关注跨学科主题学习，提升计算思维能力

马童玲

摘要：本文结合第三学段计算思维的学段目标，通过实际教学及反思不断迭代教学设计，优化教学策略，形成了“聚焦真实性问题，启迪学生的思维；深入剖析案例，形成计算思维意识；综合运用知识，提升计算思维能力”的跨学科主题学习活动实施路径。

关键词：跨学科主题学习活动；信息科技；计算思维

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）11-0015-03

跨学科主题学习活动设计的背景

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中明确提出要开展跨学科主题学习。信息科技学科的跨学科主题学习活动是指从学习情境、问题设置、目标达成等角度进行信息科技与其他学科的跨越，让学生在真实的、开放的学习情境中利用各学科的知识、技能、思想、方法解决综合性问题，进而完成跨学科知识的学习，提升自主学习能力，在此过程中逐渐培养学生的计算思维能力。而算法是计算思维的核心要素之一，在信息科技课程中引导学生以身边的算法为载体，利用算法求解简单问题，能使其初步养成运用算法思维的好习惯，并通过实践形成设计与分析简单算法的能力。

跨学科主题学习活动的实施路径及案例解析

1.聚焦真实性问题，启迪学生的思维

新课标倡导真实性学习，让学生置身真实或类真实的生活情境，围绕真实问题进行探索，建构知识，发展思维。跨学科主题学习活动情境的创设要联结学生已有的生活经验，聚焦社会中的现实问题，促使学生用信息科技手段解决现实生活中的实际问题。

（1）原有设计

“算法的描述”是第三学段“身边的算法”单元的内容。教学目标是：通过生活中的实例体验算法；理解算法是通过明确的、可执行的操作步骤描述的问题求解方案；能用多种方式描述算法。在常见的教学设计中，教师会通过“活动感知→求解问题→巩固拓展→课堂小结”这一步骤来组织教学。

（2）设计思考

在上述过程中，学生只是按照教师的引导在分解问题，得出问题的答案，并没有真正领会如何将抽象的问题具象化、如何利用算法来描述问题的求解方案。针对以上问题，教师应在教学中构建以学生为中心的真实问题情境，让学生先用自然语言描述问题及求解方案，再采用流程图的方式将问题求解过程以更为清晰的方式呈现出来，鼓励学生多思考、多探究、多交流、多评价，尝试将已有的知识进行迁移重组，满足学习的内在需求。

（3）改进设计

在基于跨学科主题学习活动“算法的描述”设计中，教师首先要分析学习对象的年龄特征，了解他们的情感需求，创设适合他们的活动情境，让学生以“设计师”的身份深度参与到学习中，真正做到“玩中学、学中悟、悟中创”。建议活动设计如下。

①具身体验，初尝算法——教师通过实物教具给学生以具身化的情境体验，让学生在具象环境中初步感知游戏的过程，并能用自然语言进行描述。

②多样描述，再探算法——教师引导学生在制作游戏前先进行分析、规划再绘制流程图，将所思所想以可视化的方式呈现出来，最后根据流程图编写程序。在面对复杂程序时可以化繁为简，分析每个角色各自的动作脚本。通过根据流程图编写脚本的方法，让学生体会流程图在游戏设计中的重要性，同时通过编写脚本验证流程图的填写是否正确，如果不正确知道如何改正。这样的方式能让学生初步体会到脚本的调试过程。

③评价优化，感悟算法——教师广播展示学生作品，组织学生根据评价标准开展作品的自评与互评。

活动成效：在制作游戏的过程中学生感受到了生活中无处不在的算法，能够主动利用已有的知识储备和生活经验，对简单问题进行抽象与分解，了解解决问题的过程中蕴含的算法，并能够主动构建与信息科技学科相关的联系，较熟练地利用自然语言、流程图等多种算法描述方式。

2.深入剖析案例，形成计算思维意识

为了有效培养学生的计算思维能力，教师不仅需要引导学生利用图形结构将抽象的概念具体化，让思维以可视化的方式呈现，还需要引导学生进行深度探究与实践验证，帮助学生成为一个发现者、思考者、探究者，形成有效求解问题的计算思维意识。

（1）原有设计

“算法的执行”是第三学段“身边的算法”单元的内容。常规的教学思路为“教师引导学生发现问题→让学生用自然语言描述求解这个问题的算法→教师出示半成品的程序设计→学生补充完成并验证”。

（2）设计思考

在上述过程中，学生很难靠自己直观想象分析问题，也很难抽象出问题的特征。教师在教学中，首先要引导学生根据求解问题的特征分析问题，抽象出其具体的特征，然后，用多种形式描述问题求解的一般过程，对结果进行大胆的预测，最后规划并设计算法，建立与程序之间的关系，并通过程序验证算法的可行性。

