【摘要】本文將虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)原理、實(shí)驗(yàn)過程和思維方法高度融合，將學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)與信息科技知識(shí)學(xué)習(xí)聯(lián)系起來，通過一系列教學(xué)實(shí)踐，探索融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中親歷完整的實(shí)踐過程，幫助學(xué)生形成對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的完整認(rèn)知，從而提升學(xué)生的編程思維水平和科學(xué)知識(shí)遷移能力。

【關(guān)鍵詞】信息科技；小學(xué)圖形化編程；虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)策略

【中圖分類號(hào)】G434【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號(hào)】1004—0463（2023）19—0080—04

義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）在課程理念中強(qiáng)調(diào)遴選科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用作為重點(diǎn)課程內(nèi)容，體現(xiàn)“科”與“技”并重的指導(dǎo)思想。這明確了小學(xué)信息科技課程中圖形化編程模塊教學(xué)不僅關(guān)注小學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)和技能培育，還把提升小學(xué)生創(chuàng)造性科學(xué)思維水平和科學(xué)精神在課程學(xué)習(xí)中體現(xiàn)出來。所以，在立足小學(xué)生年齡特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律的前提下，圖形化編程教學(xué)中融入科學(xué)實(shí)踐性元素，對(duì)于如今小學(xué)信息科技課程內(nèi)容設(shè)置方面尤為重要。這需要教師在小學(xué)編程教學(xué)中通過大量實(shí)踐，在相關(guān)教學(xué)模式、教學(xué)策略層面積極探索。筆者以所在學(xué)校為樣本校之一，借助中心教研組活動(dòng)，深入蘭州市多所小學(xué)信息科技課堂一線，結(jié)合文獻(xiàn)研究、問卷調(diào)查和實(shí)地走訪，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比和行動(dòng)研究，通過數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)把收集的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。在對(duì)課堂每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、研究的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境、完善教學(xué)資源、設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)、強(qiáng)化學(xué)法指導(dǎo)、體現(xiàn)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，最終形成與虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。同時(shí)，緊密銜接學(xué)生的數(shù)字化體驗(yàn)，把科學(xué)思維融入真實(shí)的生活情境、問題情境和項(xiàng)目學(xué)習(xí)情境中，以學(xué)生為主體，在學(xué)生參與的數(shù)字化學(xué)習(xí)中貫穿虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)呈現(xiàn)到學(xué)生基本技能培養(yǎng)的教學(xué)升級(jí)。

一、研究背景

在人工智能時(shí)代，大力培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才尤其重要。隨著信息化技術(shù)日益更新，在小學(xué)信息科技教學(xué)中，圖形化編程教學(xué)內(nèi)容已成為引導(dǎo)學(xué)生探索計(jì)算機(jī)編程的主要依據(jù)[1]。然而在小學(xué)信息科技課堂教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)一些圖形化編程課程的開發(fā)設(shè)計(jì)過分迎合小學(xué)生對(duì)游戲和動(dòng)畫比較感興趣的特點(diǎn)，過于側(cè)重引導(dǎo)小學(xué)生理解游戲和動(dòng)畫原理，一部分小學(xué)生制作的游戲作品缺乏關(guān)于學(xué)習(xí)和生活的深入思考，含有惡搞元素，這并不利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)、科學(xué)思維與方法的鍛煉和正確價(jià)值觀的形成。

二、Kitten圖形化編程平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

以小學(xué)圖形化編程課程為例，基于項(xiàng)目教學(xué)法的小學(xué)創(chuàng)客教育課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究以Kitten圖形化編程為教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)最大的優(yōu)勢(shì)在于將豐富的多媒體創(chuàng)作素材庫和簡(jiǎn)單易學(xué)的創(chuàng)作界面呈現(xiàn)在編程者面前，可以讓學(xué)習(xí)者在這個(gè)可視化編程語言平臺(tái)上，體驗(yàn)趣味性和探究性，尤其重要的是體現(xiàn)出小學(xué)生在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中接觸到的科學(xué)知識(shí)，規(guī)范編程作品創(chuàng)作動(dòng)機(jī)，對(duì)于學(xué)生進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)作有重要意義。經(jīng)驗(yàn)證，在小學(xué)編程課堂中進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，這樣的圖形化編程可以有效增強(qiáng)學(xué)生的編程思維[2]。

