[一堂,程序設(shè)計(jì)]一堂基于STEM的新穎程序設(shè)計(jì)課

1、一堂基于 STEM 的新穎程序設(shè)計(jì)課案例背景循環(huán)結(jié)構(gòu)案例是廣東省佛山市高中信息技術(shù)課程校本化研究活動之計(jì)算思維的培 養(yǎng)”的一節(jié)公開課。教材內(nèi)容取材于廣東教育岀版社的髙二信息技術(shù)(選修 1)算法與程序 設(shè)計(jì)第二章第 4 節(jié)第一課時(shí)，并結(jié)合石門髙級中學(xué)機(jī)器人校本課程進(jìn)行設(shè)汁，學(xué)時(shí)為 1 課時(shí)。循環(huán)結(jié)構(gòu)一課將 STEM 教學(xué)理念融入課堂。STEM 教育理念源于美國，其代表科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)%工程(Engineering)數(shù)學(xué)(Mathematics)融合,旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新 能力的復(fù)合型人才， 同時(shí)在教學(xué)過程中有意識地向?qū)W生滲透計(jì)算思維， 即利用計(jì)算機(jī)解決問 題的思維

2、和方法。學(xué)情分析本節(jié)之前學(xué)生已學(xué)習(xí)了程序的順序和分支結(jié)構(gòu),對機(jī)器人仿真編程軟件的使用基本熟悉。 這節(jié)課較之順序、分支結(jié)構(gòu)有一立的難度。由于只上了幾節(jié)程序基礎(chǔ)課，大部分學(xué)生用代碼 編寫程序的能力較弱。為了提髙學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，降低難度，筆者對循環(huán)結(jié)構(gòu)這一章右采 用循序漸進(jìn)的方法。首先用流程圖的編程模式進(jìn)行教學(xué)，暫時(shí)忽略具體代碼，關(guān)注算法本質(zhì)， 希望讓學(xué)生更容易接受和體驗(yàn)學(xué)習(xí)編程的成就感。高中生信息技術(shù)水平差異化非常突岀，教 師要兼顧到各個(gè)層次的學(xué)生。教師設(shè)訃不同難度的編程任務(wù),讓學(xué)生們都能在課堂上“吃飽”。 教師在課件上提供豐富的學(xué)習(xí)資源以供他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)，如提供自主學(xué)習(xí)的微視頻導(dǎo)學(xué)材料 等。教

3、學(xué)目標(biāo)知識與技能目標(biāo)：認(rèn)識循環(huán)結(jié)構(gòu)的概念、作用、分類及其在編程中的廣泛應(yīng)用。掌握循 環(huán)結(jié)構(gòu)中的多次循環(huán)(固龍次數(shù)循環(huán))、永遠(yuǎn)循環(huán)(死循環(huán))和條件循環(huán)的區(qū)別和應(yīng)用。學(xué)會 綜合利用循環(huán)結(jié)合順序和分支三大結(jié)構(gòu)編寫機(jī)器人行走等一系列的應(yīng)用問題。過程與方法目標(biāo)：能通過類比的方法去應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序。能正確運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)去 解決機(jī)器人行走等一系列應(yīng)用問題。初步體驗(yàn)自頂向下、逐步求精、模塊化程序設(shè)計(jì)解決問 題的過程和方法。情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過程序設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)精神。培養(yǎng)學(xué)生 編程興趣。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：循環(huán)結(jié)構(gòu)中條件循環(huán)的執(zhí)行流程及編程應(yīng)用。難點(diǎn)：循環(huán)結(jié)構(gòu)的靈活應(yīng)用。整體思路本課先

4、是從學(xué)生感興趣的機(jī)器人問題出發(fā)，教師演示滅火機(jī)器人火火和掃地機(jī)器人回家 充電的情境。然后，教師提出問題：機(jī)器人是如何搜索到火源和充電器的？從而激發(fā)學(xué)生探 究問題的興趣。接著，教師以問題解決的教學(xué)模式，將循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識，按照“什么是循環(huán) 結(jié)構(gòu)一一為什么要用循環(huán)結(jié)構(gòu)一一循環(huán)結(jié)構(gòu)分類一一循環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用” 一步一步地循漸推進(jìn)。 教學(xué)中采用案例教學(xué)，貼近學(xué)生生活實(shí)際，如機(jī)器人叫醒程序“聞光起叫”、機(jī)器人火火程序 等，讓學(xué)生體驗(yàn)完成機(jī)器人編程項(xiàng)目的成功感。教學(xué)過程1創(chuàng)設(shè)問題情境，引入新課教師播放兩段視頻，一是我校學(xué)生在美國參加國際中學(xué)生機(jī)器人火火比賽獲得冠軍的比 賽視頻：二是家庭掃地機(jī)器人掃完地回家充電的視

