行為體驗(yàn)：身邊的算法大單元生活設(shè)計(jì)

摘要：本文基于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》進(jìn)行算法行為學(xué)習(xí)的大單元分析，并結(jié)合“身邊的算法”單元設(shè)計(jì)“菜博會(huì)”大單元情境下的三個(gè)項(xiàng)目，展示如何引導(dǎo)學(xué)生通過抽象、分解、建模、迭代來解決問題，加深學(xué)生對(duì)算法的理解，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：大單元；算法；行為體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）13-0024-03

人工智能時(shí)代下的小學(xué)信息科技課程，不僅需要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本概念、基本原理的理解和認(rèn)識(shí)，而且要引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)遷移運(yùn)用到實(shí)際生活中，關(guān)注學(xué)生生活行為體驗(yàn)，使其真正做到“學(xué)以致用”。在真實(shí)情境中解決問題往往涉及多種算法的綜合運(yùn)用，而以課時(shí)為單位的教學(xué)會(huì)人為將知識(shí)割裂。為了有效解決這一問題，筆者以“身邊的算法”單元為例，從學(xué)科單元視角出發(fā)設(shè)置大情境，旨在探討如何在小學(xué)信息科技課程中將學(xué)生日常生活與算法緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

算法行為學(xué)習(xí)的大單元內(nèi)容分析

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中提出：具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對(duì)問題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過設(shè)計(jì)算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問題。泰山版信息科技六年級(jí)中的“身邊的算法”大單元學(xué)習(xí)目標(biāo)緊密貼合新課標(biāo)的要求：一是理解算法概念，從生活具體場(chǎng)景中抽象出算法過程；二是將計(jì)算思維應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中以解決具體問題。筆者根據(jù)本單元學(xué)習(xí)目標(biāo)，以壽光菜博會(huì)為大情境設(shè)計(jì)了三個(gè)微項(xiàng)目：微項(xiàng)目1“購買門票方案擇優(yōu)”、微項(xiàng)目2“規(guī)劃最優(yōu)游覽路線”、微項(xiàng)目3“交通算法迭代改進(jìn)”。三個(gè)微項(xiàng)目都是真實(shí)情境下的真實(shí)問題，有助于從學(xué)生生活行為體驗(yàn)出發(fā)，培養(yǎng)計(jì)算思維。六年級(jí)學(xué)生認(rèn)知水平處于從具象思維向抽象思維過渡的時(shí)期，他們具備一定的生活經(jīng)驗(yàn)，在五年級(jí)學(xué)習(xí)算法相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，初步具備歸納抽象算法的能力，本單元側(cè)重于算法的應(yīng)用實(shí)踐?；诖?，筆者繪制了三個(gè)微項(xiàng)目的思維導(dǎo)圖（如下頁圖）。

算法行為學(xué)習(xí)的大單元項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.情境創(chuàng)設(shè)

對(duì)于本市的學(xué)生來說，菜博會(huì)作為文化符號(hào)已經(jīng)融入生活。因此，筆者將菜博會(huì)納入課程設(shè)計(jì)的大情境，以增強(qiáng)與學(xué)生日常生活的相關(guān)性。通過將算法學(xué)習(xí)與菜博會(huì)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)相結(jié)合，來深化學(xué)生對(duì)算法原理的理解，并激發(fā)他們對(duì)經(jīng)濟(jì)事件的興趣。

2.項(xiàng)目設(shè)計(jì)

微項(xiàng)目1：購買門票方案擇優(yōu)

為拓展學(xué)生視野，學(xué)校計(jì)劃組織五年級(jí)3班的學(xué)生和教師參觀菜博會(huì)，共有25名學(xué)生和3名教師自愿參加。門票分為三種：成人票每張50元，學(xué)生票每張35元，10人及以上團(tuán)體票每人40元。需要計(jì)算不同的購票組合及其總成本。

任務(wù)一：枚舉購票方案。

教師活動(dòng)：出示要求，要求學(xué)生小組討論并制訂購票方案，枚舉出所有可能的方案。

學(xué)生活動(dòng)：小組討論、分析所有可能的方案。方案一：為所有學(xué)生和教師分別購買學(xué)生票和成人票。方案二：為所有人購買團(tuán)體票。方案三：結(jié)合學(xué)生票、成人票和團(tuán)體票，嘗試找到成本最低的組合。

