课程篇
指向计算思维培养的小学图形化编程教学案例研究
——
—以“小猫出题”一课为例
孙婷婷
（江苏南京市青云巷小学，江苏南京）
【案例背景】
根据《义务教育信息科技课程标准（2022年版》的第三学段（5耀6年级）中“身边的算法”要求，义务教育信息科技教学由传统的注重技能实操转向更加强调学生计算思维等核心素养的培养。计算思维是指学生运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等一系列思维活动。
小学生的计算思维可塑性强，且计算思维是学生必备的基本能力素养之一。Scratch图形化编程语言具
有操作简单、画面生动、积木搭建、模块丰富等特点，通常用来制作小游戏、动画、数学模型等。这不仅大大提高了学生的逻辑思维，还实现了算法应用和思维的表达。通过案例研究分析和编程教学实践，教师可以培养学生的计算思维。
【案例分析】
一、教材分析
本课是苏科版小学信息科技五年级图形化编程单元第10课“小猫出题”。通过小猫随机出两个数顺序相加，举一反三，再提出减、乘和除计算，并拓展出多位数累加，引出高效的高斯算法。本课旨在让学生借助真实案例，体验问题解决，理解算法是解决某个特定任务的方法，是一系列解决问题的清晰指令。在体验过程中，学生能用自然语言、流程图等方式描述程序，能在分析程序的过程中进一步理解算法规则。通过完善和调试程序，验证解决同一问题时不同算法所执行步骤的次数及时间效率的高低，从而学会选择并优化算法。
二、学情分析
本课的教学对象是五年级的学生，他们具有较好的信息操作基础，已经学习了Scratch教学单元的大部分模块，经历了一些项目的实践，掌握了基本的编程方法。他们具有初步的算法意识，但还未形成算
法思维，他们的认知发展正处于从具象思维到抽象思维的过渡时期。在生活或数学学科的学习过程中，他们已经了解并掌握了一些算法描述的方法和技巧，但是还没有真正系统全面地认识和运用算法，同时缺少对算法的具体认识以及综合分析能力，用计算机领域的思维去解决实际问题的能力并不强。所以在教学时，教师要把握这一阶段学生的年龄特征和心智模式，注重具象内容和抽象内容的关系和平衡。
三、教法分析
从创设情境、新知学习、归纳梳理、拓展提升、迁移应用五个方面分析学生计算思维培养的设计策略。根据特定问题，可以使用不同解决方法，并根据实际问题需求，优化解决方法，选择合适算法。
【案例描述】
一、创设情境，引出问题
新课标倡导基于真实问题情境开展项目式教学，借助问题驱动，结合流程图，逆向推导，开展教与学活动。
活动1：小猫出题
问题描述：要求在舞台上出示1~10之间的两个自然数相加，这两个加数是随机产生的，输入答案后，程序会自动判断答案是否正确，怎么实现？
问题分析：首先，要实现随机两个加数，需要用到变量存储和随机显示这些控件；其次，变量这个概念是学生之前没有接触过的，如何解释变量概念并让学生能够理解；最后，自动判断如何实现。
小结：借助流程图，学生用自然语言描述小猫出题的过程：新建三个变量分别是和、加数1和加数2；设置和=加数1+加数2；开始判断输入的值，如果输入的值即和=回答，那么外观显示答对了，否则显示错了。这种解决问题的方法，我们称之为顺序执行，也叫顺序法。
提问：请列举小猫解决其他计算问题的事例。
设计意图：本课内容以游戏的形式展开，课堂气氛活跃，学生能够快速集中注意力。在问题解决中，流程图
摘要：依托“小猫出题”教学情境化游戏引入，开展了指向计算思维培养的小学图形化编程教学案例研究。以问题链和层层递进的活动，拓展了学科思维视角，培养了学生的计算思维。
关键词：计算思维；小学信息科技；图形化编程；算法；教学案例
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是设计作品的基础和依据，自然引出本课题——
—小猫出题。通过追问和列举流程图过程，学生明白了顺序执行算法在学习中的应用，从而引入后续的教学。
二、新知学习，拆解脚本
通过“小猫出题”活动，学生对变量概念有了初步的认识，引出“数据”模块。通过脚本搭建，将理论分析转化为实践操作，最后通过验证，不断调试脚本，优化思维过程。通过Scratch语言实现顺序算法，体现计算思维。
