学科融合背景下的信息科技课程教学设计

2022年，《义务教育信息科技课程标准》终于落地，新课标把信息科技纳入现代科学技术领域。对比一直以来“软件学习为中心”的教学模式发生很大改变，新课标紧紧围绕信息科技四大核心素养（信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任）而制定，强调以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。算法是计算思维的核心要素之一，也是人工智能得以普遍应用的支柱。一直以来创新性都是信息科技课程的重要素养，主题活动和数字化环境为“做中学、用中学、创中学”提供了载体。在“双减”和“新课标”的双重背景下，课程教学中的“提质增效”成为信息科技学科教研的重点。作为一门综合实践性课程，信息科技在实例设计方面更是将“学科融合、五育并举”作为关键词，引发教师的思考与创新。信息科技学科中的程序设计可以锻炼学生的逻辑思维能力，增强想象力，提升注意力，但程序设计对大部分学生而言是比较抽象、难懂的，而积木式编程语言将一条条基本指令封装成一个个积木块，编程的过程就如同积木的拼接和搭建，积木式编程语言大大降低了初学编程的门槛，但又保持了内在的逻辑性，非常适合初中学生学习，也可以作为学科融合的恰当载体。

一、案例的基本情况

“神奇的画笔”案例是以程序编写为核心设计的具有过程性、创新性和综合性的跨学科主题学习活动，涉及信息科技、数学、艺术等知识。在教学过程中，该项目适合安排在七年级到九年级开展的跨学科主题学习活动中；在课时安排上，建议集中安排2～3课时；在项目的实施上，建议先用数学原理分析各种图形的特征，再强调程序的实现，也可以把每一部分的关键点录制成微课作为学习资源。项目实践中，教师应给学生更多的时间，进行更为多样化的开放设计，增加学生之间的互动，加强学习反思。

在积木式编程语言中，通常有一组积木块是画笔，画笔积木块的基本功能有：画笔粗细、画笔颜色和画笔色度等。教师可以引导学生利用画笔积木块来绘制各种几何图形，在学习信息科技知识的同时，感受数学之美，感受学科融合的魅力。

二、案例的实施过程

（一）绘制正多边形，理解其原理

在教学过程中，实例的设计、编排和选取非常关键。首先，教师不但要有明确的目标，还要兼顾知识本身的系统性；其次，实例程序设计时要注意新旧知识的联系，由简到难、层层递进，层层铺垫；最后，学生的能力参差不齐，程序设计必须有浅有深，有易有难，给每个学生提供参与、表现并获得成功的机会。在实际教学中，教师可以通过正方形的绘制，引导学生认识积木式语言绘制图形的基本原理。画之前，教师先引导学生分析正多边形的内角和边数等情况：①正三角形，每个内角都是60°，有3条边；②正四边形，每个内角都是90°，有4条边；③正五边形，每个内角都是108°，有5条边。

这时，教师还要让学生知道一个数学结论：正多边形外角之和为360°。有了这条结论，学生就可以推测任意正多边形的每一个外角的度数。如图1，正三角形，每一个外角度数为120°；正方形，每一个外角度数为90°；正五边形，每一个外角度数为72°，即正多边形的每一个外角度数=。

基于以上数学知识，教师带领学生分析程序中正方形绘制的原理：首先，通过角色区设定画笔的起点，把画笔的起点设为水平向右的方向。知道了画笔的起点，第一步引导学生先绘制一条步长为100的线段；第二步向左旋转画笔方向90°，继续绘制第二条步长为100的线段；第三步再向左旋转90°，继续绘制第三条线段；第四步再向左旋转90°，绘制出最后一条线段（如图2）。

学生弄懂了绘制正方形的原理，接着就要去积木式程序中实现正方形的绘制了。为了方便学生理解，教师可以把绘制的速度调慢一点，或者在每画完一条边后等待1秒，在程序运行的过程中，让学生清晰地观察到整个图形的绘制过程。最初，角色不需要隐藏，根据角色的方向，教师可以帮助学生通过角色观察每条边绘制的方向，从而深入了解绘制的原理。具体的程序代码、运行结果、角色属性和方向初始化，如图3所示。

根据以上分析，以及“正多边形外角之和为360°”，学生容易知道，每次绘制完一条边后，旋转的角度也就是每个正多边形的外角度数。比如绘制正三角形时，每个外角度数为120°，在绘制完一条边后，旋转的角度也就是120°，如图4。在绘制正五边形时，每个外角度数为72°，在绘制完一条边后，旋转的角度也是72°，如图5。

