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义务教育信息科技课程“身边的算法”的分层教学实现

摘要：义务教育信息科技课程中的算法学习存在难度差异问题。从“用不用编程”和“用到何种程度”两个维度进行教学设计，采用分层教学方案和螺旋式上升的教学模式，可以满足多样化的教学需求。分层教学方案有效地适应了不同地区和学校的教学条件，帮助学生理解算法原理，并培养了他们的算法思维能力和问题解决能力。同时，通过灵活变通的编程实现方式和人工智能工具的应用，进一步提升了教学效果。该教学方案能够有效地解决义务教育信息科技课程中算法学习存在的问题，帮助学生掌握算法知识，培养他们的信息素养和创新能力，为未来学习和发展奠定基础。

关键词：算法教学；分层教学；编程验证；螺旋式教学；人工智能；数字化技术

本文以2024年发布的《义务教育信息科技教学指南》（以下简称“教学指南”）和人教版《义务教育课程信息科技学生学习手册》（以下简称“学习手册”）为基础，分析信息科技课程的五年级“身边的算法”模块的分层教学实现方式，并对运用数字化技术与资源提升教学效果方面给出相关建议。

一、总体思路

本模块的核心目标是引导学生认识、体验用算法解决问题的基本方法，并在具体场景中灵活应用这些方法，从而培养算法思维能力和良好的思维习惯。本模块教学的重点不在于简单传授概念性知识（如算法的定义等），而是通过引导学生参与操作实践、游戏活动、编程验证算法以及程序的阅读和改写等多层次的活动任务，逐步形成分析、应用和设计简单算法的能力。

关于学习算法和学习编程的关系，存在诸多探讨和争论。例如，学习算法是否必须先学编程？学习这些看似艰深的算法描述和程序代码究竟有何意义？下面几个类比有助于解答这些问题。

首先，学习算法可以与学习数学类比。虽然部分数学知识看似“用不上”，但学习这些内容的过程能够锻炼学生的逻辑思维，帮助他们更好地学习其他学科和理解世界。学习算法亦是如此，不仅具有实用价值，还能锻炼思维能力。学习算法和学习编程并没有固定的先后顺序，即使学生未来不从事编程工作，算法思维也会在他们的学习和生活中发挥重要作用。基于相关资源的验证与实现，学生可以更加直观地理解算法，动手实践能力和逻辑思维能力也会得到培养。

其次，算法描述和程序代码的学习过程可以类比为外语学习。学生初学外语时可能会感到陌生和困难，学习算法亦然。教师可以通过构建适当的情境激励学生学习与思考。例如，可以设想未来世界存在许多拥有独特的语言和思维方式的“外星人”。在未来与这些“外星人”合作时，不仅需要掌握他们的语言，还需要理解他们的思维模式。这些“外星人”可能成为强大的助手，帮助人类探索未知领域并创造更大价值。因此，从现在开始学习这种新的思维模式和交流方法，将在未来获得重要的优势。

在人工智能迅猛发展的今天，学习算法更具有积极意义。未来社会需要多样化的人才：既包括能够开发、优化和控制人工智能的人，也包括能与人工智能高效协作的人。这些能力都需要以算法思维为基础。在教学中，教师应关注算法学习的特点，注重将算法知识与日常生活应用结合，并充分利用互联网和人工智能等多种数字化技术，帮助学生在实践中提升思维能力，适应未来社会的要求。

二、两个维度的分层教学设计

学习算法并不一定要依赖编程，但程序是实现和验证算法最直接和最有效的方式。然而，不同地区和教育背景的学生及教师在编程能力和资源条件上存在较大差异，不宜采用单一的教学模式。针对这一情况，教学指南和学习手册在涉及程序验证算法的环节，精心设计了分层教学方案。在“用不用编程”以及“用到何种程度”两个维度，教学指南和学习手册提供了可以灵活调整和组合的教学方案，以满足多样化、多层次的教学需求。

（一）适应不同水平的分层教学

教学设计关注分层教学，在“用不用编程”方面实行弹性的学习活动设计以适应各地不同的学生基础和学校情况。具体而言，教学指南在学习活动中划分了不同的层次，大多数课以“学习活动1”为主，“学习活动2”作为进一步学习的选择。部分课节还设计了三个不同层次的学习活动，供教师依据教学情况灵活选择。此外，每节课后的“拓展与提升”部分可以引导学生利用配套的课件和程序进行课内或课后的学习与探究，帮助他们更深入地学习相关知识，提升算法思维和应用能力。

以第16课“比较交换找最值”的教学为例。“学习活动1”的寻找最大值活动只需要简单的教具即可完成。这个活动不仅能帮助学生理解计算机的工作方式，而且其中用到的方法也有实用价值。“学习活动2”则是深入学习的环节，相关数字资源平台提供了完整的程序，使学生能够在计算机上验证用算法找出最大数值。此处需要引入“列表”这一Python编程中的概念。对于有一定编程基础的学生，或课时较充足的班级，完成这个活动并不困难。然而，对于缺乏相关基础知识的学生，若要在有限课时内理解这些概念并应用，则需要投入较多时间。因此，这部分被设计为分层