5、頻。學(xué)生看后既感到新鮮又充滿疑惑。例 如，火火機(jī)器人它是如何自動搜索到火源的？掃地機(jī)器人是如何找到充電器的？教師引導(dǎo)學(xué) 生分析，機(jī)器人是由程序驅(qū)動的，火火機(jī)器人在找到火源前，它不停地重復(fù)行走以搜索火源 目標(biāo)：而掃地機(jī)器人快沒電了，在找到充電器前，它都在不停地重復(fù)行走以搜索充電器目標(biāo)。 因此，看似它們在做不同的任務(wù)，但程序本質(zhì)是一樣的，即在一上的條件下，重復(fù)執(zhí)行行走 和搜索目標(biāo)的動作。而描述這種重復(fù)的算法步驟的程序結(jié)構(gòu)，就是這肖課要學(xué)的內(nèi)容一一循 環(huán)結(jié)構(gòu)。設(shè)訃意圖：機(jī)器人問題情境讓學(xué)生倍感新鮮，富有時(shí)代感。機(jī)器人的各種走路算法是一 個(gè)個(gè)靈活應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)編程的典型案例。通過機(jī)器人仿真編程環(huán)境，驅(qū)動

6、機(jī)器人按學(xué)生的意 圖做出各種反應(yīng)，呈現(xiàn)效果生動形象，更能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)程序的興趣。2. 循環(huán)結(jié)構(gòu)概念教師講解循環(huán)結(jié)構(gòu)的概念，描述重復(fù)執(zhí)行某段算法的程序結(jié)構(gòu)。它和順序、分支結(jié)構(gòu)一 起組成程序的三大類型結(jié)構(gòu)。教師講解循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程。學(xué)生聆聽并理解循環(huán)結(jié)構(gòu)的概念，閱讀流程圖掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程，回答教師提岀 的問題。設(shè) il 億圖：讓學(xué)生儲備循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識為后續(xù)編程解決問題夯實(shí)基礎(chǔ)。用流程圖的方法 講解循環(huán)結(jié)構(gòu)執(zhí)行流程。通過對比教學(xué)法，讓學(xué)生理解循環(huán)與分支、順序結(jié)構(gòu)的區(qū)別。3. 循環(huán)結(jié)構(gòu)作用與分類教師通過分別用循環(huán)結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走正方形的兩個(gè)程序的對比演示，引導(dǎo) 學(xué)生歸納循環(huán)結(jié)構(gòu)的作用

7、，它可以極大地減少程序重復(fù)書寫的工作量。學(xué)生對比分別用順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人泄正方形的例子，感悟采用循環(huán)結(jié) 構(gòu)的優(yōu)勢。設(shè)汁意圖：通過對比實(shí)驗(yàn)，形成簡練和繁冗的強(qiáng)烈反差，讓學(xué)生感悟循環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。4.循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（1）多次循環(huán)教師講解多次循環(huán)的概念和使用方法，布苣機(jī)器人走正六邊形的編程練習(xí)任務(wù)。學(xué)生計(jì)算走正六邊形轉(zhuǎn)彎的角度（如圖 1）,動手編寫和調(diào)試程序。學(xué)生總結(jié)并掌握多次 循環(huán)結(jié)構(gòu)的編程方法。設(shè)汁意圖： 機(jī)器人龍正六邊形軌跡的程序是走正方形程序的進(jìn)階， 需要靈活求解轉(zhuǎn)彎的 角度，也通過任務(wù)的稍微改變考察學(xué)生知識的遷移和應(yīng)用能力，有一立的難度梯度，符合學(xué) 生認(rèn)知和能力發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，

8、這里也給學(xué)生設(shè)宜了一個(gè)慣性思維陷阱，很多學(xué)生誤認(rèn)為機(jī) 器人轉(zhuǎn)彎角度是內(nèi)角，其實(shí)是內(nèi)角的補(bǔ)角。（2）永遠(yuǎn)循環(huán)教師演示機(jī)器人不停發(fā)岀叫聲并眨眼睛的編程例子的實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)生觀看演示，掌握永遠(yuǎn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的編程方法。設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)編程例子為下而完成的聞光起叫”機(jī)器人叫人起床程序作鋪墊。由相 對容易理解的永遠(yuǎn)循環(huán)知識點(diǎn)過渡到下而難度相對高的條件循環(huán)知識點(diǎn)，學(xué)生知識的遷移和 能力的提高，符合其心理認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。 （3）條件循環(huán)教師講解條件循環(huán)的概念和應(yīng)用場景，布豊學(xué)生練習(xí)機(jī)器人聞光起叫”編程教師巡回指導(dǎo)學(xué)生，檢查學(xué)生學(xué)習(xí)成果。學(xué)生兩人分組協(xié)作動手編寫和調(diào)試程序，上交作業(yè)。學(xué)生觀看同學(xué)演示。學(xué)生歸納掌握 條件循