三、在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義

2007年，關(guān)于虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)有這樣的定義：虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要指在科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生按照一定的科學(xué)流程操作現(xiàn)實(shí)或虛擬物體，觀察科學(xué)現(xiàn)象，在提出問題、收集數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律等具體過程中完成實(shí)驗(yàn)探究任務(wù)，從而加深對(duì)科學(xué)知識(shí)、方法和規(guī)律的理解[3]。本研究在此基礎(chǔ)上提出的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)是以Kitten圖形化編程環(huán)境為平臺(tái)，在教學(xué)內(nèi)容上融合科學(xué)實(shí)驗(yàn)，借助圖形化編程軟件構(gòu)建虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)景，學(xué)生可在編程軟件界面，通過操控元素或修改參數(shù)來觀察科學(xué)現(xiàn)象、探索科學(xué)規(guī)律，在有應(yīng)用情境、角色體驗(yàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，體驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、算法思維和建模的科學(xué)方法，將科學(xué)現(xiàn)象探索過程轉(zhuǎn)化為圖形化代碼，經(jīng)歷全景式的項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)，潛移默化地學(xué)會(huì)圖形化編程的設(shè)計(jì)規(guī)范和思維方法。

在梳理相關(guān)文獻(xiàn)、分析編程平臺(tái)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，筆者圍繞教師、學(xué)生活動(dòng)這兩方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并將相關(guān)教學(xué)理念、基本特征融入圖形化編程教學(xué)中，探究從“過程與方法”到學(xué)科核心素養(yǎng)層面的教法與學(xué)法策略，注重引導(dǎo)學(xué)生觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)編程思維和科學(xué)素養(yǎng)雙培養(yǎng)。在這樣的完整虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，體現(xiàn)出從單一知識(shí)技能傳授到對(duì)學(xué)生科學(xué)探究精神培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變?；诖耍P者利用信息科技，呈現(xiàn)學(xué)生感興趣的科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，反映學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知與期待，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息科技手段走進(jìn)科學(xué)、理解科學(xué)和發(fā)展科學(xué)的能力。更重要的是以國家義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)為指引，發(fā)揮虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中的關(guān)鍵作用，通過這樣的教學(xué)實(shí)踐過程，使教師在課堂教學(xué)層面探尋學(xué)生理解科學(xué)、把握科學(xué)研究與實(shí)踐探索的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在人工智能領(lǐng)域的進(jìn)階成長(zhǎng)[4]。

四、在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法

1.學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，提出主題。目前，蘭州市一些小學(xué)有相對(duì)優(yōu)越的硬件資源，計(jì)算機(jī)及其機(jī)房的配套設(shè)施較為完善，這為此次研究的順利開展提供了一定的硬件條件。在此基礎(chǔ)上，教師借助Kitten圖形化編程軟件平臺(tái)，在準(zhǔn)備階段完成對(duì)學(xué)生學(xué)情的分析，而問卷調(diào)查和實(shí)地訪談是研究的主要方法。為了更細(xì)致地把相關(guān)教學(xué)理念貫穿于課堂教學(xué)中，筆者圍繞“虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)融入前圖形化編程需求分析”“虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)融入圖形化編程教學(xué)的態(tài)度調(diào)查”，設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷，并與部分學(xué)生談話，為筆者分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了重要依據(jù)。在科學(xué)分析學(xué)情的基礎(chǔ)上，形成圖形化編程基本知識(shí)與技能水平差異情況分析，教師把學(xué)習(xí)者分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)組和觀察記錄組，為后面進(jìn)行的分層教學(xué)和小組合作打下基礎(chǔ)。觀察記錄組的學(xué)生對(duì)編程知識(shí)掌握不多，這一部分學(xué)生在課前準(zhǔn)備方面以觀察和記錄完整實(shí)驗(yàn)為主，以了解編程作品制作的基本流程為輔。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)組的學(xué)生由于已具有圖形化編程的初步制作經(jīng)驗(yàn)，可側(cè)重于親歷虛擬實(shí)驗(yàn)從元素到模組、模塊，從模塊到整體的搭建。不僅如此，教師依據(jù)學(xué)生對(duì)于知識(shí)技能的熟練度，可對(duì)學(xué)生的角色進(jìn)行調(diào)整，使兩組學(xué)生在多次取長(zhǎng)補(bǔ)短的合作學(xué)習(xí)中提升能力。

