妙笔生花，玩转算法：小学信息科技教学指南《身边的算法》教学实践与思考

文摘 2024-10-10 13:33 山东

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算法就像是一本魔法书，它用独特的语言和规则指挥着计算机，帮助我们解决各种各样的问题。

【深度笔记】义务教育信息科技教学指南：身边的算法(五年级)——核心概念与教学实践解读

各位信息科技同仁们，在信息技术飞速发展的今天，算法作为一种解决问题的核心策略，已经渗透到我们日常生活的方方面面。为了让小学生尽早接触算法、理解算法、应用算法，培养他们的计算思维，小学信息科技课程设置了《身边的算法》这一重要模块。然而，如何将抽象的算法概念转化为生动有趣的课堂体验，如何激发学生学习算法的兴趣，如何引导学生在玩中学、学中思、思中创，是我们需要共同探讨的重要课题。

一、游戏化教学，妙趣横生，激发学习兴趣：

兴趣是最好的老师，而游戏是小学生的天性。将游戏元素融入算法教学，如同为算法插上了想象的翅膀，让原本抽象的概念变得生动有趣，让学生在快乐的游戏体验中不知不觉地掌握算法知识。

萝卜蹲”游戏，玩转循环结构：还记得我们小时候玩过的“萝卜蹲”游戏吗？这个经典游戏可以巧妙地与“循环”结构的学习相结合。每个学生代表一种颜色的萝卜，按照颜色循环下蹲，直到游戏结束。为了增加趣味性和挑战性，我们可以引入新的规则：

速度挑战：规定时间内，蹲错或者反应慢的萝卜会被淘汰，最后剩下的萝卜获胜。

指令变化：加入“跳跃”、“转身”等动作指令，并设定特定条件触发，例如“红色萝卜跳一下”、“绿色萝卜转身”。

通过这个游戏，学生可以直观地感受到“循环”的特点：重复执行相同的操作，直到满足某个条件为止。

排队游戏”，解密排序算法：“排队”是生活中常见的场景，我们可以自然地引入排序算法的学习。

体验不同算法：可以将学生分成几组，每组使用不同的排序算法，例如冒泡排序、插入排序、选择排序等，进行排队比赛，比较哪种算法最快，让学生直观感受不同算法的效率差异。

设计排序规则：除了身高，还可以让学生根据生日、姓氏笔画、学号等多种规则进行排序，引导他们思考如何设计算法来实现不同的排序目标。

可视化排序过程：为了帮助学生更好地理解算法的每一步操作，我们可以利用图表或动画的形式，将不同排序算法的执行过程可视化地呈现出来，清晰地展示排序结果的变化过程。

寻宝游戏”，探秘路径规划：将“寻宝”这一探险主题与“路径规划”算法相结合，可以充分激发学生的学习兴趣和探索欲望。

设计复杂地图：在地图上设置起点、终点和障碍物，障碍物可以设计成不同的类型，例如河流、山脉、迷宫等，增加游戏的挑战性。

设定寻宝目标：可以设计不同的寻宝目标，例如找到宝藏、解救人质等，并根据目标设置不同的路径权重，引导学生思考如何找到最优路径，并鼓励他们尝试不同的路径方案。

运用编程工具：可以利用Mind+、Scratch等编程工具，让学生设计自己的寻宝游戏，并通过编程实现角色的移动和寻路功能，将算法学习与编程实践相结合，让学生在创作中体验算法的应用价值。

引入现实场景：为了让学生感受到算法与生活的联系，可以将地图替换成学生熟悉的校园地图或社区地图，让学生设计上学路线或回家路线，并考虑不同路线的距离、时间、安全性等因素，将算法应用到实际生活中。

“猜数字” 游戏，体验二分查找的高效： 还记得我们小时候玩过的 “猜数字” 游戏吗？这个简单游戏蕴含着高效的算法思想 —— 二分查找。我会在心中想一个 1 到 100 之间的数字，让学生们来猜，每次猜完我会告诉他们是大了还是小了。通过引导学生思考如何用最少的次数猜中数字，引出 “二分查找” 算法的思想。为了增加趣味性，我们可以用 Scratch 编程实现 “猜数字” 游戏，让学生在玩游戏的过程中，深刻理解 “二分查找” 算法的效率优势。

“搭积木” 游戏，领悟栈和队列的奥妙： “搭积木” 是孩子们喜爱的游戏，我们可以利用它来引入数据结构 —— 栈和队列。例如，我们可以用不同颜色的积木代表不同的数据，规定 “栈” 只能从顶部添加或移除积木，“队列” 只能从一端添加积木，另一端移除积木。通过模拟栈和队列的操作过程，学生们可以直观地理解这两种数据结构的特点和应用场景。

二、探究式学习，层层递进，培养问题解决能力：

相较于简单的知识灌输，引导学生自主探究、合作学习，才能真正提升他们的问题解决能力和计算思维。

鸡兔同笼”问题，初探枚举法：“鸡兔同笼”是一个经典的数学问题，我们可以利用它来引导学生学习用枚举法解决问题。

化抽象为具体：为了帮助学生理解枚举法的思想，可以先从简单的情况开始，例如假设只有鸡或者只有兔，然后逐渐增加难度，引导他们思考如何列举所有可能的组合，并通过验证找到正确答案。