9、環(huán)結(jié)構(gòu)的編程方法。設(shè)計(jì)意圖：機(jī)器人“聞光起叫”讓學(xué)生和“聞雞起舞”相聯(lián)系，覺得幽默有趣，學(xué)習(xí)熱 情高漲。該環(huán)節(jié)是本課的重點(diǎn)難點(diǎn)所在，因?yàn)闂l件循環(huán)的循環(huán)體是否執(zhí)行涉及循環(huán)條件表達(dá) 式是否成立的問題。在實(shí)際教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往會忽略循環(huán)條件變量是否改變的問題。 學(xué)生的整體算法思路沒錯(cuò)，但循環(huán)體里而常常忘記給循環(huán)變量進(jìn)行重新賦值，以致循環(huán)條件 在程序執(zhí)行自始至終都是原來的初值，導(dǎo)致變成死循環(huán)或者沒有執(zhí)行循環(huán)體的錯(cuò)誤。因此， 本環(huán)右教師先不提醒學(xué)生，采用在他們動手實(shí)踐的時(shí)候，允許部分學(xué)生犯錯(cuò)，然后通過他們 運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)問題，這個(gè)時(shí)候，再引導(dǎo)學(xué)生尋找和分析問題的根源。從犯錯(cuò)中得到經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 從而深刻

10、體會到循環(huán)條件編程的關(guān)鍵點(diǎn)，也就更好地突破了循環(huán)條件應(yīng)用的教學(xué)難點(diǎn)。5.解決問題一一機(jī)器人搜索火源問題教師采用自頂向下、逐步求精模塊化的編程方法引導(dǎo)學(xué)生獲得解決問題的算法，布置練 習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生自主探索機(jī)器人搜索火源的算法。教師檢查學(xué)生學(xué)習(xí)成果，讓學(xué)生用游戲表 演的方式展示機(jī)器人搜索火源的行走算法。教師展示仿貞環(huán)境的程序測試效果。學(xué)生閱讀課件獲得解決問題的算法，觀看同學(xué)表演機(jī)器人行龍算法，加深理解。學(xué)生完善教師提供的半成品程序，調(diào)試程序和仿真環(huán)境測試，提交作業(yè)。設(shè)訃意圖：水到渠成，綜合利用本課的知識點(diǎn)，解決新課導(dǎo)入的問題。讓學(xué)生學(xué)以致 用，體驗(yàn)學(xué)習(xí)成功感。通過游戲模擬機(jī)器人行走，加深學(xué)生對機(jī)器

11、人搜索火源的“S”形行龍 算法的理解。6.回顧和拓展（1）回顧梳理教師課堂小結(jié)，回顧本節(jié)課學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生 回顧自頂向下，逐步求精模塊化的編程方法。師生一起瀏覽網(wǎng)絡(luò)課件學(xué)習(xí)社區(qū)中學(xué)生提岀的 典型疑難問題并進(jìn)行解答。（2）拓展提升教師簡單介紹循環(huán)結(jié)構(gòu)在瓦他編程領(lǐng)域中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生課外閱讀拓展材 料，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人知識。設(shè) il 億圖：通過網(wǎng)絡(luò)課件，及時(shí)搜集和解答學(xué)生的疑難問題，提髙課堂的互動性。開拓 學(xué)有余力的學(xué)生的視野，讓各層次的學(xué)生都能“吃飽”。通過課堂小結(jié)和評價(jià)，讓學(xué)生獲得進(jìn) 一步的感悟和提升。教學(xué)評價(jià)為了獲得學(xué)生對本課的

12、學(xué)習(xí)效果的評估數(shù)據(jù),課件設(shè)訃了學(xué)生學(xué)習(xí)自我評價(jià)反饋環(huán)節(jié)（如 圖2）。讓學(xué)生學(xué)完這節(jié)課后，對自己的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行自我評估，同時(shí)也讓學(xué)生對教師的教學(xué) 提岀改進(jìn)建議。對學(xué)生提交的數(shù)拯進(jìn)行分析，可以側(cè)而地了解學(xué)生哪個(gè)知識點(diǎn)還沒有掌握， 從而改進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)。教師爭取從學(xué)生的反饋獲得改進(jìn)建議，形成民主的教學(xué)氛國，從而更好 地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)和突破本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教學(xué)反思這節(jié)程序設(shè)計(jì)課的教學(xué)內(nèi)容和編程案例與機(jī)器人應(yīng)用教學(xué)的一些內(nèi)容進(jìn)行了整合，旨在 利用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決機(jī)器人的一些應(yīng)用問題，可以說是程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人編程應(yīng)用教學(xué)的一堂 整合課。在教學(xué)過程中，教學(xué)設(shè)計(jì)是有意識地向?qū)W生滲透學(xué)科思維例如計(jì)算思維的培養(yǎng)，試 圖將 STEM 教冇理念引入課堂，將其融合在一起。具體體現(xiàn)在每個(gè)應(yīng)用機(jī)器人的編程小項(xiàng)目對 學(xué)生來說本