根据以上分析，结合数学原理，学生还可以绘制任意多边形。在绘制的过程中，学生会发现，当边数越多时，多边形越接近圆形，如边数为30时，已经可以近似看成一个圆了。

（二）旋转正多边形，感受数学的美

“如果你善于发现和巧用数学知识，玩转图形，你将会发现更多的美。前面我们用一重循环实现了正多边形的绘制，现在我们把正多边形当成一个整体，在绘制完当前正多边形后，让画笔方向旋转一定的角度，再开始下一个同样的正多边形的绘制，旋转绘制完一圈以后，我们看一下会变成什么样的图形。”通过这样的过渡语言，教师可以引导学生进入活动的下一个环节——旋转正多边形，当然也可以引导学生利用另一个循环来实现，这样的话就是两重循环的嵌套，内层循环用来绘制正多边形，外层循环用来控制旋转的次数。图6是一个正方形旋转一圈后的效果。

在这里教师可以以正方形为例进行分析，引导学生用内层循环重复4次，完成一个正方形的绘制；外层循环实现正方形的旋转，绘制完一个正方形后，更改当前画笔的方向，每次旋转36°，重复10次，旋转一圈360°（多几次也可以，多出的次数会覆盖原来的图形），画完一个完整的图形。同样，教师也可以引导学生让正九边形旋转20次或让正十二边形旋转18次，关键的程序代码和最终效果如图7。

（三）绘制螺旋图形，进一步挖掘美

“如果你仔细观察，会发现在自然界中，有些动植物的外观、浩瀚的宇宙星系、建筑设计，以及摄影构图中都存在一些漂亮的螺旋线，它们具有一定的比例性、艺术性、和谐性，蕴含着丰富的美学价值。现在我们在前面简单图形绘制的基础上，再一次运用数学知识和积木式程序相结合，实现各种漂亮的螺旋形的绘制。”教师可以用这些生动的过渡语言引导学生进入活动的第三个环节——绘制螺旋图形。

在正方形的基础上，教师引导学生发现只需更改绘制线段的长度（半径），每次增加一点点，就可以形成神奇的效果（如图8）。绘制过程描述如下（图8中的数字代表了线段的长度）：①画长度为1个单位的线段（开始时，n为1），右转90°（当然也可以左转）；②长度n在原来的基础上增加1（对应程序代码为n=n+1），再右转90°（如果①是左转那么这里也是左转），画一条长度为n个单位的线；③重复②。

以上重复次数越多，图形就越大。有了以上的分析，教师就可以接着引导学生充分利用正多边形外角和、角度和边的关系绘制正三形螺旋形，正四边形螺旋形……同样，多边形的边数越多时，绘制的螺旋形越接近圆的螺旋形。以下是正六边形螺旋绘制的关键程序代码和最终绘制结果（如图9）。

教师让绘制的线段（半径）每次增加一点点，根据多边形的边与外角的度数确定旋转的角度。遵循这一原理，教师还可以引导学生绘制出以下各种神奇的螺旋形（如图10）。

以上漂亮的图形，是在图形旋转的过程中，有的改变了旋转的起始位置，有的改变了起始方向，有的逐一增加绘制的线段长度后得到的。这时教师可以这样引导学生：“如果旋转的图形稍微变形了，不是正多边形了呢？又会有什么样的效果？让我们一起来尝试。”

经过以上分析，我们知道，每次向左（右）转90°会创建一个完美的正方形。如果每次向左（右）转的比90°多一点点的话（比如92°），会将正方形略微向外抛出一点点，看着类似正方形，其实已经有了微妙的变形。也就是说，因为进行下一次旋转的时候，已经偏离了一点点，所以随着程序继续进行，新的图形越来越不像是一个正方形了。实际上，它创建了一个开始向左旋转的，漂亮的螺旋形。根据这个原理，教师可以引导学生画出各种美丽的螺旋图形（如图11）。

创新性是信息科技课程的重要素养，在教师正确的引导下，学生还会创造出更多惊喜。这些神奇的图形，让学生不但感受到了数学的美，还感受到学科融合的魅力。信息技术课程中的编程不但可以融合自然科学，也可以非常好地融合游戏，融合社会调查，融合语文戏剧等，其创造性是无穷的。在学科融合的过程中，教师应鼓励学生在“做中学、用中学、创中学”，这不仅能锻炼学生的逻辑思维能力，也可以提升他们的各种能力，凸显学生的主体性。学生通过项目实践，可以提升信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任素养。在跨学科主题教学中，教师应有意识地依据核心素养，从多个角度收集素材，指导学生开展实验探究，达成教学目标。因此，在信息科技教学中，教师一定要抓住课程的时代性、科学性、创新性特征，用信息科技的方法为数字中国、网络强国、智慧社会培养新时代人才。

◇责任编辑 邱 艳◇