新課標下小學(xué)信息科技圖形化編程教學(xué)實踐

王東

摘要：本文以蘇科版小學(xué)信息技術(shù)五年級的“搖桿”傳感器教學(xué)為例，探討了新課標下圖形化編程教學(xué)的理念、目標和策略，旨在通過實踐探索，為信息科技新課標下的圖形化編程教學(xué)提供一些參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：科學(xué)精神；自主可控；算法；計算思維；圖形化編程

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）01-0070-04

《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）在課程性質(zhì)中明確指出，信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識。其中的“科學(xué)精神”指注重認識事物的真理性；“自主可控”指通過原創(chuàng)，擁有產(chǎn)品的核心技術(shù)，以保證國家的安全和獨立性。筆者選擇蘇科版小學(xué)信息技術(shù)五年級第17課《小貓抓魚》作為教學(xué)內(nèi)容，對標新課標做了教學(xué)嘗試，并對小學(xué)基于開源硬件的圖形化編程中如何培養(yǎng)科學(xué)精神，提升自主可控意識的教學(xué)指向變化做分析。

理解技術(shù)導(dǎo)向與科技導(dǎo)向，調(diào)整教學(xué)目標導(dǎo)向策略

《小貓抓魚》一課的教學(xué)目標有三個，分別為：①認識搖桿傳感器的工作原理；②正確連接搖桿傳感器；③學(xué)習(xí)使用搖桿傳感器控制角色運動的方法。原教材根據(jù)教學(xué)目標和圖形化編程中搭建腳本實現(xiàn)的順序，先是介紹了搖桿傳感器的原理，再按搭建腳本的順序介紹了添加角色與背景、設(shè)置小貓抓魚動作兩個部分的內(nèi)容。對本課的難點“使用搖桿傳感器控制角色運動”只是直接給出了“400、600兩個數(shù)值”與“搖桿的X、Y比較”，接著就出示了腳本。這樣雖然也強調(diào)了計算思維的培養(yǎng)，但還是基于知識邏輯組織教學(xué)，技術(shù)導(dǎo)向的成分居多。

新課標核心素養(yǎng)采用了“學(xué)段+數(shù)字素養(yǎng)”雙緯度的設(shè)計?！皳u桿控制角色”可對應(yīng)第三學(xué)段（5～6年級）“身邊的算法”模塊。本模塊的學(xué)習(xí)目標是讓學(xué)生熟練掌握一些常用的算法表達方式和風(fēng)格，了解算法的執(zhí)行過程，同時能夠運用自然語言或流程圖等工具，設(shè)計出解決簡單問題的算法，并評估其正確性和效率。這強調(diào)了對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，但更注重認識、理解事物的本原，科技導(dǎo)向的成分居多。

對比原教材和新課標不難看出（如下頁圖），在5年級圖形化編程教學(xué)中，兩者都注重計算思維的培養(yǎng)，但新課標更注重算法的學(xué)習(xí)，并且要通過算法的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運用算法思維的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的探索、創(chuàng)新精神。所以，教師在進行教學(xué)設(shè)計時要更注重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)原理，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)獲得的搖桿傳感器的數(shù)值根據(jù)需求進行數(shù)據(jù)處理、設(shè)計算法、優(yōu)化算法，最后進行編程驗證。

設(shè)定培養(yǎng)科學(xué)精神目標，制訂教學(xué)過程設(shè)計策略

1.設(shè)計契合學(xué)習(xí)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的探索欲望

我國夢天實驗艙成功與天和核心艙對接，標志著中國空間站“天宮”建設(shè)全部完成。以此為背景，筆者設(shè)計了一個太空飛船收集能量的程序設(shè)計任務(wù)，旨在激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和探索欲望。其中，學(xué)生要掌握搖桿傳感器的原理，并設(shè)計算法用搖桿控制太空飛船在舞臺區(qū)自由移動。這樣的任務(wù)符合新課標的要求，既增強了學(xué)生的感性認知，又激發(fā)了學(xué)生的探索欲望。

