小学信息科技跨学科主题学习设计与实施——以“碳足迹”教学为例

◎ 章 惠

一、研究背景

2016 年9 月，《中国学生发展核心素养》总体框架在北京发布，以培养“全面发展的人”为核心，阐明了新时代中国学生应具备的核心素养。2021 年11 月，《提升全民数字素养与技能行动纲要》提到“注重培养具有数字意识、计算思维、终身学习能力和社会责任感的数字公民”。在此背景下，在义务教育阶段培育学生的核心素养，适应未来社会的发展需求，显得尤为重要。

但学科领域与素养之间的关系不是一一对应的，一种素养的发展不会专门依赖于一个学科［1］。因此落实核心素养培育需要打破学科间的界限，加强知识的横向联系，实现不同学科内容的整合，发挥课程教学的整体育人功能。《义务教育课程方案（2022 年版）》提出把“加强课程综合，注重关联”作为基本原则之一，要求“开展跨学科主题教学，强化课程协同育人功能”，加强学科间的相互联系，带动课程综合化实施。这意味着，跨学科主题学习已是义务教育阶段课程改革倡导的一种重要的学习方式，也是落实新课标精神的重要途径。

《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》（以下简称《2022 版课标》）独立设置了17 个跨学科主题，每个主题的表述都能既立足本模块的学习内容，又联系学生的生活实际。但对于主题下要达成什么目标、综合哪些学科的思想方法、如何设计实施，没有具体的操作性指导。通过问卷调查了解到，一线教师普遍反映对照新课标提供的17个跨学主题，仍不清楚该如何有效地开展跨学科主题学习。经过访谈了解到，学生在遇见生活中的复杂问题时，往往不知道如何运用已学知识去解决问题，课堂所学的知识与日常认知存在差异。

因此，结合现阶段小学生对信息科技学科的认知基础，我们决定选择《2022 版课标》中四年级对应的跨学科主题，围绕该主题开展信息科技跨学科主题学习实践。

二、主题确定

为了了解学生目前的认知水平、信息能力，我们进行了访谈，发现：四年级学生已经掌握了计算机基本操作本领，但对于数据的认知较为粗浅，并且缺乏利用数据进行分析、加工、获得问题解决方案的经验。《2022 版课标》中与四年级相关的跨学科主题有“用数据讲故事”“用编码描述秩序”。结合学情的调研，我们选择“用数据讲故事”这一主题开展活动。主题通常指向一个开放的复杂问题。解决该类问题往往需要学生在实践活动中综合运用不同学科的知识［2］。

有了主题，情境从哪里来？我们希望通过情境支撑知识构建，让学生在情境中体验生活，培养解决问题的能力。校园特色活动的对象往往是全校学生，这类活动的主题切近生活，有一定的意义和价值，通常会蕴含不同学科的知识，便于我们的实践开展。因此，决定结合学校“科技筑梦，‘碳’索未来”校园科技节活动，用数据讲低碳减排的故事，将学习主题确定为“数说碳排放”。

三、目标编制

跨学科主题学习是立足学科学习，运用两种或两种以上的学科知识或方法解决问题，开展综合学习的一种活动［3］。因此，张玉华、万昆等学者认为除本学科外，我们也需要关注其他学科的目标，培养学科核心素养和跨学科素养［4，5］。

首先，我们从 “用数据讲故事”这一跨学科学习主题的课标要求中提炼了四个关键点，分别是发现背后的数据，观察记录数据、通过数据预测和分析，提升科学思维、表达与交流能力。前三点是本学科的思想方法，第四点是跨学科的素养要求。然后，针对前三点梳理了《2022 版课标》的内容要求和学业要求，找到了对应的描述：感受无所不在的数据，借助可视化方式表示数据之间的关系以支撑自己的观点，能用数据记录并描述规律性发生的事件。在科学学科和语文学科的课标中找到了第四点“提升科学思维、表达与交流能力”的对应描述和要求：运用模型分析、解释现象和数据，建立证据与解释之间的关系并提出合理见解；观察周围世界，能不拘形式地写下自己的见闻、感受和想象。

最后，基于上述探索，我们创设了“日常生活中，我可以为低碳减排做哪些努力？”这一核心问题，确定了本学科、关联学科（科学、语文、数学）的目标和思想方法（见图1）。本单元通过寻找生活中碳排放的真实场景，引导学生观察、采集、记录数据，体验数据组织、计算、呈现、表达的过程，学会用数据支撑自己的观点。在问题解决过程中，以科学学科中的碳排放知识为铺垫，运用数学学科的单位换算、数量关系等知识辅助组织碳排放的数据，在作品展示中尝试运用语文学科的语言组织和文学表达方式，用数据讲低碳减排的故事。

