǒng)的回顧和總結(jié)。教師通過直觀的柱狀圖呈現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，使學(xué)生更好地取長補短。

為了驗證多維評價體系和課堂教學(xué)總結(jié)的重要性，筆者在研究中邀請具有豐富的圖形化編程教學(xué)經(jīng)驗的專職信息科技教師參與，共同對研究結(jié)果進行分析，得出能有效提升學(xué)生參與課堂活動的積極性，更好地讓學(xué)生理解編程作品創(chuàng)作的內(nèi)涵，培養(yǎng)以數(shù)字化創(chuàng)新能力和嚴謹科學(xué)態(tài)度為主要內(nèi)容的學(xué)科核心素養(yǎng)。

在這個過程中，教師需要及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題，及時點撥學(xué)生，展示學(xué)習(xí)成果，總結(jié)實驗規(guī)律，實現(xiàn)提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教育目標(biāo)，讓學(xué)生逐步形成熱愛科學(xué)、追求真理的人生態(tài)度[5]。

結(jié)合小學(xué)信息技術(shù)新課標(biāo)，教師不僅要提升學(xué)生的編程知識和技能水平，而且要把培養(yǎng)學(xué)生程序算法思維作為重點，更要規(guī)范學(xué)生對于編程作品的創(chuàng)作動機。目前，小學(xué)圖形化編程教學(xué)中存在編程游戲化、忽略編程思維和嚴謹科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)的問題，而通過在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中融入虛擬科學(xué)實驗的教學(xué)策略，可以有效解決存在的問題。具體實施中，教師可從課堂教學(xué)目標(biāo)設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容確定、教學(xué)資源選擇、實驗情境創(chuàng)設(shè)、實驗活動構(gòu)建、分享交流、組織反饋以及教學(xué)評價等方面，進行圖形化編程教學(xué)探索，形成科學(xué)且有指導(dǎo)性的課堂教學(xué)模型，可以應(yīng)用模型中提供的教學(xué)思維與方法，讓學(xué)生在完成虛擬科學(xué)實驗的過程中，不斷提升編程思維，提高信息科技拓展能力、科學(xué)探究能力。

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（本文系2023年度甘肅省“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“融入虛擬科學(xué)實驗的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略”的研究成果，課題立項號：GS[2023]GHB0561）

編輯：彭雪亮