（3）改进设计

利用图形化编程语言执行算法，学生往往不容易建构算法与程序设计之间的逻辑关系。因此，教师需要适当引导，帮助学生建立跨学科的自然语言、流程图与图形化编程语言之间的关系，完成建模，进而帮助学生在使用图形化编程语言执行算法时发展算法思维。活动设计如下。

①情境导入，初步感知——教师播放消防机器人救援视频，引导学生思考如何控制机器人行走，让机器人参与救援行动。

②分析问题，抽象建模——教师引导学生认识什么是灰度传感器，并带领学生测量地图上的黑色轨迹线和白色区域的反射光强度值，得出黑色区域用数值1表示，白色区域用数值0表示。学生利用纸模型在图纸上模拟，具身感知颜色传感器与轨迹线的位置有哪几种情况并用自然语言进行描述。

③设计算法，编写程序——教师先引导学生探究哪些控件可以实现机器人在巡线过程中判断颜色，然后引导学生填写流程图，感知利用颜色判断巡线过程的算法并利用分支流程图再次厘清机器人巡线过程的执行情况，最后要求学生深入剖析程序，将问题进行抽象理解后编写程序，建立算法与程序之间的关系。

④优化提升，感悟进阶——教师引导学生观察现在的程序是使用三个并列的条件判断语句，并提示，为了让算法更加高效，可以采用程序嵌套的方式来优化，帮助学生感悟算法的优化可以让程序运行更高效，体会分支结构、循环结构在程序设计和生活中的重要价值。

活动成效：学生在参与机器人巡线活动的过程中，感知、了解了分支结构的特点，并在图形化程序验证算法时经历完整的分析问题、设计算法、验证算法的过程，深刻体会到利用计算机科学领域的思想方法来解决问题的途径，计算思维能力得到了进一步的提升。

3.综合运用知识，提升计算思维能力

从古至今，算法一直伴随着人们的生活和学习，随着时间的推移和生活效率的提升，人们对算法不断优化，形成了很多行之有效的算法。这些算法让人们在解决问题的过程中有了更多的选择。一方面，在解决同一问题时，不同算法在时间效率上不同；另一方面，同一算法在不同数据规模下的执行次数不同，从而在时间效率上也不同。

（1）原有设计

“算法的效率”是第三学段“身边的算法”单元的内容。教学目标为：知道算法步骤的执行次数与问题的规模有关，能根据求解问题的特征，在设计算法并通过程序执行算法的基础上分析算法的执行效率；观察并体验采用不同算法解决同一问题在时间效率上的差别，优化生活、学习中的算法，了解算法对知识产权的保护作用等。常规的教学设计是“两个事物作比较→感知不同的算法效率→评价总结”。

（2）设计思考

在上述过程中，学生理解的算法效率指的是直观体验意义上的效率，不同算法在解决同一问题时会产生时间效率上的差异，这种差异会导致人们在应用算法时有不同的体验。因此，在教学中，教师要帮助学生通过辨析生活中的实例、设计算法、验证算法等活动了解算法的影响，认识到算法的价值和局限性。

（3）改进设计

为了能用计算机更加高效和便捷地解决问题，人们需要不断优化算法，从而提高算法的效率。因此，培养学生优化算法的能力非常重要。建议活动如下。

①生活规划，体验算法效率——教师引导学生思考去南京科技馆应选择何种出行方式，学生初步感知选择的方式不同带来的效率不同。接着，引导学生思考如何高效完成听英语、整理房间、烧水、扫地、写作业等任务。

②问题探究，感知算法效率——美术老师有八瓶颜料，其中有一瓶用了一点，可是由于没有标记，不知道哪一瓶是用过的，那么，怎样才能快速找出这瓶颜料呢？

预设：枚举法和二分法。

教师引导学生了解每种算法的优势以及使用的场合，知道在采用不同算法解决同一问题时，时间效率是不一样的。

学生通过猜数字游戏，再次感知算法不同，时间效率也不同。

③巩固拓展，明确时间效率——通过案例巩固，让学生进一步明确，不同的数据规模选择的算法不同，而不同的算法带来的时间效率也不同。

教师引导学生了解算法是人工智能的核心，有了优秀的算法可以更快、更高效地实现人们的目标，提高人们学习与生活的效率。

活动成效：通过生活中的规划有效帮助学生感知并理解什么是算法的效率，利用编程语言呈现算法步骤的执行次数，以更直观的形式使学生感受到算法的执行方式，初步建构了算法的时间效率这一概念。

结语

跨学科主题学习活动有利于提升小学生的计算思维，教师在教学中应不断优化迭代教学，采用多元教学策略提升学生学习活动的参与度，从而提升其解决问题、建构知识、思维迁移的能力，以及数字化学习与创新的能力。

本文为江苏省教育科学“十四五”规划2023年度立项专项课题“跨学科主题活动培养小学生计算思维的教学策略研究”（批准号：C/2023/03/63）、南京市中小学教学研究第十五期立项课题“小学信息科技跨学科主题活动培养学生计算思维的行动研究”（批准号：2023NJJK15-L26）研究成果。