跨学科融合理念下小学编程课程的内容设计与实践

【摘 要】跨学科教学已成为各阶段学校教育的新趋势。在跨学科融合理念下，如何有效培养学生的编程思维，是人工智能时代教育发展的一大重要问题。以“自然—人文—未来”为主题，对小学编程课程跨学科融合教学活动进行架构与设计，旨在激发学生自主学习的内驱力，提升学生的综合能力与核心素养。

【关键词】跨学科;小学编程课程;任务设计

【中图分类号】G434  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2022）04-0044-06

【作者简介】陈珍，南京河西外国语学校（南京，210019）小学部教科室主任，一级教师，主要研究方向为中小学信息技术教育教学。

编程是发展人工智能的基础。《新一代人工智能发展规划》提出，要“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”;[1]国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确提出，要让中小学生学习人工智能课程;人工智能教育于2018 —2019年逐步加入初高中信息技术教材，等等。这些都进一步说明了编程教育已经逐步受到国家、学校、教师与家长的重视。[2]有效培养学生的编程思维是人工智能时代教育发展的一个重要课题。

在跨学科融合理念下，学生通过学习计算机编程，多途径试验、创新设计，不仅能打破学科壁垒，提升原始创新能力，还能在各学科学习中找到交叉点与突破点，自主选择各学科知识点、能力点进行整合与使用，有效提升自身综合能力。那么，编程内容如何有机融入信息技术学科教学，又应如何有效开展教学呢？笔者做了一些初步的尝试。

一、小学编程课程跨学科融合教学活动类型

教学活动主题直接影响学生参与教学互动的积极性和主动性，最终决定教学活动的实效。本文将跨学科融合案例融入校本编程课程教学，建构小学编程课程跨学科融合教学活动体系，完善了教学活动中学生成果的评价要求。为验证该教学模式的成效，本文以南京河西外国语学校小学三至六年级的学生为研究对象，规划了现象（过程）模拟型、原理概念型和探索实践型三类教学活动。这三类教学活动均融合了语文、数学、音乐、美术、科学、人工智能等学科相关知识点，学生在完成学习任务的同时可将其他学科知识融会贯通，大大提高了学生的学习主动性和解决实际问题的能力。[3]

（一）原理概念型教学活动

该类型教学活动集中在三四年级实施，实施工具包括Scratch图形化编程与Python代码式编程。教师先将学习者需要掌握的知识点归纳为一个系统性的知识结构，使学生通过系统化的反复体验与练习逐步掌握编程思维，形成一套问题解决模式。

原理概念型教学活动可分为两种：一是运用编程的方法验证数学、科学、自然等学科中的概念;二是用编程的方法探索问题的多种验证途径。基于学生掌握的学科知识概念，并用编程的思路进一步验证，不仅能促进学生对于学科知识点的理解与思考，也能够拓宽知识面，全面提升综合素养。

（二）现象（过程）模拟型教学活动

这类活动集中在三至五年级实施，主要使用图形化编程工具（如Scratch图形化编程）。考虑到小学很多学科中存在一些固有流程，如实验步骤、朗读顺序、课程安排等，教学活动主要有游戏设计、故事描述以及艺术创作等，学生在此类活动中要根据实践过程的顺序设计编程思路，最后整合成一个完整的算法过程。

例如，在学科实验-编程跨学科案例实验模拟教学活动中，我们设计了“光合作用”“肥皂方糖与牙签”“可乐吹气球”等主题任务。教学活动实施过程中能够明显感受到课堂氛围更加活跃，学生参与度大幅提高，原因主要有二：一是此类教学活动编程算法难度不高，学生易于掌握;二是该类教学活动是对生活中常见的实验过程的模拟，实用性较强，学生的接受度高。

（三）探索实践型教学活动

探索实践型教学活动以解决实际问题为核心，形式多样，更具开放性，主要在五六年级进行。在活动过程中，学生可以在既定主题下自主发现问题、思考问题、提出解决方案并自主发挥进行创意表达，有利于充分激发学生的学习内驱力，有效提高创新能力。

二、小学编程课程跨学科融合教学活动案例设计规划

学校结合各学科课程资源和学生实际需求，于三至六年级开设校本编程课程。课程教学以任务驱动法为主，以信息技术课堂为载体，以“自然—人文—未来”为主题，融合相关学科、领域的知识，设计多学科联合的系列学习任务。

考虑到三四年级的学生初步接触编程课程，在课堂任务设置重视趣味性的前提下，以原理概念型、现象（过程）模拟型活动为主，激励学生在生活中发现问题、探究问题和解决问题。五年级的学生有一定的编程基础，教学主题任务类型以现象（过程）模拟型、探究实践型为主，教师可结合数学学科问题解决思路，引入算法概念。六年级在开源硬件的支撑下，教学主题任务以探究实践型为主，以小组合作为主要方式，教师引导学生在自主、合作、探究学习的过程中学习控制技术，感知信息技术给人类生产、生活带来的巨大影响（见下页图1）。

