基于实验教学的小学信息科技编程算法实践研究

摘要：本文选取新课标第三学段“身边的算法”的内容模块，以Python for循环语句为例，设计以实验为基础的学习活动，旨在探索和解决编程算法原理探究与科技实践应用的挑战，有效提升学生核心素养。

关键词：实验教学；小学信息科技；编程算法

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）22-0000-03

问题提出

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确提出信息科技课程“要遴选科学原理与实践应用并重的课程内容，体现‘科’‘技’并重”。《中小学实验教学基本目录（2023年版）》梳理了新课程理念下构建学科核心概念、核心规律、核心实验素养与技能所应开展的基础性实验及实践活动，其中包括信息科技、信息技术、编程等丰富多样的实践活动形式。教育部在发文《加强信息科技实验教学，发挥信息科技育人价值》中强调：“在信息科技课程教学中，必须重视学科实践和实验教学。”然而，在现实的教学中，小学信息科技编程教学注重编程技能的培养，缺乏对原理和问题的探究。这种教学模式限制了学生创新思维和创造能力的培养，同时，实践活动的缺乏也影响了学生将理论知识应用于实际问题解决的能力。为探索和破解编程算法原理探究和科技实践实施的难题，有效落实新课标的要求，提升学生的核心素养，本文选取新课标第三学段“身边的算法”的内容模块，基于learnsite学习平台和笔者自主开发的思维可视化交互学习工具，以Python for循环语句为例，设计探究循环算法原理的实验学习。

教学设计

本课选自新课标第三学段“身边的算法”的内容，引入了生活中的实例——中式古建筑的花窗图案。本课的教学目标为：通过实验探究理解算法的循环控制结构；能用自然语言、流程图描述算法；通过明确的、可执行的操作步骤描述问题的求解方案，并用程序进行验证，得出结论；把实验结论应用到实际案例中，解决问题。

1.创设情境

教师展示中国的古典建筑——花窗图案，介绍花窗图案的寓意。在学生了解多个花窗图案和寓意后，教师提出问题：“同学们能发现这些花窗图案有什么规律吗？”学生回答：“这些花窗图案是由某个图形重复旋转或平移得到的。”教师强调这个图形为循环算法中的“基础图形”。教师通过深入提问“计算机编程中如何快速画出这些有规律的重复图案呢？”进一步引发学生思考。六年级的学生在五年级上册已经学习了编程猫中的重复执行积木，但当时学生只了解角色动作的重复执行，对其中的原理缺乏深入的探究。教师播放微课，回顾编程猫的重复执行积木，并引出Python for循环语句。

2.实验探究

与编程猫的重复执行积木不同，Python编程中的for循环语句在每一次循环中都有一个参数在不断发生变化，这个参数让循环执行拥有了“判断力”。每次循环，判断循环参数是否还在序列中。如果在，取出该值提供给循环体内的语句使用；如果不在，则结束循环。教师引导学生进行试验探究，让学生在实验中获取循环算法的原理，在实验探究中完成教学目标。

实验探究共分为四个步骤，即分析问题、提出假设、实验验证、得出结论。学习小组利用笔者设计的思维可视化交互学习工具，通过实验探究理解for循环算法的原理和用法，培养计算思维。

（1）分析问题

学生通过微课掌握了for循环语句的基本结构，并了解了控制循环次数的关键语句。通过Python语言中独特且严格的缩进规则让学生明白在for循环中如何正确使用基本的控制语句。教师提供了一段程序代码，学生需要根据这段代码分析出循环体中生成的基础图形，并使用画笔在交互学习工具中画出来。学生将独立完成这一步骤，通过他们绘制的基本图形，教师可以获取反馈，从而判断学生是否已经理解for循环语句的结构。这样的反馈有助于教师评估学生的理解程度，并据此调整教学策略，以确保实验探究活动能够顺利进行。

（2）提出假设

学生通过小组合作的方式，积极讨论并推测基础图形在循环中的重复执行次数。他们需要利用交互学习工具模拟并绘制出重复后的完整图案，这个过程让学生的思维可视化，为小组讨论、分享思考的过程提供了支架。在这个过程中，变量i的变化是关键，学生不仅要猜测i的初始值和最终值，还要探讨在每次循环迭代中i的具体变化，并详细记录这些变化。在实验探究的过程中，学生提出的假设并非无中生有，而是基于他们已有的知识和经验，对实验过程进行合理的推论和预测。教师可以通过学生的假设观察他们的思维过程，了解他们是如何将已有知识与新问题联系起来的。这种基于假设的探究方式不仅能够激发学生的好奇心，促使他们积极思考问题的多种解决方案，而且还能鼓励学生运用逻辑推理来构建合理的解释。这样的过程有助于培养学生的批判性思维能力，使他们能够更加深入地分析问题，评估不同解决方案的可行性，并从中选择最佳的解决路径。