2.體驗解決問題過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

（1）問題描述

筆者設(shè)計了分析問題的環(huán)節(jié)。學(xué)生要用搖桿控制飛船在太空中收集能量，首先要明確飛船的移動方式。筆者在Mind+軟件中加載“畫圖”功能，讓學(xué)生用搖桿控制飛船在太空中寫出“中國”兩個大字并思考飛船的移動方向，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)飛船需要實現(xiàn)“左移”“右移”“上移”“下移”。為了進一步探索，筆者讓學(xué)生用搖桿控制飛船畫一條斜線并思考飛船的移動方向，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)飛船走斜線也是通過“左移”“右移”“上移”“下移”，從而得出搖桿控制飛船的目標：在太空中的任何位置都要能實現(xiàn)飛船的“左移”“右移”“上移”“下移”。

（2）原理與數(shù)據(jù)

為了讓學(xué)生理解“算法的執(zhí)行”，筆者先讓學(xué)生探究搖桿傳感器的原理。搖桿傳感器由兩個電位器組成，撥動搖桿就會改變電位器的電阻和電壓，從而影響傳感器A1、A2的數(shù)值。這個原理對小學(xué)生來說不容易理解，筆者利用白板的交互功能，用兩個長方形和一個實心圓模擬搖桿傳感器的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生在課件中拖動實心圓，觀察搖桿的工作過程，簡化了學(xué)生的認知難度。同時，提醒學(xué)生注意搖桿傳感器A1、A2的編號，它們是模擬傳感器，可以用“讀取模擬引腳（A0）”控件來讀取數(shù)值，為后面的編程做準備。為了讓學(xué)生更清楚地把飛船的移動目標和搖桿的動作聯(lián)系起來，筆者為學(xué)生設(shè)計了一個探究記錄表，讓學(xué)生在Mind+軟件中記錄搖桿傳感器A1、A2的數(shù)值和飛船的移動方向，為進一步探究做好數(shù)據(jù)支持。

（3）設(shè)計算法

為了讓學(xué)生探究搖桿傳感器的原理，筆者用白板互動授課平臺，用一個長方形和一個實心圓模擬搖桿傳感器的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生在課件中拖動實心圓，模擬搖桿的工作過程，為學(xué)生提供了一個自主探究的環(huán)境。接著，為了讓學(xué)生探究搖桿傳感器的數(shù)據(jù)，筆者和學(xué)生一起分三步進行探索：第一步，標出數(shù)據(jù)的范圍。筆者先讓學(xué)生把搖桿放在中間位置，記錄下A1傳感器的數(shù)值（不同的搖桿傳感器的數(shù)值可能有些差異，這是正常的誤差，可以用算法來糾正），然后讓學(xué)生把搖桿撥到最右邊和最左邊，記錄A1傳感器的最大值1023和最小值0，這樣就完成了搖桿X的建模過程。第二步，探索數(shù)據(jù)的變化。筆者讓學(xué)生把搖桿撥到靠近最右邊的位置，讓學(xué)生猜測此時A1傳感器的數(shù)值。通過模型，學(xué)生可以判斷出數(shù)值大約是900。筆者提問：“如果A1傳感器的數(shù)值是800，搖桿應(yīng)該在哪里？”學(xué)生判斷出應(yīng)該在900左邊一點，筆者按照學(xué)生的判斷撥動搖桿。通過這兩次探索，學(xué)生已經(jīng)初步理解搖桿右撥和A1數(shù)值之間的關(guān)系，但如果用算法來實現(xiàn)，還需要確定一個合適的比較值。于是，筆者繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生探索“如果A1傳感器的數(shù)值是600，搖桿應(yīng)該在哪里？”，讓學(xué)生親自操作找出A1為600的位置，這樣，數(shù)據(jù)和模型之間的聯(lián)系就更加清晰了。第三步，設(shè)計算法。設(shè)計算法也應(yīng)當遵循學(xué)生思維的發(fā)展過程。首先，引導(dǎo)學(xué)生提取問題的基本特征，用兩個循序漸進的問題引導(dǎo)探究：“通過什么可判斷搖桿是否右撥？”“A1傳感器的值大于哪個數(shù)值就表明搖桿右撥了？”通過探究，引導(dǎo)學(xué)生理解算法設(shè)計的依據(jù)（在這個過程中還要向?qū)W生說明選擇600可完美解決搖桿傳感器初始位置數(shù)值呈現(xiàn)的誤差問題），然后便可組織學(xué)生用自然語言描述算法，給出“檢測搖桿右撥，通過搖桿X值與? ? ? ? ? 的描述。比較進行判斷，如果? ? ? ? ? ，那么就讓飛船執(zhí)行? ? ? ? ? 命令”的描述。算法的執(zhí)行，光有自然語言是不夠的。接下來引導(dǎo)學(xué)生提煉出描述中的關(guān)鍵詞“如果……那么……”，并用分支流程圖的方式來描述算法。