（一）三年级教学活动案例内容设计（见下页表1）

三年级的学生刚接触编程，教师可以结合美术学科的绘画、音乐学科的乐理、传统文化故事等指导学生运用Scratch软件编写一款小游戏或小应用，用数字动画的形式设计教学活动案例场景或者进行过程模拟与艺术创作。因此，本阶段所设计的Scratch教学活动案例以学科知識原理概念或过程模拟为主，依据不同的教学内容匹配合适的教学活动任务。

（二）四年级教学活动案例内容设计（见下页表2）

四年级的学生已具备一定的Scratch编程基础和学科系统思维。因此，本年级教学活动案例内容逐步向探索实践型过渡，便于学生学习概念与发生过程。如“光合作用”这类原理型知识，学生在学科教学中只能通过想象来理解，如果在编程设计中使用相应素材将整个转化过程进行可视化分解，就能使学生对教学内容有更深的认识。

（三）五年级教学活动案例内容设计（见表3）

基于两年Scratch编程课程的学习，学生对编程有了一定的认识后，开始正式接触、学习Python语言，并同步培养逻辑思维、数学思维。五年级的教学活动内容主要以数学-编程跨学科案例研究为主，设计了数学学科中质数判断算法、穷举法算法等主题任务;此外，还加入人工智能基础内容，如无人超市与班级管理系统设计。

（四）六年级教学活动案例内容设计（见下页表4）

六年级课程中加入了开源硬件支持，结合硬件条件与人工智能相关元素设计了噪声污染监测、手势识别、智能家居与无人驾驶等教学活动内容。在硬件编程中培养了学生的算法思维，使其对电机、舵机、传感器等建立起初步的认识。同时，通过小组合作共享，培养学生的互助协作精神和解决综合问题的能力。

三、小学编程课程跨学科融合教学活动实践与效果分析

（一）教学活动评价工具设计（见下页表5）

跨学科设计编程课程教学活动，旨在培养学生编程思维能力和解决实际问题的综合实践能力。而评价工具在记录和反馈学生的完成情况时，也验证了不同类型教学活动的科学性与可操作性。本文中的教学活动评价工具主要以通用性为准则，并随着年级的增长及每次教学活动的开展，反映学生知识水平、思维能力、综合实践能力的变化趋势。

教学活动评价以任务成果为结点，依据学生所提交的活动成果，进行有针对性的量化考核。教师在记录学生学习进展的同时，还能以该评价表为依据，在教学活动结束后对学生各次任务完成情况进行对比分析。

该教学活动实施评价表从科学性、逻辑性和艺术性三方面出发，对活动任务、创意设计、算法优化以及问题解决四个维度进行评价，同时，活动任务指标又细化为内容、算法、流程图及完整性四点。

（二）小学编程课程跨学科融合教学活动实施小结

在跨学科知识整合理论基础之上，通过对已有相关文献的梳理研究，构思设计了小学阶段三至六年级校本编程课程教学活动及相应案例。其中，原理概念型教学活动融合语文传统文化故事、数学基础概念，引导学生对有关实验、故事或经验进行创新设计，以对作品进行完善与优化。通过对知识系统化的反复体验练习、理解，将知识点内化为合乎逻辑的概念。现象（过程）模拟型教学活动融合科学实验过程和生活中的自然现象等，将现象或过程进行了可视化呈现，充分加深学生对各学科知识点的理解。探索实践型教学活动重点引入人工智能基础知识，以提出问题为活动情境，以小组为单位在制定策略、解决问题的教学情境中提取编程思维的概念及技巧。最终，由教师将所规划设计的具体教学活动案例应用于课堂教学中，运用Scratch、Python软件进行实施，并对跨学科融合理念下小学编程课程教学活动的实践结果进行评价总结。

案例實施及学生作品评价表的结果分析，验证了学生在具体情境中体验知识的状况，学生可以将抽象的知识具体化、可视化，学习、掌握、运用各学科知识与方法等，同时在活动实践中掌握程序设计语言的概念、条件以及逻辑。跨学科融合理念下小学编程课程教学活动的设计有利于提升学生的自主学习能力、小组合作能力、问题分析和解决能力，使学生在面对复杂问题时能够清晰地梳理解决思路，提出解决策略，进而用发散性思维去创作一些独具特色的作品，逐步推动编程思维教学目标的实现。

【参考文献】

[1]《人工智能（初中版）》教材正式出版[J].电化教育研究，2019，40（5）：129.

[2]余成波.中小学生编程教育现状调查研究[D].武汉：华中师范大学，2019.

[3]杨硕.小学Scratch编程体验式教学活动设计与实践研究[D].保定：河北大学，2020.

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