融入虚拟科学实验的小学图形化编程教学探究

【摘要】本文将虚拟科学实验的科学原理、实验过程和思维方法高度融合，将学生科学思维素养培养与信息科技知识学习联系起来，通过一系列教学实践，探索融入虚拟科学实验的小学图形化编程教学策略，引导学生在小学图形化编程教学中亲历完整的实践过程，帮助学生形成对科学实验的完整认知，从而提升学生的编程思维水平和科学知识迁移能力。

【关键词】信息科技；小学图形化编程；虚拟科学实验；教学策略

【中图分类号】G434【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2023）19—0080—04

义务教育信息科技课程标准（2022年版）在课程理念中强调遴选科学原理和实践应用作为重点课程内容，体现“科”与“技”并重的指导思想。这明确了小学信息科技课程中图形化编程模块教学不仅关注小学生数字素养和技能培育，还把提升小学生创造性科学思维水平和科学精神在课程学习中体现出来。所以，在立足小学生年龄特点和认知规律的前提下，图形化编程教学中融入科学实践性元素，对于如今小学信息科技课程内容设置方面尤为重要。这需要教师在小学编程教学中通过大量实践，在相关教学模式、教学策略层面积极探索。笔者以所在学校为样本校之一，借助中心教研组活动，深入兰州市多所小学信息科技课堂一线，结合文献研究、问卷调查和实地走访，进行实验前后对比和行动研究，通过数据分析软件系统把收集的量化数据进行优化。在对课堂每个环节进行分析、研究的基础上，通过创设教学情境、完善教学资源、设计教学活动、强化学法指导、体现评价环节，最终形成与虚拟科学实验有关的教学经验总结。同时，紧密衔接学生的数字化体验，把科学思维融入真实的生活情境、问题情境和项目学习情境中，以学生为主体，在学生参与的数字化学习中贯穿虚拟现实内容，实现从知识呈现到学生基本技能培养的教学升级。

一、研究背景

在人工智能时代，大力培养科技创新人才尤其重要。随着信息化技术日益更新，在小学信息科技教学中，图形化编程教学内容已成为引导学生探索计算机编程的主要依据[1]。然而在小学信息科技课堂教学中，笔者发现一些图形化编程课程的开发设计过分迎合小学生对游戏和动画比较感兴趣的特点，过于侧重引导小学生理解游戏和动画原理，一部分小学生制作的游戏作品缺乏关于学习和生活的深入思考，含有恶搞元素，这并不利于学生学科核心素养的培养、科学思维与方法的锻炼和正确价值观的形成。

二、Kitten图形化编程平台的优势

以小学图形化编程课程为例，基于项目教学法的小学创客教育课程教学设计与实践研究以Kitten图形化编程为教学平台，该平台最大的优势在于将丰富的多媒体创作素材库和简单易学的创作界面呈现在编程者面前，可以让学习者在这个可视化编程语言平台上，体验趣味性和探究性，尤其重要的是体现出小学生在现实场景中接触到的科学知识，规范编程作品创作动机，对于学生进行数字化创作有重要意义。经验证，在小学编程课堂中进行相关项目学习，这样的图形化编程可以有效增强学生的编程思维[2]。

三、在小学图形化编程教学中融入虚拟科学实验的意义

2007年，关于虚拟科学实验有这样的定义：虚拟科学实验主要指在科学实践活动中，学生按照一定的科学流程操作现实或虚拟物体，观察科学现象，在提出问题、收集数据、总结规律等具体过程中完成实验探究任务，从而加深对科学知识、方法和规律的理解[3]。本研究在此基础上提出的虚拟科学实验是以Kitten图形化编程环境为平台，在教学内容上融合科学实验，借助图形化编程软件构建虚拟科学实验操作场景，学生可在编程软件界面，通过操控元素或修改参数来观察科学现象、探索科学规律，在有应用情境、角色体验的学习环境中，体验系统规划设计、算法思维和建模的科学方法，将科学现象探索过程转化为图形化代码，经历全景式的项目规划设计，潜移默化地学会图形化编程的设计规范和思维方法。

