基于新课标发展计算思维的算法教学

基于“大概念+大单元”的教学设计，正通过广泛融合项目式学习而异军突起，成为时下热门的教学内容及设计方法。如何正确地区分大单元与常规单元、大概念与教学模块？本次解码就让我们从教学一线设计来观察与论证，寻找大单元中大概念相互融合进行AI教学设计的路径。

摘要：本文以“身边的算法”为研究对象，开展基于《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》理念下的算法教学实践，试图构建以计算思维为核心，以算法为目标，以代码为载体，融合、立体和可生成式的算法教与学，从而实现科技教学的科与技并重。

关键词：信息科技；身边的算法；计算思维

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）15-0044-04

在信息科技新课程背景下，如何开展基于《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）、发展学生计算思维的算法教学课程实践，是笔者近期在课题研究中的实践探索。笔者根据生活中常见的扫地机器人，设计“机器人路线巧规划—妙用循环结构”学习项目，让学生基于真实的问题情境分析问题，学习算法中的循环结构的科学原理，并结合编程灵活应用，创作扫地机器人数字化作品，在“做中学、用中学、创中学”，在体验计算机运用科学原理与技术解决问题过程中，引导学生领悟科学原理，发展学生的计算思维核心素养，提升学生科学探究、跨学科解决问题的关键能力，实现“科学原理与实践应用并重”的学科育人目标。

“身边的算法”课程教学实践的背景

“身边的算法”是信息科技小学阶段五、六年级重点学习的内容，是发展学生计算思维核心素养的关键单元。但当前的算法教学存在两个误区：一是侧重编程逻辑思维的培养，忽视了算法的原理与计算机系统结构的分析；二是在新课标中的算法科学原理部分增加后，教师又选择了教师讲、学生听的传统教学方式，重点关注学生学习算法的科学原理，忽视引导学生运用编程技术实现算法问题，缺乏对学生高阶思维能力的培养。

因此，新课标下的“身边的算法”教学实践需要以计算思维培养为核心，重新构建新内容、开展新实践、探索新策略。“身边的算法”单元教学既要走出“技能训练”的编程教学，也要防止掉入“坐而论道”的原理学习。

新课标背景下“身边的算法”课程教学实践策略

针对新课标背景下算法教学的现状，有学者倡导以计算思维为核心，以算法为目标，以代码为载体，建立更加融合、立体和可生成式的算法教与学，实现科技教学的科与技并重。在这种教学理念的支持下，笔者开展了基于新课标发展计算思维培养的算法教学实践。其本质就是在新课标的指导下，基于真实问题情境，引导学生运用计算机科学的思维方法与思维活动，利用计算机工具（算法的科学原理、编程技术、编程思维方法）解决问题的过程，主要包括分析问题、分解、抽象、建模、设计算法、编程调试验证等步骤。

基于此，笔者架构了新课标背景下发展计算思维的算法教学的实施模式（如图1），其中，明线是教学组织的5个环节，暗线是算法学习的6个步骤（学科知识学习的逻辑），涵盖了发展学生计算思维核心素养的6个阶段。

新课标背景下“身边的算法”课程实施教学案例

下面，笔者以“身边的算法”为例，展示具体教学，教学流程如图2所示。

1.创设情境，引出算法问题

教师创设情境：很多人家里都有扫地机器人，你知道它为什么可以自动清扫所有房间的卫生吗？请大家带着疑问，观看视频。

学生很容易发现扫地机器人的奥秘，这一方面是因为它的硬件，包括扫地装置、触碰传感器和指南针传感器，另一方面是因为它的软件（程序）能够让机器人按照规划好的路线边走边打扫。