想在這個(gè)過程中牢牢吸引學(xué)生的注意力，教師需要做好虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)主題情境創(chuàng)設(shè)。整個(gè)過程中，始終貫穿以人為本的理念，教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度和學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度劃分主題，把高年級(jí)小學(xué)生的科學(xué)知識(shí)范圍分為天文、物理、化學(xué)、生物以及人與生態(tài)等部分，主題從天文學(xué)以及探尋物質(zhì)世界原理和規(guī)律的物理、化學(xué)幾大板塊逐步深入，最終回歸到生態(tài)和人的關(guān)系相關(guān)領(lǐng)域。在探究式學(xué)習(xí)開始之前，教師可以把充滿探究樂趣的科學(xué)揭秘主題預(yù)先告知學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生利用書本、互聯(lián)網(wǎng)等獲取相關(guān)知識(shí)，初步具備在相關(guān)科學(xué)主題中分析解決問題的能力，能在解決具體問題的情境中展開項(xiàng)目學(xué)習(xí)。

2.范例研習(xí)，做好實(shí)驗(yàn)反饋與建議。在此環(huán)節(jié)之前，學(xué)生所掌握的知識(shí)和技能并沒有得到實(shí)踐檢驗(yàn)，對(duì)此，教師可以展示完整的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)范本，學(xué)生在演示中練習(xí)編寫相關(guān)程序、運(yùn)行編好的程序。教師可以先讓學(xué)生預(yù)覽最終效果，依靠范本實(shí)驗(yàn)的邏輯關(guān)系和生動(dòng)形象的動(dòng)畫效果，最大限度地激發(fā)學(xué)生的參與熱情。當(dāng)學(xué)生存在疑問時(shí)，教師適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生理清設(shè)計(jì)虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本思路、制定基本步驟，提示實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，講解實(shí)驗(yàn)素材的使用方法和選擇依據(jù)，使學(xué)生在范例研習(xí)過程中能清楚地觀察到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)要素，積極思考由每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟組成的完整制作流程。

有了上述實(shí)驗(yàn)范本的引導(dǎo)和觀察記錄組學(xué)生的協(xié)助，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)組學(xué)生可以有效地投入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作中，從每一個(gè)實(shí)驗(yàn)素材的選擇、每一處編程模組的確定、每一塊編程積木的搭建到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成，都充分體現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、探究科學(xué)的歷程，使學(xué)生在融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的圖形化編程軟件平臺(tái)獲得成長(zhǎng)。教師在巡視過程中精準(zhǔn)指導(dǎo)、答疑解惑，對(duì)共性問題集中講解，對(duì)反映科學(xué)現(xiàn)象的佳作予以肯定，讓學(xué)生圍繞如何調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)、改變實(shí)驗(yàn)條件等方面分享見解，再引導(dǎo)學(xué)生共同學(xué)習(xí)、總結(jié)提煉。最后，教師提出關(guān)于虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的總結(jié)性學(xué)習(xí)建議。

經(jīng)過以上的案例分析可以得出以下結(jié)論：范例研習(xí)環(huán)節(jié)有效激活了學(xué)生的編程思維。在問卷調(diào)查分析中可以看出，有78.5%的學(xué)生認(rèn)為，基于虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的圖形化編程教學(xué)極大地提升了編程學(xué)習(xí)效率。在編程學(xué)習(xí)過程中，教師對(duì)新知識(shí)的講解，讓學(xué)生能了解每個(gè)模塊的不同作用和搭建編程積木的方法。在學(xué)生創(chuàng)作階段，學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能掌握的熟練度得以提升，進(jìn)一步增強(qiáng)了算法思維能力。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)該環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)研究，筆者抽選蘭州市某小學(xué)六年級(jí)兩個(gè)班的學(xué)生為研究對(duì)象，將學(xué)生分為實(shí)驗(yàn)組、對(duì)比組，其中實(shí)驗(yàn)組學(xué)生通過融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的圖形化編程教學(xué)學(xué)習(xí)，而對(duì)比組則按照教材中一般圖形化編程教學(xué)流程學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行相關(guān)科學(xué)概念理解前測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，圍繞相關(guān)科學(xué)概念進(jìn)行后測(cè)，通過前后對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生學(xué)習(xí)效果較好，而且實(shí)驗(yàn)反饋與建議這個(gè)環(huán)節(jié)能有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和能力的培養(yǎng)。

