新课标理念下的初中信息科技跨学科单元教学设计

摘要：本文结合生物学科中的病毒溯源与基因重组问题，设计了基于《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》理念的初中信息科技Python编程跨学科教学单元，详细阐述了如何将Python编程的所有知识点和算法整合起来，解决一个具有挑战性的跨学科问题，即利用信息技术手段对病毒中的基因突变点进行溯源，并通过基因修复技术改变和消灭病毒。

关键词：初中；信息科技；跨学科；单元教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）21-0057-03

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中提出：“用不少于10%的课时设计跨学科主题学习。”笔者认为，初中信息科技跨学科单元教学设计应像大树一样，向下要深入学科基础，掌握扎实的信息科技知识和技能，向上要拓展应用领域，将信息科技与其他学科相结合，解决实际问题。那么，如何设计和实施新课标理念下的初中信息科技跨学科单元教学呢？在教学实践中，笔者以“病毒溯源与基因重组”主题为例，尝试将Python编程与生物等学科相结合，设计一个跨学科单元教学内容，让学生在学习编程的同时，理解信息科技在跨学科应用中发挥的重要作用，以及其他学科知识与信息技术相辅相成的关系。

初中信息科技跨学科“病毒溯源与基因重组”单元设计

1.单元案例背景

基于学科特点，许多基础型学科的问题都需要借助信息科技的力量来解决，这种跨学科思维可以帮助学生更好地理解学科知识，对于提高学生的综合素质和创新能力具有重要意义。因此，本单元将生物学问题引入信息技术教学，选定“病毒溯源与基因重组”作为大单元主题，通过Python编程实现功能模拟。

2.单元目标设计

根据初中信息科技课程内容要求，并综合考虑学生跨学科素养发展，笔者将“病毒溯源与基因重组”单元目标确定为：①掌握Python编程的基础知识，包括变量、数据类型、控制结构等；②理解并应用算法思想如列表、字符串处理、数据排序等解决实际问题；③培养跨学科思维能力，将信息技术与生物学知识相结合，解决实际问题；④提升计算思维能力，通过编程实践锻炼逻辑思维和问题解决能力。

“病毒溯源与基因重组”单元学习活动设计

1.第一课时：单元问题的抽象与建模

首先，创设单元大情境。科学家发现某病毒的某个基因突变会让其更强大，传播力增强，我们要用测序仪把某病毒中突变a所在的基因组位置找出来，利用基因工程技术重组基因，对突变进行修复，使某病毒不再突变，消弱它的能力。以后，科学家还可以用这种方法发明基因药物，造福人类。其次，让学生对单元问题进行抽象与建模。先用自然语言描述想法，再用画程软件通过流程图描述问题，进行流程图设计。教师讲解基础知识，包括语法规则、数据类型，让学生先用列表jy=[0，1，’a’，3，4]表示一个基因序列，’a’是基因中的突变点。学生通过画程软件画出流程图，表达算法思想，解决问题。最后，学生通过画程软件中自动生成的程序，初步认识while条件循环和if选择结构，不断判断基因序列中有没有突变，通过枚举算法找到病毒的突变位置，并进行基因重组，感受编程的魅力。

2.第二课时：基础知识学习，输入、输出病毒基因信息

首先，创设情境。病毒基因组的差异决定了病毒的生物学性状不同，也决定了病毒遗传变异的机制。最早发现的病毒变异是病毒性状的变异，如毒性、抗原性、抵抗性、依赖性和空斑变异等。这些都是不同基因组突变表现出的特征。其次，引入本课时要解决的子问题。任务一：给测序仪编程。将测好的一个基因组特征打印在屏幕上Print（）。教师可以通过将讲解、演示和练习相结合的方式，帮助学生掌握语法规则、数据类型等。学生采用小先生法进行小组合作，学会输出信息：print（‘1段基因组说明病毒的毒性’）。教师展示学生的编程作品和学生有创意的语句输出。拓展问题：尝试用一个输出语句打印多个基因组信息，如print（‘毒性，抗原性，抵抗性，依赖性，空斑变异’）。任务二：已知一个基因组的序号和决定的性状，如何输入到计算机中？教师引入变量的概念和int（）函数等知识点，包括变量的作用、命名规则、数据类型（字符串和数值）、int（）函数和input（）特点。学生通过改写输入、输出语句，掌握知识，学会应用。接着，用小先生法进行小组合作学习，测试程序，教师对课堂生成问题进行点拨，培养学生良好的编程习惯。最后，学生填写自评和互评表，展示小组成果，包括程序编程测试情况和课堂活动表现。

