编程与小学科学教育融合课程探究

刘瑞雪

数字时代的到来和快速发展，对编程教育提出了更高的要求，不仅要学习编程的语法，借助这些语句、模块完成绘画、阅读、写作等描述性的编程应用，更重要的是通过编程学习和实践提高学习者发现问题、分析问题、解决问题的综合素养，培养多维度的思维能力。融入跨学科的理念和思路，可以让学习者通过计算工具加深对各领域知识的理解，激活和使用新知识，重构并获取新技能，促进编程教育与学科知识教育的协同发展。本文选取小学科学与编程教育的结合点，以“地球运动”知识点为例，介绍编程与小学科学教育融合的课程探究与设计。

教学背景

小学科学教育日益受到重视，最新修订的课程标准也体现了诸多与时俱进的变化，其中明确提出“设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，带动课程综合化实施，强化实践性要求”。信息技术天然带有工具类学科的属性，将其作为学习天文等科学知识的载体，可为教学引入一些新思路、新方法和新手段，尤其适用于传统教学中难以通过实物、实验开展学习或需长期观察的知识内容。同时，信息技术学科具备的计算思维和方法也将为问题解决、知识建构提供新的思路。

本课程设计选取的 Scratch 图形化编程软件面向儿童开发，相较文本编程，更利于小学阶段学习者理解和操作，支持媒体资源的添加和使用，便于教师搭建学习活动及场景。

遴选“地球与宇宙科学”的重要概念和基础知识，将图形化编程作为具像化的教学手段和学习工具，设计跨学科的课程内容和主题学习活动，有助于优化课程内容组织形式，帮助学生在学习学科核心概念的基础上，理解跨学科概念，促进知识在真实应用中的固化与提升。

教学实施

在教学实施中，引导学习者对复杂问题进行分析分解，设立任务目标，逐步探究“地球运动”的全貌。教师可提供图片、音乐等媒体资源作为探究对象的“造型”、背景等，搭建支撑探究活动的载体，根据学习者的基础，还可提供代码片段或样例，做好“腳手架”支撑。

教学过程

任务1：地球自转和昼夜交替

Scratch 图形化编程软件中如何实现物体的变化运动？在 Scratch 媒体资源库选择几个角色，比如走路的小猫、狮子，观察和了解这些角色如何根据“造型”变化和“视觉暂留”原理展现动物行进的状态，进而引导学习者思考，如何由此展现地球的自转？观察平铺的世界地图和地球仪的异同，教师为学习者准备3张地球图片作为地球的“造型”，按照正确顺序拼接可形成一幅完整的地球图片。学习者思考和设置“造型”的出场顺序，使其在代码的控制下，能够从东向西展现地球各大洲的风貌，实现地球自西向东自转的模拟。使用“右转”代码，可模拟地轴的倾斜角度，使自转模拟更完整。

根据学习者的编程基础，教师可引导其自主编程，或为其提供太阳照射的代码，观察地球自转下的昼夜交替现象。

设计意图：通过动手调整“造型”变化的顺序，学习者在实践中内化地球自西向东转动的概念；调整“造型”变化的时间，观察和思考昼夜交替的间隔和时间的概念。同时，了解如何通过计算工具实现物体变化的思路和“循环”的编程逻辑。

任务2：地球围绕太阳公转

地球围绕太阳公转的轨道是什么形状？帮助学习者分析地球公转轨道并建模为数学概念——圆，正圆更便于小学阶段的学习者理解和应用。学习者首先利用已学的科学知识，指出圆心——太阳，半径——地球与太阳之间的距离，手动实现地球以太阳为圆心画一个圆。然后结合编程，实现模拟地球自动运行。教师可给出一些编程的提示和引导，比如使用“移动”代码找到位置，例如圆心“太阳”；使用“移动”代码实现从“太阳”到“地球”的距离，也就是半径；使用“左转”代码可以实现逆时针转动角度；如何让“地球”不停地运转起来？可以使用“循环”代码，使其重复运动。

根据学习者的编程基础，教师可引导其自主编程或为其提供太阳照射角度的代码，观察地球公转中太阳照射角度的变化和四季变化现象。教师引导时可引入 Scratch“画笔”工具，易于小学阶段学生接受和理解，且呈现效果更加形象，画出连接“太阳”和“地球”的直线，模拟太阳光照射。

程序运行中，学习者可直观地观察到太阳光往复直射南北回归线和赤道的现象和规律，可以观察到地球上某一地区太阳光照射角度的往复变化。既结合了传统教学中的观察记录和标杆实验，又使其效果更加快捷、直观和精准。

设计意图：学习者通过动手操作，加深了对地球公转的理解，调整旋转方向和角度，观察和理解地球公转的方向和速度；配合太阳照射角度的模拟，还可进一步了解太阳照射角度变化、温度变化和四季变化的规律，引导学习者模拟和思考地球围绕太阳公转会有什么不同？进而帮助学习者理解四季交替的本质，内化地球公转知识。同时，引导学习者使用编程的“变量”概念并结合“判断”逻辑，在地球公转中记录和展示角度的变化，自动识别一些特殊位置，如太阳光直射南回归线、赤道和北回归线，这不仅有利于其观察、分析和归纳自然现象的规律，还可让学习者进一步了解和掌握计算工具的记录和判断方法。

任务3：极昼与极夜

什么是极昼、极夜？为什么会有这种现象？对极昼、极夜的模拟探究，是一个综合运用地球运动知识的好机会。首先，引导学习者分析引发极昼、极夜现象的重要因素，如地球自转与公转、地轴倾角、太阳照射等。然后，帮助学生将任务1、任务2中所学所用的知识和技能进行分析和整合，编程实现以上组成因素。最后，在程序运行中观察太阳光的覆盖情况，分析和总结北极圈、南极圈内出现极昼、极夜现象的规律。

设计意图：学习者通过综合的知识运用，对地球运动有了更全面和深入的理解，通过调整地轴倾角，可直观地了解极昼、极夜现象的范围和形成的本质原因。同时，通过综合知识的运用，培养和提高学习者分析、分解问题，进而整合解决问题的思维和能力。

总结与思考

编程与学科教学融合的过程，要充分寻找二者的结合点，发挥编程自身的特点，服务教学，使其效果更加直观、精准，促进学习者的知识内化、能力迁移和思维养成，使课程学习更加丰满，让编程应用更为有的放矢。

同时，融合课程的设计应充分考虑学习者的编程能力，课程设计一方面要循序渐进，注意进阶；另一方面可以优化配套，细化引导辅助的讲解视频、教学步骤等，为课程开展提供切实的支撑。