3.階段成果展示、分享和交流。在階段成果展示、分享階段，前面內(nèi)容提到的觀察記錄組學(xué)生通過細(xì)致觀察，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過不同組間實(shí)驗(yàn)情況的對(duì)比，得出精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。觀察記錄組學(xué)生在觀察記錄、提煉經(jīng)驗(yàn)、填寫記錄表等過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)，融入實(shí)驗(yàn)前后的不同想法，由教師組織這部分學(xué)生展示階段性成果，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)、拓展。在此基礎(chǔ)上，觀察記錄組學(xué)生相互討論，形成總結(jié)性經(jīng)驗(yàn)，再反饋給同組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成員，在更精細(xì)化的范圍內(nèi)進(jìn)行虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)交流，促使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)組學(xué)生進(jìn)一步完善作品，完成又一輪的研討提升和成果展示?？梢哉f，在此階段融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略，對(duì)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)有一定幫助。前測(cè)問卷數(shù)據(jù)顯示，51.2%的學(xué)生愿意與他人協(xié)作學(xué)習(xí)，后測(cè)問卷中這一數(shù)量上升至79.8%，說明學(xué)生的協(xié)作能力得到了提升。

4.做好綜合評(píng)價(jià)、全課總結(jié)。檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，建立融入學(xué)生自評(píng)、學(xué)生互評(píng)和教師評(píng)價(jià)的完整評(píng)價(jià)機(jī)制尤其重要。在經(jīng)過完整的學(xué)習(xí)階段后，依據(jù)程序積木搭建、畫面構(gòu)圖、顏色搭配是否合理、協(xié)調(diào)，創(chuàng)意是否新穎獨(dú)特，素材使用是否貼合主題，科學(xué)原理是否通過虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)得出等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，完整反映出學(xué)生在編程思維、科學(xué)素養(yǎng)等方面的提升。

在此基礎(chǔ)上，教師可借助問卷星等在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)完成數(shù)字化學(xué)生整體評(píng)價(jià)分析。教師可將評(píng)價(jià)量表發(fā)到自主學(xué)習(xí)資源包中，學(xué)生通過上述學(xué)習(xí)階段后，打開對(duì)應(yīng)課程的教學(xué)后測(cè)評(píng)價(jià)表，按照知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度、價(jià)值觀等層級(jí)順序評(píng)估自身學(xué)科核心素養(yǎng)情況，對(duì)全課知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行全面系統(tǒng)的回顧和總結(jié)。教師通過直觀的柱狀圖呈現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，使學(xué)生更好地取長(zhǎng)補(bǔ)短。

為了驗(yàn)證多維評(píng)價(jià)體系和課堂教學(xué)總結(jié)的重要性，筆者在研究中邀請(qǐng)具有豐富的圖形化編程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的專職信息科技教師參與，共同對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析，得出能有效提升學(xué)生參與課堂活動(dòng)的積極性，更好地讓學(xué)生理解編程作品創(chuàng)作的內(nèi)涵，培養(yǎng)以數(shù)字化創(chuàng)新能力和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度為主要內(nèi)容的學(xué)科核心素養(yǎng)。

在這個(gè)過程中，教師需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題，及時(shí)點(diǎn)撥學(xué)生，展示學(xué)習(xí)成果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教育目標(biāo)，讓學(xué)生逐步形成熱愛科學(xué)、追求真理的人生態(tài)度[5]。

結(jié)合小學(xué)信息技術(shù)新課標(biāo)，教師不僅要提升學(xué)生的編程知識(shí)和技能水平，而且要把培養(yǎng)學(xué)生程序算法思維作為重點(diǎn)，更要規(guī)范學(xué)生對(duì)于編程作品的創(chuàng)作動(dòng)機(jī)。目前，小學(xué)圖形化編程教學(xué)中存在編程游戲化、忽略編程思維和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)的問題，而通過在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略，可以有效解決存在的問題。具體實(shí)施中，教師可從課堂教學(xué)目標(biāo)設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容確定、教學(xué)資源選擇、實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)構(gòu)建、分享交流、組織反饋以及教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，進(jìn)行圖形化編程教學(xué)探索，形成科學(xué)且有指導(dǎo)性的課堂教學(xué)模型，可以應(yīng)用模型中提供的教學(xué)思維與方法，讓學(xué)生在完成虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，不斷提升編程思維，提高信息科技拓展能力、科學(xué)探究能力。

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[4]陳亞陽.基于校園文化特色的小學(xué)圖形化編程校本課程開發(fā)[J].中國信息技術(shù)教育，2022（05）：49-50.

[5]張漢城.基于STEAM理念，建設(shè)Kitten校本課程[J].新教師，2022（07）：86-87.

（本文系2023年度甘肅省“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略”的研究成果，課題立項(xiàng)號(hào)：GS[2023]GHB0561）

編輯：彭雪亮