3.第三课时：病毒基因序列处理，用列表存储病毒多个基因组信息，用in检测基因组信息

首先，引入情境。教师提问：“你还知道哪些病毒基因组决定的性状？”其次，引入本课时要解决的子问题。任务一：用列表存储病毒多个基因组信息（如图1）。学生通过小先生法进行小组合作，小组同学和教师进行语法纠错，并展示学生的程序作品；利用列表的索引号规则，学会查找列表项；进行程序测试，小组加分，并利用小组合作，讨论找出语法规律，展示列表规则结论。任务二：如何用in找出某一性状在不在基因组中？学生利用合作学习，测试程序，教师点拨并指导语法纠错，总结in的用法。最后，学生对本节课的表现进行自评和互评，了解自己和小组的得分情况。

4.第四课时：病毒溯源算法设计，用if选择结构查找基因突变，完成病毒溯源

首先，学会画流程图和利用流程图表达算法。基因列表中如果有“a”突变，判断病毒来自某地。学生利用画程软件，将伪代码填入程序框架中，初步写出算法，学会选择结构；通过小组合作讨论语句写法。其次，根据if结构，将伪代码转成Python语言。任务一：判断有“a”基因突变的病毒是来自某地。学生编写程序，小组合作调试，展示优秀作品，进行加分和纠错，师生总结语法常见错误，解决课堂生成问题。任务二：用多个突变溯源多个区域，或溯源到具体的某个地点。学生学习elif多路径选择语句或if的嵌套格式，学习创新编程调试。最后，学生完成问卷星选择题，通过做题读程序，了解生活中的选择结构应用实例，拓展编程思路，并动手创作自己的小程序作品。

5.第五课时：用枚举算法定位，在基因序列中用for语句找出有“a”突变的基因组位置

首先，学会利用for语句构思流程图，找出有突变的基因组位置，并用枚举算法解决问题。其次，学生将流程图转化为程序语句，编写并调试程序（如图2）。师生对课堂生成问题进行总结：for语法的格式与优化、语法常见错误纠正、range（）格式优化、缩进的作用等。最后，学生通过完成问卷，了解生活中枚举算法的实例，创意出自己的枚举算法作品，并进行成果展示和加分。

6.第六课时：基因重组模拟，使用while循环找到所有存在a突变的遗传基因片段，并确定突变的位置，修复重构基因

首先，教师可以提供多种基因片段让学生选择，并鼓励学生用画程软件设计流程图，展示算法，尝试用不同的重组策略设计流程图。其次，学生学会利用while语句、枚举、for、if等多种语法和知识完成编程，并调试程序。教师进行知识点拨（如while语法格式规则），学生合作找出while与for的区别。最后，学生通过完成问卷，了解生活中应用while结构的实例，创作生活中的whlie结构程序作品。

“病毒溯源与基因重组”单元实施策略

“病毒溯源与基因重组”跨学科单元是将Python编程的所有知识点和算法整合起来，围绕“病毒溯源与基因重组”主题展开教学。整个教学过程分为基础知识学习、病毒基因序列处理、病毒溯源算法设计、用枚举算法定位和基因重组模拟五个阶段，每个阶段都包含相应的教学活动和评估方式，以确保学生全面掌握所学知识和技能。该单元采取的实施策略主要包括如下几种。

①情境教学。通过创设真实的病毒溯源和基因重组情境，激发学生的学习兴趣和动力。教师利用多媒体教学资源展示病毒传播的过程和基因重组的原理等。

②项目式学习。学生以小组为单位采用项目式学习方式完成一系列学习任务，每个小组都需要设计并实现自己的病毒溯源算法和基因重组模拟程序，并在课堂上进行展示和交流。

③翻转课堂。教师利用翻转课堂模式提高教学效率，在教学中先让学生利用画程等软件设计，然后进行编程调试，针对学生课堂生成的问题组织讨论和实践活动。

④多元化评价。除了传统的编程作业外，还可以结合课堂表现、小组讨论、项目展示、问卷答疑、作品创作等进行多元化评价，以更全面地反映学生的学习情况。

⑤跨学科讨论与总结。在整个教学过程中，教师定期组织跨学科讨论和作品展示会，让学生分享自己的学习成果、创意作品和拓展认知。同时，教师还应引导学生总结所学知识和技能在解决实际问题中的应用价值，思考知识的拓展应用领域。

结束语

笔者将信息技术教学与生物学中的病毒溯源与基因重组问题相结合，设计了基于Python编程的跨学科大单元主题教学内容。这个单元设计涵盖了Python的基础知识和算法，让学生通过整个学习过程，接触到不同学科的知识和思维方式，学会从更多角度分析和解决问题，包括用计算思维方式解决其他学科的问题，培养了学生的跨学科思维能力和计算思维能力，提高了学生的综合素质和创新能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]谈海亚.指向学科核心素养的信息技术单元设计——以“数据统计与分析”单元教学为例[J].中国信息技术教育，2019（17）：47-49.

[3]黄丽君.大单元教学视域下“跨学科学习”任务群的教学策略研究[J].教育信息技术，2024（Z1）：159-162.