图1 学习目标

四、内容组织

结合《2022 版课标》对每学年的课时要求，决定集中安排4 课时展开“数说碳排放”单元学习活动（见图2）。围绕“日常生活中，我可以为低碳减排做哪些努力？”这一核心问题，形成系列子问题，每个子问题对应一个课时。

图2 单元结构

在“碳调查”一课中，学生通过完成“查找全球碳排放资料，寻找资料中的数据，并尝试用数据表达人类活动、碳排放与地球环境之间的关系”的课时任务，解决本课的核心问题“不同年份的碳排放量产生了怎么样的差异？”，来了解数据的多样性，认识数据在信息社会中的重要作用与价值。

在“碳足迹”中，学生通过完成“采集生活数据，计算一个人一天的碳排放量，分析数据、交流结果”的课时任务，解决本课的核心问题“日常生活中，‘我’一日的碳排放量是多少？”，体验数据采集、组织和计算的过程。

在“碳行动”中，学生通过完成“认识统计图，根据数据的特点和分析的需求，制作数据可视化图表，分享交流”的课时任务，解决本课的核心问题“从哪些方面改善可以减少碳排放量？”，学习借助可视化方式工具形成可视化图表呈现数据之间的关系。

在“碳故事”中，学生通过完成“小组合作使用碳排放数据制作电子作品，讲述低碳减排的故事”的课时任务，不拘形式地表达自己的想法和感受，解决本课时的核心问题“如何用不同的数据讲述低碳减排的故事？”，提升表达与交流能力。

五、活动的设计与实施

本文以“碳足迹”一课为例，描述活动设计与实施的过程。本课时学生将通过以下活动经历采集数据、组织数据、计算数据的过程：采集家中的水、电、燃气等的用量数据；使用数字化学习工具，组织采集到的数据，计算每日碳排放量；借助在线平台，计算班级碳排放平均值，小组讨论发现数据中的问题。通过解决问题，引导学生认识到节约资源和低碳生活的重要性。

（一）创设情境，提出问题

学生通过前续任务（第一课时）查找碳排放的相关资料，了解了人类的日常活动会产生碳排放，过量的碳排放会对环境造成许多影响。由此产生了本课时“碳足迹”的核心问题“日常生活中，‘我’一日的碳排放量是多少？”。并将核心问题分解成如下的子问题：一天中的哪些行为会产生碳排放？这些行为会产生多少的碳排放？每人每天碳排放量需要种植多少树木才能中和？依据问题链，结合《2022 版课标》的学习内容要求，开展活动的设计与实施。

（二）设计课前任务单，感受数据的采集与记录

1.教师准备：设计课前任务单

本课围绕学生的每日生活数据计算碳排放量，生活数据包含每人每天的用水量、用电量、燃气用量、上学的方式和距离、一日三餐的用量等。部分生活数据在课堂上是无法采集和记录的，因此通过课前任务单的设计，引导学生回家自主探究，寻找合适的方法采集相关用量并填写在任务单上。由于采集到的生活数据往往是以家庭为单位的，在设计任务单时，需引导学生分步填写获得每人每日用量，降低记录难度。

2.学生活动1：认识计算器，寻找需要采集的数据

回顾了第一课时的调查结果，总结了一天中衣食住行等方面的行为都会产生碳排放。通过科普影片关注到生活中的不同行为产生的碳排放数量不同，也由此引出了 “这些行为会产生多少数量的碳排放？”这一问题。

本课学生将使用碳足迹计算器辅助计算每人一天中不同行为的碳排放量。通过公式“碳排放量=活动用量×排放因子”认识碳足迹计算器，寻找需要采集并填入计算器中的活动用量，认识到采集数据需要有科学依据。

3.学生活动2：分享数据采集的方法

采集生活数据的方法是多样的。学生在课前通过自主探究，选择不同的方式采集家中一天的用水、用电、用燃气的数量和上学的距离及交通方式，将采集的结果填写在任务单上，并勾选对应的单位。课堂上，通过任务单和过程性照片分享自己的采集方法，例如，查看纸质或电子账单，计算每日家庭用量；观察家中的水表、电表和燃气表，记录每日家庭用量；询问父母，填写每日家庭用量；使用导航软件，记录上学的出行方式和对应的距离等方法。然而数据的采集方式各有利弊，有些方法采集的数据会存在不合理的情况，通过采集方法的分享，引导学生学会判断数据采集方法的合理性和可靠性，提升信息意识。

（三）借助数字化工具，体验数据的组织与计算

1.教师准备：制作数字化工具

本节课需要依据碳排放的计算公式计算碳排放数据，计算的过程较为复杂和繁琐。当教师将关注点放在如何计算碳排放量时，会偏离信息科技的教学目标，弱化主干学科的主导地位。因此，根据数据组织和计算的需要，课前教师使用Python 语言设计单位换算工具，使用表格工具设计制作碳足迹计算器，引导学生初步了解工具背后的原理和使用方法。借助数字化工具降低组织或计算过程中的难度，将复杂问题简单化，帮助学生将学习重点放在体验数据的采集、组织和计算这一过程，并形成关注数据来源的可靠性、计算结果的合理性的意识。

