以拔尖创新人才培养为导向的小学数学跨学科游戏化教学设计

拔尖创新人才的培养需贯穿基础教育全过程，小学数学作为培养学生高阶思维发展的基石，亟需构建符合拔尖创新人才早期培养需要的教学模式。本文结合“人航熊（文创产品）在哪里”教学案例，探讨“创设情境任务—融合学科知识—反思创新实践”的跨学科游戏化教学的设计路径，论证其对提升学生分析、综合、评价、创造等高阶思维能力的有效性，为小学数学拔尖创新人才培养提供实践范式。

一、创设情境任务，提升逻辑推理与分析能力

“人航熊在哪里”活动以北师大版数学二年级《方向与位置》单元、科教版科学二年级《太阳的位置与方向》为基础，通过设置寻宝（人航熊）情境引导学生综合运用基数、序数、方向概念等知识以及方向词语和空间定位解决实际问题。教师以校园环境为背景，设计了一条融合方向词语（如东、南、西、北）、空间定位（如上下、左右、序数）以及科学学科中太阳位置与方向关系知识（利用太阳东升西落规律辨别方向）的寻宝线索。学生以5～7人为一组，分5个小团队，从不同初始位置出发，依次循着三条线索找到藏宝地点。

具体任务流程如下。活动设置的第一条线索指向方向词语与基础定位。如“国旗杆下”小队的首条线索为“向东走，启航楼楼道口第2间教室”。学生需要准确识别方向“东”，并结合科学学科中的太阳位置与方向关系的知识（如上午时太阳位于东方）验证方向的准确性。在实际导航过程中，学生需观察教学楼、楼道口等校园标志物，运用“第2间教室”的序数表达等空间定位概念规划路径。第二条线索指向空间概念。学生抵达启航楼楼道口第2间教室后，发现第二条线索提示“向上走2层，盆栽下”。此任务要求学生理解“上”“下”的空间方位，并通过数楼层（涉及基数与序数的转换）确定目标位置。例如，学生需从当前楼层开始计算“向上2层”，并精准定位盆栽所在位置，训练空间感知与逻辑推理能力。第三条线索“向北走，从西数第3间教室窗台上”，指向综合方向与序数的复杂定位。学生需结合“北”的绝对方向与“从西数第3间”的相对序数定位，同时调用科学学科中太阳位置与方向关系的知识辅助判断。若活动时间为上午，学生可利用“太阳位于东方”的规律验证方向“北”的准确性。

借助情境化的挑战性任务，学生将抽象的数学概念理解转化为行为表现。活动线索从简单的方向词语（如“向东走”）逐步过渡到复杂的序数定位（如“从西数第3间教室”），符合学生的认知发展规律。这种递进式设计符合心流理论中“技能与挑战平衡”的原则，能使学生始终处于最近发展区，有效调动多元智能，从而为拔尖创新人才的早期培养提供支持。

二、融合学科知识，强化解决问题能力

本案例设计采用两门学科融合策略。一是数学与科学的显性结合。学生在活动中综合运用数学“方向与位置”单元知识与科学“太阳的位置与方向”单元知识，判断线索指向的位置。学生需综合应用“东、南、西、北”概念与“太阳东升西落”的规律判断方向。特别是在第三条线索中，学生被要求“利用正午太阳高度角缩小搜索范围”，即通过测量影长判断时间，进而确定方向。二是多学科知识的隐性渗透。在寻宝过程中，学生需综合运用以下多学科知识进行判断与合作，如：数学学科中的序数（如“第2间教室”）、基数（如“走2层”）、空间方位（如“上下左右”），科学学科中的太阳位置与时间关系、自然现象观察（如影子长度变化），语文学科中的阅读与表达能力（学生需要精准解读线索并与团队沟通）等。

跨学科整合是游戏化教学实现深度学习的重要策略。根据建构主义理论，知识的跨领域迁移需通过“情境化锚定”（anchored instruction）实现。本案例中，数学“方向与序数”与科学“太阳位置规律”的结合，正是通过“锚定问题”（如利用太阳方位辅助导航）促进学生建构抽象概念的意义。游戏化学习中的跨学科设计能够打破“惰性知识”（inert knowledge）困境，使学生在真实应用中形成“适应性专长”（adaptive expertise）。从拔尖创新人才培养考虑，跨学科能力是“T型人才”的核心特征，即兼具某一领域的深度（垂直能力）与多学科广度（水平能力）。本案例中，“利用正午太阳高度角缩小搜索范围”等策略体现了对数学与科学知识的整合应用。

三、反思创新实践，深化评价与创造能力

本案例中，反思与创新环节设计主要从两方面体现。

一是开展团队即时反馈。寻宝活动结束后，各小队需进行内部反思，总结策略实施情况。教师引导学生通过“优势—不足—改进”框架进行结构化反思，并录制视频。如，某小队在反思中发现，团队在寻宝过程中的优势在于个别成员具有较强的方向感，能快速识别线索中的方向词语，不足之处在于过度依赖这些成员，导致其他成员的参与度较低，整体效率下降；改进措施是制定“分工解码线索”的新策略，确保每名成员参与线索破解过程，提升团队协作效率。还有小队认识到，队员忽略了科学课中的“太阳高度角”，下次游戏时应提前复习相关知识。通过回顾反思，学生的评价与创造能力得以提升。

二是开展线索再设计活动。首个完成任务的团队需重新设计藏宝线索，为后续小组设置挑战任务。学生在此过程中不仅需调用跨学科知识，还需运用发散性思维突破“固定路径依赖”。例如，某团队将藏宝地点改为“火箭雕塑西侧第3棵树下”，并设计如下新线索：线索①为“正午时，影子最短的方向是正北，据此向南走至领航楼”；线索②为“从领航楼东侧楼梯向上3层，寻找窗台有蓝色标记的教室”；线索③为“该教室从北数第4张课桌抽屉内藏有最终线索”。学生的这一设计不仅融入“影子长度与时间关系”的科学知识，还增加了“颜色标记”与“复杂序数”的数学挑战。学生通过线索再设计将具体寻宝经验抽象为通用策略（如“利用影子长度判断时间”），并通过新线索的主动实践，在行动中反思、优化问题解决策略。学生设计新线索的过程需要“领域技能”（数学与科学知识）、“创造性思维”（非标准化解决方案）与“任务动机”（竞争与成就感）三者的协同作用。从拔尖创新人才培养角度看，创新实践环节直接指向“创造性产出”能力的培养。

（作者单位：刘姝君，王晨阳，人大附中航天城学校；刘誉，北京大学教育学院学习科学实验室）

（本文系北京市教育科学“十四五”规划2021年度延续课题“基于学习科学和游戏化学习的学习能力培养研究”的成果。课题编号：CEFA21067）