（3）实验验证

学生通过登录learnsite学习平台，自主运行Python程序来进行实验验证。这一步骤学生能够独立操作。随着程序的执行，他们将深入理解Python中for循环的语法结构及算法原理。学生需要仔细观察Python海龟如何根据基本图形画出重复后的图案，记录变量i在每次循环迭代中的变化情况，并将这些观察结果与先前的猜想进行对比，验证其一致性。这种观察过程对于学生把握循环逻辑的原理至关重要，它不仅帮助学生形成准确的结论，还有助于培养他们的观察力、分析力和逻辑思维能力。这一过程也鼓励学生勇于提出假设，并在实践中检验这些假设，从而不断优化自己的思考和解决问题的方法。

（4）得出结论

在完成实验验证后，学生进入结论提炼阶段。他们将仔细对比最初的猜想与实验得到的结果，通过这种对比分析，学生能够明确得出实验结论。具体来说，他们将理解在for i in range（n）循环算法中代码块会重复执行n次，而变量i则会从0开始依次变化，直到n-1；而i每变化一次，控制体中的基本图形将重复执行一次；当i不满足循环体条件时，即i大于等于n时，循环将结束。这一发现帮助学生深入理解了for循环算法的工作原理，并且强化了他们对循环控制结构的认识。

得出结论的过程涉及对实验探究中收集的所有数据和观察到的结果进行系统的整理和分析。通过这样的实践，让学生学会了如何从复杂的现象中提炼出本质规律，并将这些规律应用到新的情境中去，这对于培养他们解决实际问题的能力具有重要意义。此外，这种基于证据的推理过程也让学生认识到，科学结论的形成是一个严谨的思考过程，需要有充分的证据和进行合理的论证。

最后，教师对实验探究过程进行了细致的反馈，并对此进行了小结，重点阐释了for循环算法的工作原理。针对学生的实验结果和遇到的问题，教师适时引入了教学微课，这种教学方法确保了教学内容能够根据学生的学习情况和需求来调整，实现了以学定教。

3.实践应用

在本环节，教师引导学生进行小组合作，学以致用。学生以小组为单位选择其中一个花窗图案在交互学习工具上进行分析并记下步骤。学生在小组内讨论出算法，组长则负责在工具里画出来和写下步骤；小组各成员在自己计算机上编写程序、调试程序，保存上交；完成的学生可欣赏其他小组的编程作品，并给予点赞和评分；最后，教师邀请小组上台展示设计思路和程序。通过实践应用环节，让学生把掌握的知识应用到实际案例中，使学生对for循环语句有了更深的理解。

4.分享小结

在课堂的最后阶段，教师鼓励学生分享学习心得，并共同回顾本课的重点和难点。这一过程不仅巩固了所学知识，而且促进了学生之间相互学习和思想交流。

教学反思

1.借助教学资源和平台，搭建学习支架

实验教学与编程算法教学相结合的课堂实践需要教师给学生提供及时且充足的学习支架，让学生能够有效地利用各种学习资源，主动积极地开展实验活动。在本节课中，学生能借助笔者自主开发的思维可视化交互学习工具分析for循环语句的基础图形，猜想循环一定次数后画出的图形，对变量i的变化进行判断和填空，快速地保存结果，并把分析结果通过learnstise平台与其他同学进行分享。因为有了交互学习工具和learnsite学习平台辅助教学，学生的思维变得可视化、可分享，小组的实验探究、交流的时间大大缩短。同时这样也能记录学生实验探究的过程，记录学生的学习数据和成果，方便教师根据反馈调整教学。

2.充分设计实验探究活动，创新教学内容

实验教学与编程算法教学相结合的课堂实践关键在于实验活动的设计。作为信息科技教师，要对教学内容进行优化，并充分结合学生的认知特点，设计生动有趣的实验活动，推进以学生为主体的学习方式创新。本案例结合小学六年级学生的认知特点，根据中国古典建筑中花窗图案重复且有规律的特点进行情境创设，让学生认识到程序能解决重复性问题，并进行for循环语句的探究，通过分析、假设、验证、结论等环节，让学生在自主探究中明白for循环语句的原理，化被动为主动，达到对问题的深入理解。

结语

本研究通过深入探讨与实践，见证了实验教学法在小学信息科技编程算法教学中的显著成效。实验结果表明，这种教学方法能够显著提高学生对算法的理解和应用能力，同时也增强了他们的创新意识和实践技能。未来，我们将继续探索和优化教学策略，以期在小学信息科技教育领域取得更加丰硕的成果，为培养下一代的领军人才奠定坚实的基础。

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（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022．

[2]熊璋.“科”“技”并重：义务教育信息科技课程标准解读——访义教信息科技课标组组长熊璋教授[J].中国信息技术教育，2022（09）：4-7．