活动2：新建变量、设置参数和回答
问题描述：新建变量在“数据”模块中，设置参数在“数字和逻辑运算”模块，回答在“侦测”模块，需要注意些什么？
要求：参阅书本，小组讨论完成。
新建三个变量，并尝试命名。
问题分析：顺序算法分析，根据问题描述如下。
①变量要关注命名过程。
②“数字和逻辑运算模块”中的四个模块可以对变量和数值进行计算。
③判断脚本设置，借助逻辑运算。
设计意图：将“小猫出题”脚本作为范例讲解，阐述流程简单且学生容易理解。继而抛出一个与之类似的“两个数的乘法运算”，通过知识迁移，让学生尝试模仿，搭建脚本，体验顺序结构，结合判断语句解决问题过程，这样便能迅速调动学生探索的欲望，强化其对逻辑算法的理解，让学生在模仿中建构Scratch编程。
三、知识梳理，理解算法
通过上述两个活动，笔者总结出Scratch语言能够高效解决数学计算问题。以此类推，其他的简单算式也可以通过加减乘除来表达，并可以通过后续的循环结构，设计出多道算式的解法。
小结：随机出题解决问题的考虑因素：（1）三点关键：对象、范围和判断条件。（2）算法特征：结果=回答，验证正确。（3）程序结构：循环判断结构。通过循环多次出题，如可以设计小猫出五道题。
顺序结构，外加循环并结合判断控件可以解决很多有趣的数学问题。
设计意图：梳理学生已经建构好的框架流程，关注算法的对象、范围，确定合适的算法，并为后面的多个算法提供基础，帮助学生形成编程解决问题的思想和方法。
四、拓展提升，应用算法
活动3：计算1+2+3+…+100=？
问题描述：这是一道数学思维题，从1累加到100求和，用Scratch编程方法设计程序脚本。这种相较之前的出题，稍有区别。如果用硬算的方法，对于学生比较复杂，但是对于计算机却是非常容易的。
问题分析：（1）涉及的数字范围？（2）一共累加多少次？如何实现重复？（循环）（3）公式表达？
参考计算过程：
第1步：0+1=1；
第2步：1+2=3；
第3步：3+3=6；
......
第100步：4950+100=5050。
从上述的计算过程，我们可以看出，其实每一步计算的数字变化和计算方式都是有规律的，这就非常适合使用循环结构来表达。
如果用S n表示从1累加到100的自然数的和，用i表示1到100变化的加数，那么上述计算过程的规律就是：每一步都是用上一步累加的和S n加上每一步变化的加数i。这个计算规律可用公式S n=S n+i来表示。（这里“=”是赋值的意思）
验证过程：（1）新建变量S n和i；（2）将S n和i的初始值分别设定为0和1；（3）将S n设定为上一次累加的和S n加上本次变化的加数i，每重复执行一次，就将循环变量i增加1，共重复执行100次；（4）添加“说 (2)
秒”和“停止”这两个控件。（5）单击绿旗执行所有脚本。
设计意图：通过前面案例的学习，学生已经熟练掌握了两个随机加数的脚本制作。这里将设计多个确定加数运算作为对象，不仅可以拓展巩固前面的教学内容，还可为下一个简便高斯算法活动做铺垫。通过重复执行100次循环的引入，学生掌握了多对象加法的算法编程结构。
五、举一反三，迁移应用
活动4：计算1+2+3+…+99+100=？高斯算法
问题描述：在一次数学课上，教师同样提出了这个数学问题：1+2+3+…+99+100=？小高斯并没有运用依次累加的方法，而是另辟蹊径，他是全班唯一一个又快又准地答对问题的同学。
问题分析：（1）涉及的数字范围？（2）如何组合？（3）公式表达？
从上述的计算过程，我们可以看出，每组圆球上下相加都是101个，这就非常适合用公式来表达。
同样用S n表示从1累加到100的自然数的和，用首项表示1到100变化的第一个自然数，末项表示最后
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一位自然数，项数代表从首项到末项一共有多少个自然数。上述计算过程的规律就是：用首项加末项的和乘以项数，最后再除以2。这个计算规律可用公式S n=（首项+末项）×项数/2来表示。
验证过程：（1）新建变量S n、首项、末项和项数；（2）将S n、首项、末项和项数的初始值均设定为0；（3）将S n设定为上一次累加的和S n加上本次变化的加数i，每重复执行一次；（4）通过侦测模块里面的“询问……并等待”控件，将首项、末项和项数三个变量均设定为回答。（5）借助数字和逻辑运算模块将S n公式进行表达。（6）外观模块显示输出结果。