（4）驗證算法

筆者認為，教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)該只是代碼教學(xué)，而應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。在教授搖桿控制飛船的算法時，筆者先讓學(xué)生獲取數(shù)據(jù)、抽象建模和算法探索，并畫出流程圖，然后帶領(lǐng)學(xué)生在Mind+中找到相關(guān)的控件，并讓學(xué)生按照流程圖搭建腳本來驗證搖桿右撥的算法。接著，筆者組織學(xué)生探索搖桿左撥的算法設(shè)計，并找出變量“搖桿X”與A1傳感器數(shù)值比較的關(guān)鍵值400，同樣用自然語言描述、畫出流程圖、尋找控件、搭建腳本來驗證算法。最后，筆者提示學(xué)生搖桿上撥、下?lián)艿乃惴ㄅc搖桿左撥、右撥的算法類似，并鼓勵學(xué)生利用小組互助的方式自主探索并在圖形化編程軟件中驗證算法。

3.分享算法驗證效果，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維

算法的執(zhí)行不僅是將自然語言或流程圖轉(zhuǎn)化為計算機命令，還應(yīng)該包括對算法的優(yōu)化，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。在教授搖桿控制飛船的算法后，筆者讓學(xué)生在程序中加入隕石和能量條兩個角色。隕石從上方隨機落下，能量條從右側(cè)隨機移動，學(xué)生用搖桿控制飛船收集能量條，如果被隕石碰到就失去能量。筆者讓學(xué)生運行程序并體驗效果，學(xué)生發(fā)現(xiàn)收集能量條時很容易被隕石碰到，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考如何解決這個問題，并組織小組討論。學(xué)生提出可以增大飛船移動的數(shù)值，但發(fā)現(xiàn)這樣會導(dǎo)致飛船移動過快，難以捕捉能量條。于是，學(xué)生進一步探索如何根據(jù)搖桿操作的習(xí)慣優(yōu)化算法，使得飛船在捕捉能量條時移動緩慢，在逃離隕石時移動快速。筆者引導(dǎo)學(xué)生觀察自己的操作習(xí)慣，并找出搖桿的數(shù)值范圍。學(xué)生發(fā)現(xiàn)在逃離隕石時，一般都會把搖桿撥到最左、最右、最下，此時搖桿A1的數(shù)值應(yīng)小于100、大于900，搖桿A2的數(shù)值小于100。筆者讓學(xué)生根據(jù)這些條件優(yōu)化算法，搭建腳本并運行體驗。

以提升自主可控意識為導(dǎo)向，規(guī)劃教學(xué)評價設(shè)計策略

1.緊扣學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)計算思維和創(chuàng)新精神

新課標要求信息科技課堂應(yīng)以人為本，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)、勝任和幸福的能力，教會學(xué)生如何積累和創(chuàng)新知識。因此，教學(xué)設(shè)計是否符合新課標要求，應(yīng)該看它是否貫徹學(xué)科核心素養(yǎng)，重視培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、創(chuàng)新精神和自主可控意識。

搖桿控制角色的教學(xué)設(shè)計旨在讓學(xué)生經(jīng)歷完整的問題解決過程，包括分析問題、設(shè)計算法、驗證算法和優(yōu)化算法，從而培養(yǎng)他們的計算思維。在這個過程中，還鼓勵學(xué)生自主探索、自主創(chuàng)新，培養(yǎng)他們的探索創(chuàng)新精神，同時提升學(xué)生的自主可控意識，培養(yǎng)他們實現(xiàn)自主可控目標的能力。