在梳理相关文献、分析编程平台优势的基础上，笔者围绕教师、学生活动这两方面进行教学设计，并将相关教学理念、基本特征融入图形化编程教学中，探究从“过程与方法”到学科核心素养层面的教法与学法策略，注重引导学生观测实验现象，总结实验规律，使学生在学习过程中实现编程思维和科学素养双培养。在这样的完整虚拟科学实验中，体现出从单一知识技能传授到对学生科学探究精神培养的转变。基于此，笔者利用信息科技，呈现学生感兴趣的科学现象、科学实验场景，反映学生对现实世界的认知与期待，培养学生运用信息科技手段走进科学、理解科学和发展科学的能力。更重要的是以国家义务教育信息科技课程标准为指引，发挥虚拟科学实验在小学图形化编程教学中的关键作用，通过这样的教学实践过程，使教师在课堂教学层面探寻学生理解科学、把握科学研究与实践探索的规律，实现学生在人工智能领域的进阶成长[4]。

四、在小学图形化编程教学中融入虚拟科学实验的方法

1.学习准备，提出主题。目前，兰州市一些小学有相对优越的硬件资源，计算机及其机房的配套设施较为完善，这为此次研究的顺利开展提供了一定的硬件条件。在此基础上，教师借助Kitten图形化编程软件平台，在准备阶段完成对学生学情的分析，而问卷调查和实地访谈是研究的主要方法。为了更细致地把相关教学理念贯穿于课堂教学中，笔者围绕“虚拟科学实验融入前图形化编程需求分析”“虚拟科学实验融入图形化编程教学的态度调查”，设计了调查问卷，并与部分学生谈话，为笔者分析实验结果提供了重要依据。在科学分析学情的基础上，形成图形化编程基本知识与技能水平差异情况分析，教师把学习者分为实验设计组和观察记录组，为后面进行的分层教学和小组合作打下基础。观察记录组的学生对编程知识掌握不多，这一部分学生在课前准备方面以观察和记录完整实验为主，以了解编程作品制作的基本流程为辅。实验设计组的学生由于已具有图形化编程的初步制作经验，可侧重于亲历虚拟实验从元素到模组、模块，从模块到整体的搭建。不仅如此，教师依据学生对于知识技能的熟练度，可对学生的角色进行调整，使两组学生在多次取长补短的合作学习中提升能力。

想在这个过程中牢牢吸引学生的注意力，教师需要做好虚拟科学实验主题情境创设。整个过程中，始终贯穿以人为本的理念，教师可以根据实验的复杂程度和学生对知识的接受程度划分主题，把高年级小学生的科学知识范围分为天文、物理、化学、生物以及人与生态等部分，主题从天文学以及探寻物质世界原理和规律的物理、化学几大板块逐步深入，最终回归到生态和人的关系相关领域。在探究式学习开始之前，教师可以把充满探究乐趣的科学揭秘主题预先告知学生，引导学生利用书本、互联网等获取相关知识，初步具备在相关科学主题中分析解决问题的能力，能在解决具体问题的情境中展开项目学习。

2.范例研习，做好实验反馈与建议。在此环节之前，学生所掌握的知识和技能并没有得到实践检验，对此，教师可以展示完整的虚拟科学实验范本，学生在演示中练习编写相关程序、运行编好的程序。教师可以先让学生预览最终效果，依靠范本实验的逻辑关系和生动形象的动画效果，最大限度地激发学生的参与热情。当学生存在疑问时，教师适时引导学生理清设计虚拟科学实验的基本思路、制定基本步骤，提示实验难点，讲解实验素材的使用方法和选择依据，使学生在范例研习过程中能清楚地观察到每一个实验要素，积极思考由每一个实验步骤组成的完整制作流程。

有了上述实验范本的引导和观察记录组学生的协助，实验设计组学生可以有效地投入虚拟科学实验的操作中，从每一个实验素材的选择、每一处编程模组的确定、每一块编程积木的搭建到每一个实验目标的达成，都充分体现学生实验操作、探究科学的历程，使学生在融入虚拟科学实验的图形化编程软件平台获得成长。教师在巡视过程中精准指导、答疑解惑，对共性问题集中讲解，对反映科学现象的佳作予以肯定，让学生围绕如何调整关键参数、改变实验条件等方面分享见解，再引导学生共同学习、总结提炼。最后，教师提出关于虚拟科学实验设计的总结性学习建议。

经过以上的案例分析可以得出以下结论：范例研习环节有效激活了学生的编程思维。在问卷调查分析中可以看出，有78.5%的学生认为，基于虚拟科学实验的图形化编程教学极大地提升了编程学习效率。在编程学习过程中，教师对新知识的讲解，让学生能了解每个模块的不同作用和搭建编程积木的方法。在学生创作阶段，学生对知识和技能掌握的熟练度得以提升，进一步增强了算法思维能力。