菜博會(huì)購票可采用枚舉算法，把所有可能的解決方案一一列出。對(duì)于較小的問題規(guī)模，這種方法是可行的。

任務(wù)二：分解問題，優(yōu)化算法。

教師活動(dòng)：請(qǐng)學(xué)生思考三種方案中的20種組合哪種組合花費(fèi)最低，并出示已經(jīng)填好的表格讓學(xué)生觀察，要求討論方案三中總金額與學(xué)生票數(shù)之間有什么關(guān)系，說出規(guī)律，設(shè)計(jì)求解方案三中最小總金額的算法。

學(xué)生活動(dòng)：小組觀察表格并探究總金額與學(xué)生票數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)教師提示得出求解方案三中最小金額的算法。

本環(huán)節(jié)旨在利用學(xué)生對(duì)枚舉算法的了解，通過方案三的最小總金額問題，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)并利用數(shù)值規(guī)律；通過構(gòu)建問題鏈，指導(dǎo)學(xué)生得出更高效的解題策略，從而深刻體驗(yàn)算法優(yōu)化和迭代過程的實(shí)用性與趣味性。

任務(wù)三：補(bǔ)全流程，驗(yàn)證程序。

教師活動(dòng)：請(qǐng)學(xué)生思考三種方案中哪種方案花費(fèi)最少并用程序驗(yàn)證。提供資源包，要求學(xué)生補(bǔ)全流程圖，并使用“支架”程序，拼接驗(yàn)證。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)要求補(bǔ)全流程圖，完善程序。

本環(huán)節(jié)旨在簡(jiǎn)化問題，利用流程圖輔助，降低問題復(fù)雜度，幫助學(xué)生更清晰地把握算法邏輯，確保程序驗(yàn)證能順暢執(zhí)行。

微項(xiàng)目2：規(guī)劃最優(yōu)游覽路線

菜博會(huì)每年都舉行，作為熱愛家鄉(xiāng)的小學(xué)生，應(yīng)力所能及地為菜博會(huì)貢獻(xiàn)力量。教師展示菜博會(huì)招聘公告，組委會(huì)正面向全市六年級(jí)學(xué)生招聘“綠色小導(dǎo)游”。

任務(wù)一：熱身活動(dòng)，做好知識(shí)鋪墊。

教師活動(dòng)：扮演組委會(huì)，出示面試題。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)要求，在任務(wù)單中填寫內(nèi)容，回答提問。

此環(huán)節(jié)識(shí)圖辨方向融合五年級(jí)數(shù)學(xué)《方向和位置》，為讀懂地圖做好知識(shí)鋪墊。

任務(wù)二：規(guī)劃參觀，選擇最優(yōu)線路。

教師活動(dòng)：明確規(guī)則，要求學(xué)生以導(dǎo)游身份規(guī)劃一條不重復(fù)參觀四個(gè)場(chǎng)館的路線，并在地圖上標(biāo)示出最佳游覽路線。

學(xué)生活動(dòng)：在任務(wù)單上標(biāo)記三條不重復(fù)的游覽路線，并在地圖上標(biāo)注。通過小組合作，用自然語言交流各自的算法思路。

本任務(wù)旨在培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)踐探索和比較，自主確定最優(yōu)游覽路線，以深化對(duì)計(jì)算思維的理解和應(yīng)用。

任務(wù)三：迭代算法，模擬救援。

教師活動(dòng)：（出示模擬救援任務(wù)）二號(hào)廳到入口道路臨時(shí)封閉，導(dǎo)致老奶奶迷路無法返回，此時(shí)距離發(fā)車還有15分鐘，規(guī)劃最優(yōu)線路快速找到老奶奶，安全送回。注意，地圖中每移動(dòng)一格，需要1分鐘。請(qǐng)同學(xué)們討論營(yíng)救方案，并把流程圖補(bǔ)充完整，根據(jù)流程圖制作程序。

學(xué)生活動(dòng)：小組討論，制訂營(yíng)救方案，找到最優(yōu)解。

此環(huán)節(jié)旨在通過模擬緊急情境，讓學(xué)生實(shí)踐優(yōu)化算法。學(xué)生需在限定時(shí)間內(nèi)找到救援路線，體會(huì)算法選擇對(duì)問題解決的重要性，從而鍛煉解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力。