教师提出问题：在前面的课程中，我们学习了顺序、选择结构等基础的算法知识，那么机器人自动扫地背后又隐藏着怎样的算法呢？从而引出本节课主题。

设计意图：通过在生活中创设问题情境，引出关键的算法问题，激发学生兴趣与思考。

2.体验算法，头脑风暴

师生互动：学生上台体验“扫地机器人路线巧规划”范例作品，扫地机器人自动按照弓字形边行走边打扫地面的垃圾，回到终点停止。

教师提问：通过观察，你发现了什么？引导学生思考，并讨论关键问题—机器人行走的路线有什么规律？过程是怎样的？

接着师生互动，初步感知扫地机器人路线的规律—按照弓字形行走，这样的过程重复3次。

师生互动，结合课前范例作品，逐步分析机器人路线规划背后的算法关键—循环结构。

设计意图：以学生为主体，引导学生理解机器人行走路线的规律，尝试将复杂的算法问题分解为一个个简单的算法问题，培养学生分析问题、分解问题的能力。

3.合作探究，算法实现

（1）如何利用算法编程实现？

任务1：扫地机器人按弓字形路线向右行走。

①参考范例，分析机器人走弓字形过程的第一步，引导学生提炼关键词—匀速向右、边走边扫、遇到边缘停止。

②结合前面所学的编程知识与方法，找到模块v“面向90方向，移动3步，下一个造型”。

③如何实现遇到边缘停止？师生互动，探索关键—重复执行直到，并示范编程验证。

④学生完成任务1，教师总结并提问：什么是直到循环呢？

⑤观看微视频，认识“直到循环”，初步了解循环的两个要素：循环条件与循环体。接着学生上台，将任务1程序中的循环条件与循环结构拖入循环结构流程图（如图3），初步感知直到循环的结构，尝试理解循环体与循环条件。

设计意图：通过感知直到循环的结构，初步理解循环的要素—循环条件与循环体。以教师为主导，依托编程，探究算法，解决问题，引导学生做中学、学中做，体现编程与算法原理并重。

（2）机器人下一步又如何行走？如何编程实现？

任务2：观察分析机器人走弓字形过程的第二步。

①引导学生提炼关键词—匀速向下、边走边扫、移动固定距离。

②结合任务1的编程知识与方法，学生示范，调整积木—“面向180方向”。

③实现移动固定距离：师生互动，探索关键—重复执行（）次，并探索尝试发现：重复执行20次移动距离刚好合适。

④学生参考学习文档，实践任务2：向下走。

⑤学生完成任务2，教师总结并提问：什么是计数循环？

⑥观看微视频，认识计数循环，初步了解计数循环与直到循环的异同—循环条件不同。

⑦学生上台，将任务2程序中的循环条件与循环结构拖入计数循环结构流程图（如下页图4），初步感知计数循环的结构，深入理解循环体与循环条件。

设计意图：通过感知计数循环的结构，再次理解循环的要素—循环条件与循环体。帮助学生深入观察分析机器人行走的过程，理解计数循环与直到循环，指导学生针对不同的情境，运用不同的循环结构编程实现机器人行走。

（3）从提出问题到解决问题，“弓字形”剩下的两步又如何走？

①继续分析机器人走弓字形过程的第三步和第四步：往左走到边缘，再向下走固定距离。

②引导学生分析第三步的往右走与第一步的往左走，发现关键—改变方向，改变循环条件，而第四步与第二步其实是一样的。

③师生互动，示范编程验证。

④学生参考学习文档，实践任务3：走完4步（如下页图5）。通过应用任务1与任务2的知识方法，引导学生快速解决任务3的问题，从而实现知识的迁移与运用，关注“技术输出”。

（4）拓展任务：规划全屋路线

学生运用本节课所学的计数循环，自主探索，完成拓展任务，如添加声音、语音等功能，让扫地机器人更有人性化，更富创意。

设计意图：通过拓展任务，引导学生做中学、学中创，从而实现学生的分层教学，注重学生个性化表达与创新精神。

4.作品分享，师生互评

学生上台分享展示作品，教师引导反思程序。教师结合板书，依据作品评价标准（任务完成度），展开师生互评，从而引导学生体验编程乐趣，学会分享，学会评价。

5.总结内容，拓展质疑

①师生互动：借助思维导图，共同总结本节课所学。

②教师提出拓展任务—生活中还有哪些使用循环结构解决问题的实例，并展示红绿灯、电梯、上课铃声等，引导学生运用所学，拓展认知。

③教师提出新问题：如果房间里面有桌子、椅子等障碍物，我们的算法能绕过去吗？

④学生观看微视频，发现房间有的区域不能打扫，这时教师引导学生认识当前算法的局限性。

⑤呈现扫地机器人为解决各种复杂环境下的路线问题设计了多种算法技术，引导学生应用算法让世界更智能更美好。

结语

本节课紧紧围绕新课标的课程内容要求，基于真实的算法问题，通过5个环节，层层深入，重点引导学生经历算法学习的6个步骤，在真实的情境中，引导学生理解算法中的结构，并运用编程知识、技术与工具创作作品，发展学生的算法思维。

参考文献：

胡金锦.融通·激活·重构：大概念统领的算法单元教学策略探索——以“排序算法”为例[J].中国信息技术教育，2024（09）：31-35.

本文系2022年度中山市教育科研课题“智慧教育环境下基于能力点的小学信息技术教学模式研究”（项目编号：C2022172）、2023年度中山市教育科研课题“面向计算思维培养的小学Mind+教学策略的研究”（项目编号：B2023089）的研究成果。