2.科學(xué)設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)群，構(gòu)建計算思維和創(chuàng)新精神培養(yǎng)途徑

新課標將計算思維定義為在解決問題的過程中，運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法進行抽象、分解、建模、算法設(shè)計等的一系列思維活動。在教學(xué)過程中，這也應(yīng)該由符合思維習(xí)慣和邏輯關(guān)系的遞進式教學(xué)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。為了符合新課標的要求，教學(xué)中需要采用任務(wù)群的方式設(shè)計教學(xué)任務(wù)。在設(shè)計教學(xué)任務(wù)時，要注意任務(wù)的真實性、意義性、情境性、實踐性、關(guān)聯(lián)性、創(chuàng)造性等，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。任務(wù)群是否能夠有效地分解知識點，逐步培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的自主可控能力，也是評價教學(xué)設(shè)計質(zhì)量的一個重要標準。

搖桿控制角色的教學(xué)設(shè)計分為三個部分：分析問題、設(shè)計和優(yōu)化算法、編程驗證。在分析問題時，要按照問題描述、條件分析、目標結(jié)果的框架引導(dǎo)學(xué)生。在設(shè)計和優(yōu)化算法時，要把搖桿算法分為基本控制算法和優(yōu)化控制算法兩個層次?；究刂扑惴ㄓ旨毞譃樗膫€方向的算法，先以搖桿右撥為例，探索搖桿動作和傳感器數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，設(shè)計控制飛船右移的算法，然后探索左移、上移、下移等其他方向的算法，在此基礎(chǔ)上再通過體驗程序發(fā)現(xiàn)逃避隕石需要加速的需求，以搖桿右撥為例進行優(yōu)化，設(shè)計出更好的搖桿控制飛船角色的算法。這樣的遞進式探索任務(wù)既能夠培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新精神，從而培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的人才，實現(xiàn)國家在科技領(lǐng)域的自主可控目標。

3.結(jié)合學(xué)情模塊實踐，優(yōu)化計算思維培養(yǎng)效果

實踐是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在基于開源硬件的圖形化編程教學(xué)中，實踐可以讓學(xué)生在動手操作的過程中提高邏輯思維和創(chuàng)造力，也可以讓學(xué)生感受到編程與生活的聯(lián)系，拓展知識視野，在實踐中提升自主可控意識。因此，教學(xué)設(shè)計中實踐環(huán)節(jié)的實效是評價是否符合新課標要求的一個重要標準。

搖桿控制角色的教學(xué)涉及圖形化編程基礎(chǔ)知識、測控板知識、搖桿傳感器知識、分支流程知識等。搖桿傳感器的工作原理、分支流程是設(shè)計搖桿控制角色算法的基礎(chǔ)，而圖形化編程基礎(chǔ)知識和測控板知識是學(xué)生已經(jīng)掌握的內(nèi)容，所以在設(shè)計實踐操作時，與這兩部分相關(guān)的操作由教師提供半成品程序來解決。在驗證設(shè)計好的算法時，搭建腳本編程實現(xiàn)環(huán)節(jié)采用模塊化實踐方式。獲取搖桿傳感器數(shù)據(jù)作為一個實踐模塊，在搖桿控制角色時把上、下、左、右四個方向的編程分為四個實踐操作模塊，并提示學(xué)生四個實踐操作模塊可互相借鑒。這樣的模塊化實踐操作可以反向促進學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，優(yōu)化計算思維培養(yǎng)效果，提升學(xué)生自主可控能力。

結(jié)束語

在圖形化編程教學(xué)中，教師應(yīng)該以問題為導(dǎo)向、項目為載體、探究為方式、合作為手段、評價為支撐，以激發(fā)學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性和參與性，引導(dǎo)學(xué)生動手操作、動腦思考，從表面現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)深層規(guī)律，不僅會使用單一技術(shù)還能綜合應(yīng)用，進而獲得知識和能力的提升。當然，基于“搖桿”傳感器的圖形化編程教學(xué)對新課標的實踐還有很多需要改進的地方，如培養(yǎng)科學(xué)精神的教學(xué)效果量化評價、提升自主可控意識的教學(xué)反饋等，筆者在今后的教學(xué)中還需不斷探索和反思。

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