微項(xiàng)目3：交通算法迭代改進(jìn)

針對(duì)菜博會(huì)日益增長(zhǎng)的游客量而產(chǎn)生的擁堵問題，請(qǐng)學(xué)生分析擁堵原因，并運(yùn)用算法提出改善人流管理的策略，如調(diào)整入場(chǎng)時(shí)機(jī)、行進(jìn)速度和游客分布，以優(yōu)化游覽體驗(yàn)。

任務(wù)一：從生活出發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題。

教師活動(dòng)：出示問題，在規(guī)劃游覽線路時(shí)，在三條可選的場(chǎng)館游覽路徑中，大部分學(xué)生選擇路徑最近的兩條。通過播放菜博會(huì)現(xiàn)場(chǎng)視頻可以看出，由于這兩條路徑選擇的人數(shù)較多，它們反而成了最擁堵的線路，嚴(yán)重影響參觀體驗(yàn)。請(qǐng)學(xué)生從路線選擇角度，分配合理路線解決擁堵問題。

參觀規(guī)定：每個(gè)導(dǎo)游一次只帶一個(gè)團(tuán)出發(fā)，每個(gè)場(chǎng)館只能參觀一次，一條線路的參觀時(shí)間限定為20分鐘。

學(xué)生活動(dòng)：合作探究，討論緩解擁堵的方法，并從選線路角度給出合理化建議。

本任務(wù)旨在通過實(shí)際的擁堵問題激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，使其體驗(yàn)解決現(xiàn)實(shí)問題的復(fù)雜性。

任務(wù)二：設(shè)計(jì)算法，解決問題。

教師活動(dòng)：通過視頻展示銀行和醫(yī)院使用的叫號(hào)系統(tǒng)，啟發(fā)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)一個(gè)類似的“叫號(hào)”程序來分散菜博會(huì)的客流壓力。該程序的目標(biāo)是通過分時(shí)段引導(dǎo)團(tuán)隊(duì)入場(chǎng)，緩解擁堵。為加深對(duì)算法執(zhí)行的理解，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行角色扮演，xjrN2XM5nVZ4tubNi9BbWQ==模擬程序運(yùn)作：一名學(xué)生代表叫號(hào)系統(tǒng)，其他學(xué)生代表導(dǎo)游，教師模擬計(jì)時(shí)器。在模擬中，每20秒代表20分鐘的等待時(shí)間，叫號(hào)系統(tǒng)依次為導(dǎo)游分配線路，直至出現(xiàn)等待情況。

學(xué)生活動(dòng)：在教師的指導(dǎo)下，參與討論并明確軟件的基本需求。首先，程序應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別并分配空閑線路中編號(hào)最小的一條；其次，當(dāng)所有線路繁忙時(shí)，應(yīng)顯示“場(chǎng)館擁堵，請(qǐng)等待20分鐘”的信息；最后，設(shè)定每條線路的游覽時(shí)間為20分鐘，并在時(shí)間結(jié)束后將其更新為空閑狀態(tài)。

本環(huán)節(jié)采用演示法來加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)。在程序設(shè)計(jì)階段，通過設(shè)置問題鏈引導(dǎo)學(xué)生逐步攻克算法難題。

教師活動(dòng)：出示算法演示動(dòng)畫，請(qǐng)同桌用語言互相描述算法流程。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)要求完成具體任務(wù)，小組合作探究，自然語言描述算法。

將身邊的算法通過演繹、轉(zhuǎn)化逐步抽象為數(shù)學(xué)問題，注重學(xué)生行為體驗(yàn)研究。

任務(wù)三：設(shè)計(jì)程序，完成算法驗(yàn)證。

教師活動(dòng)：提供“叫號(hào)”程序半成品，要求學(xué)生完善程序，解決擁堵問題。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)任務(wù)要求，完成程序拼接。

結(jié)束語

雖然課堂內(nèi)模擬真實(shí)情境存在局限，但大單元教學(xué)模式通過將算法與生活實(shí)踐相結(jié)合，提供了新的學(xué)習(xí)視角。大單元教學(xué)模式下的算法教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的有效補(bǔ)充，它不僅提高了學(xué)生的信息科技素養(yǎng)，更在全面提升學(xué)生綜合素養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用。

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