2.学生活动3：使用单位换算工具组织数据

在分享生活数据时，学生发现填写的用电量单位、用水量单位和距离单位各不相同。而在碳排放计算器输入数据时，需要统一生活用量的单位，由此，引发了“我该如何进行单位换算？”的思考。

对于已学过的单位的换算，例如，米和千米、升和吨的转换，教师会在课堂中进行知识回顾，让学生综合应用所学知识；对于未学过的单位的换算，如千瓦时、度，学生可以对照黑板上呈现的换算公式进行计算或使用数字化工具（单位换算工具）辅助计算，将采集的生活用量的单位转换成碳排放计算器中要求的单位，如度、吨、立方米和千米。

3.学生活动4：使用碳足迹计算器计算数据

如何将每日的生活用量数据转换为碳排放量？可使用碳足迹计算器分别从住、行、食三个方面分类计算。在填写生活数据计算碳排放量时，明确计算的内容是每人每日的碳排放量，学生发现：填写“行”类的生活数据时上学的距离应包括上学和放学；填写“住”类的生活数据时需要注意单位的统一；填写“食”类的生活数据时需要依据自身情况，准确、客观地填写数据。填写完数据后碳足迹计算器会自动计算排放因子，将不同行为产生的碳排放量显示在计算器中。

（四）分组设计任务，交流分享结果

1.教师准备：分组设计不同任务

碳排放数据较多，在对比时学生难以聚焦在某一数据上。因此，依据计算类型将班级分为三大组，第一大组关注“行”的碳排放量数据，第二大组关注“住”的碳排放量数据，第三大组关注“食”的碳排放量数据。除了聚焦某一组数据外，为了更深入地开展探究，每大组内再将学生分为4 人小组，对比碳排放量的计算结果，交流各自的发现。最后将计算结果与班级平均值比较，归纳总结碳排放数据与生活行为的关系，培养学生的数据敏感性，形成低碳生活的意识。

2.学生活动5：计算班级平均值，小组讨论交流

计算完成后，组内讨论各自的碳排放数据计算结果并寻找发生差异的原因。经过对比和总结发现：出行时不同的交通工具产生的碳排放量不同，其中步行和自行车几乎不产生碳排放量，燃油汽车产生的碳排量较多；在饮食中，肉类的碳排放量比蔬菜类的碳排放量高；家中用水、用电量越多，碳排放量越高。

借助在线平台采集、统计全班数据，获得班级每位学生的碳排放量并计算平均值。阅读班级数据（见图3），判断每位学生填写的碳排放数据是否合理，分析产生偏差的原因。对比班级平均值，阅读低碳小提示，了解自己的生活方式产生的碳排放量是高于平均值还是低于平均值，表达自己对低碳生活的认识。

图3 部分碳排放数据

（五）课堂评价

《2022 版课标》提出“注重评价育人，强化素养立意”。本课时以素养培育为导向，从学习兴趣、学习习惯、学业成果三个维度，设置了4 个观察点。针对不同观察点，本课运用学习任务单、评价量表、课堂问答及日常观察等方式展开观察和评价。课前下发任务单，学生自主学习采集生活数据的方法，将结果记录在任务单中，并在课堂分享。课堂上下发学习任务单，将学习过程中组织计算的碳排放结果填写在任务单中，小组讨论，表达自己的发现。课后填写评价量表，对小组讨论、计算数据的课堂表现和学习成果进行自评和师评。

六、反思与总结

（一）开展跨学科教研，加深对关联学科的了解

开展跨学科主题学习，教师不仅要掌握本学科的专业知识，也要对其他学科的知识方法有所了解。因此，学校为项目研究特别组织了几次跨学科教研，比如，小学四年级单位换算已经学到什么程度、“碳排放”的知识怎么讲才能通俗易懂，等等。通过研讨，教师对其他学科在相关主题下学了什么、学到什么程度、怎么学习的，有了比较深入的理解，在设计课程时能更好地融合关联学科的知识与方法。

（二）设计数字化工具，简化学习中的难点

学生在实践活动时，往往会因单位换算有误、碳排放计算太难等问题，将本节课的大部分时间放在了解决数学的计算问题上，偏离了本课时的学习重点。因此，通过设计数字化学习工具如单位换算工具、碳足迹计算器等，帮助学生简化在组织、计算过程中的难点，将学习重点放在体验数据采集、组织和计算的过程上，使学生认识到使用数字化工具也是解决问题的一种方法，提升学生的数字化学习与创新能力。