思考：上述脚本中，程序脚本需要执行几次？相较于之前的逐个累加算法，高斯算法的优点是什么？
高斯算法只需要执行1次，从时间复杂度和空间复杂度综合考虑算法的效率，有效减少了计算机的执行次数，缩小了累加范围，实现了算法方案的最优化。
小结：通过对比，我们发现，同一个问题可以从不同的角度思考解决问题的过程。高斯算法提升了算法执行效率，因此在解决实际问题时应用更为广泛。
设计意图：通过经典数学题“高斯算法”案例，进一步巩固本课教学目标，学生基本掌握了运用Scratch编程解决生活中的数学问题，并能独立编写完整脚本。同时，通过比较两种算法方案，引出算法优化
的思想，提高计算机的执行效率，让学生体会算法优化的必要性，培养学生从多角度分析问题、验证问题的能力，形成高阶思维。
拓展提问：你听过《九章算术》典籍吗？里面有很多有趣的算法，你可以尝试结合今天所学，运用Scratch编程设计。
设计意图：通过从中华典籍中抛出问题，拓展迁移算法的更多应用，总结算法的思想，将算法作为学习的要点，让学生养成算法思维，形成解决问题的思路。
【案例反思】
一、明晰课标要求，精准设计案例
算法是学生计算思维的核心要素之一，新课标要求以学生身边的算法为载体，从生活实际出发，运用多种方法解决问题。“小猫出题”考查的是随机列出两位数的加法，相对比较简单，学生基本能够通过流程图讲解，搭建过程脚本，拓展到经典高斯算法，在由浅入深的一个个活动和问题链中感受算法的概念与特征。教师要运用合适的描述方法和控制结构帮助学生理解，体验使用图形化编程实现算法程序设计的方法，感受算法效率的重要性，在不断的调试验证中感受成功的喜悦。所以，教师前期的精准教学设计和提前预设对学生的计算思维培养和逻辑性养成有重要意义。教学设计不仅要在内容上凸显
新课标的要求，更要在理念上彰显新课标的精神。如在顺序算法的理解基础上，进行累加算法和衍生出的高斯算法，体现了新课标强调的“科”与“技”并重的理念，以及技术定位即验证、模拟，体现高阶思维和深度学习。
二、分析教学内容，有效开展活动
编程小学生有必要学吗新课标中强调：“学生能进一步判断解决同一问题的不同算法在时间效率上的高低。”朱彩兰博士曾公开讲座表示：新课标的编程活动，一方面要引导学生将初步获得的理论应用于实践，检验、验证算法的执行可行性和执行时间效率；另一方面要借助实践活动加深学生印象，促进学生理解，实现认识与实践的双重循环。本节课笔者设计的四个活动均围绕教学目标展开，层层递进、系列关联、逻辑性强、逐步优化，引导学生经历算法解决问题的过程，推动了学生算法知识的学习，思维品质得到提升。教学活动还要体现探究性、开放性、实践性和可行性，使学生能够阅读理解，修改运行程序等，并保证学生至少掌握和正确运用一种算法。学生在体验中具备了独立思考的机会，课堂中适当安排小组协作，引导学生进行探究和交流。在全班互动的基础上，灵活进行学生自评、互评和师评，提高班级整体参与度，进而提高课堂效率。
三、搭建学习支架，革新思维过程
在图形化教学编程中，笔者结合学生反馈与课堂表现，提供个性化的助学支架。借助流程图、微视频
和程序脚本等可视化媒体资源，帮助学生深层次体验算法解决问题的全过程。通过对比不同的算法方案，学生能充分体会算法优化的意义，从而全面提升学生的计算思维能力。
新课标强调，在信息科技教学中，教学内容要渗透计算思维，而算法作为核心要素之一，对学生的重要性不言而喻。聚焦小学生计算思维素养培养，将知识建构、技能培养与思维发展融入教与学全过程，还需要我们更加积极探索有效的策略方法。而后笔者也将继续遵循学生的身心发展规律，甄选主题内容和基础知识，细化育人目标，优化课程组织形式，全面提高学生的信息素养。
参考文献：
杨沁憧.计算思维视域下高中信息技术教材“数据与计算”部分的内容分析研究［D］.呼和浩特：内蒙古师范大学，2021.
作者简介：孙婷婷，南京市青云巷小学，本科，职称：二级。
●编辑赵飞飞
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