为了进一步检验该环节实验研究，笔者抽选兰州市某小学六年级两个班的学生为研究对象，将学生分为实验组、对比组，其中实验组学生通过融入虚拟科学实验的图形化编程教学学习，而对比组则按照教材中一般图形化编程教学流程学习。实验开始前，对两组学生进行相关科学概念理解前测，实验结束后，围绕相关科学概念进行后测，通过前后对比可知，实验组学生学习效果较好，而且实验反馈与建议这个环节能有效促进学生科学思维和能力的培养。

3.阶段成果展示、分享和交流。在阶段成果展示、分享阶段，前面内容提到的观察记录组学生通过细致观察，详细记录实验结果，通过不同组间实验情况的对比，得出精确的实验结论。观察记录组学生在观察记录、提炼经验、填写记录表等过程中发现实验创新点，融入实验前后的不同想法，由教师组织这部分学生展示阶段性成果，对于发现的实验规律进行总结、拓展。在此基础上，观察记录组学生相互讨论，形成总结性经验，再反馈给同组的实验设计成员，在更精细化的范围内进行虚拟科学实验经验交流，促使实验设计组学生进一步完善作品，完成又一轮的研讨提升和成果展示。可以说，在此阶段融入虚拟科学实验小学图形化编程教学策略，对学生协作学习有一定帮助。前测问卷数据显示，51.2%的学生愿意与他人协作学习，后测问卷中这一数量上升至79.8%，说明学生的协作能力得到了提升。

4.做好综合评价、全课总结。检测学习效果，建立融入学生自评、学生互评和教师评价的完整评价机制尤其重要。在经过完整的学习阶段后，依据程序积木搭建、画面构图、颜色搭配是否合理、协调，创意是否新颖独特，素材使用是否贴合主题，科学原理是否通过虚拟科学实验得出等评价标准，进行课堂学习评价，完整反映出学生在编程思维、科学素养等方面的提升。

在此基础上，教师可借助问卷星等在线评价系统完成数字化学生整体评价分析。教师可将评价量表发到自主学习资源包中，学生通过上述学习阶段后，打开对应课程的教学后测评价表，按照知识与技能、过程与方法、情感态度、价值观等层级顺序评估自身学科核心素养情况，对全课知识点进行全面系统的回顾和总结。教师通过直观的柱状图呈现学生的学习成果，使学生更好地取长补短。

为了验证多维评价体系和课堂教学总结的重要性，笔者在研究中邀请具有丰富的图形化编程教学经验的专职信息科技教师参与，共同对研究结果进行分析，得出能有效提升学生参与课堂活动的积极性，更好地让学生理解编程作品创作的内涵，培养以数字化创新能力和严谨科学态度为主要内容的学科核心素养。

在这个过程中，教师需要及时发现学习过程中出现的问题，及时点拨学生，展示学习成果，总结实验规律，实现提升学生学科核心素养的教育目标，让学生逐步形成热爱科学、追求真理的人生态度[5]。

结合小学信息技术新课标，教师不仅要提升学生的编程知识和技能水平，而且要把培养学生程序算法思维作为重点，更要规范学生对于编程作品的创作动机。目前，小学图形化编程教学中存在编程游戏化、忽略编程思维和严谨科学态度培养的问题，而通过在小学图形化编程教学中融入虚拟科学实验的教学策略，可以有效解决存在的问题。具体实施中，教师可从课堂教学目标设置、教学内容确定、教学资源选择、实验情境创设、实验活动构建、分享交流、组织反馈以及教学评价等方面，进行图形化编程教学探索，形成科学且有指导性的课堂教学模型，可以应用模型中提供的教学思维与方法，让学生在完成虚拟科学实验的过程中，不断提升编程思维，提高信息科技拓展能力、科学探究能力。

参考文献

[1]张芳菲.谈信息技术的科学本质与育人价值[J].小学教学参考，2022（06）：84-86.

[2]王滨.基于项目教学法的小学创客教育课程教学设计与实践——以小学图形化编程课程为例[J].陕西师范大学学报，2019（01）.

[3]易苏情.融入元认知策略的小学虚拟科学实验活动设计与成效研究[J].浙江大学学报，2022（05）.

[4]陈亚阳.基于校园文化特色的小学图形化编程校本课程开发[J].中国信息技术教育，2022（05）：49-50.

[5]张汉城.基于STEAM理念，建设Kitten校本课程[J].新教师，2022（07）：86-87.

（本文系2023年度甘肃省“十四五”教育科学规划课题“融入虚拟科学实验的小学图形化编程教学策略”的研究成果，课题立项号：GS[2023]GHB0561）

编辑：彭雪亮