优化枚举策略：可以引导学生思考如何优化枚举的策略，例如如何缩小枚举的范围，如何更快地判断一个组合是否满足条件等。

哥尼斯堡七桥”问题，走进图论世界：“哥尼斯堡七桥”问题是图论算法的奇妙应用，可以引导学生思考如何将现实问题抽象成数学模型，并用算法来解决问题。

趣味引入，激发兴趣：可以先用多媒体展示18世纪哥尼斯堡的七桥地图，并讲述“七桥问题”的故事，激发学生的学习兴趣。

https://soulofmathematics.com/index.php/seven-bridges-of-konigsberg/

化繁为简，引导思考：引导学生思考：这个问题的关键是什么？我们可以如何简化这个问题？

抽象建模，解决问题：在学生思考的基础上，我们可以引入“奇点”和“偶点”的概念，并将学生分成小组，让他们合作探究“一笔画”图形的特点，并尝试总结规律。最后，我们将“七桥问题”与现实生活中的路线规划、物流配送等问题联系起来，引导学生思考算法在生活中的应用，提升他们运用算法解决实际问题的意识。

现实生活中路线规划和物流配送问题的例子：

以物流配送为例：

假设一家物流公司需要将货物从城市A运送到城市B，中间有多条路线可以选择，每条路线都有不同的距离和运输成本。公司希望找到一条运输成本最低的路线。

这个问题可以抽象成一个图论问题，城市可以看作图中的节点，路线可以看作图中的边，每条边都有对应的权重（运输成本）。我们可以使用迪杰斯特拉算法（Dijkstra'salgorithm）来找到从起点到终点的最短路径，即运输成本最低的路线。

引导学生理解“一笔画”图形的特点，并总结其规律：

动手操作，直观感受：可以先让学生尝试画一些简单的图形，例如正方形、三角形、五角星等，并观察哪些图形可以一笔画成，哪些图形不能一笔画成。

引入概念，建立联系：在学生尝试的基础上，我们可以引入“奇点”（连接奇数条边的点）和“偶点”（连接偶数条边的点）的概念，并引导学生观察可以一笔画成的图形和不能一笔画成的图形的奇点和偶点的数量有什么规律。

总结规律，加深理解：通过观察和分析，学生可以总结出“一笔画”图形的规律：

一个图形可以一笔画成，当且仅当它包含最多两个奇数顶点。.

如果一个图形有两个奇点，那么必须从其中一个奇点开始画，才能一笔画成。

背包问题”，挑战动态规划：“背包问题”可以引导学生思考如何用动态规划的思想来解决问题，体会算法的优化过程。

创设情境，引入问题：可以设计一个“探险寻宝”的情境，例如：你和你的伙伴要去一座神秘的岛屿探险，但是你们的背包空间有限，只能携带一定重量的物品。岛上有各种各样的宝藏，每个宝藏都有自己的重量和价值。你们该如何选择要携带的宝藏，才能带走最大价值的宝藏呢？

分解问题，逐个击破：引导学生思考：我们可以先考虑只带一个物品的情况，然后逐步增加物品的数量，利用之前已经计算的结果，来推导出最终的最优解。

可视化工具，辅助理解：可以利用表格或图表的形式，将动态规划的计算过程可视化地呈现出来，帮助学生更好地理解动态规划的思想。

动态规划在解决“背包问题”中的具体应用过程：

动态规划解决背包问题的核心是建立一个二维表格（状态转移表），表格的行表示物品，列表示背包容量。每个单元格的值表示当前背包容量下，选择当前物品或不选择当前物品所能获得的最大价值。

以一个简单的例子来说明：假设背包容量为4，有三个物品，其重量和价值分别为：(1,15),(3,20),(4,30)。

首先，创建状态转移表，行表示三个物品，列表示背包容量0,1,2,3,4。

然后，初始化表格的第一行和第一列，表示没有物品或背包容量为0时的最大价值为0。

接下来，逐行逐列填写表格。对于每个单元格，我们需要比较两种情况：

不选择当前物品：此时当前单元格的最大价值等于上一行相同列的单元格的值。

选择当前物品：只有当当前物品的重量小于等于当前背包容量时，才可以选择当前物品。此时，当前单元格的最大价值等于当前物品的价值加上剩余容量所能容纳的最大价值（即表格中对应位置的值）。

最后，表格右下角的单元格的值即为背包所能容纳的最大价值。

“田忌赛马” 问题，巧用贪心算法：“田忌赛马” 是一个古老而又经典的故事，我们可以利用它来引入贪心算法。我会先给学生们讲述这个故事，然后引导他们思考：田忌是如何利用自己的三匹马战胜齐威王的？在这个过程中，我们要引导学生理解贪心算法的核心思想：每一步都选择当前看来最优的方案，希望最终能够得到全局最优的解。

“最短路径” 问题，探索图论的魅力： 在学习了 “哥尼斯堡七桥问题” 之后，我们可以进一步引导学生探究 “最短路径” 问题。例如：我们可以利用地图软件，让学生查找从学校到家里的多条路线，并比较哪条路线最短。在这个过程中，我们可以引入图论中的一些基本概念，例如：节点、边、权重等，并引导学生思考如何利用算法来找到最短路径。

三、项目化学习，学以致用，提升综合实践能力：

项目化学习是一种以学生为主体，以项目为载体，以任务为驱动，以问题为导向的教学模式。在算法教学中，我们可以将算法知识与学生的实际生活相结合，设计一些与学生生活息息相关的项目，引导学生运用算法知识解决实际问题，从而提升他们的综合实践能力。

设计“智能红绿灯”：红绿灯是城市交通的重要组成部分，我们可以引导学生设计一个“智能红绿灯”系统，根据车流量自动调节红绿灯的时长，从而提高道路通行效率。学生们可以利用传感器、控制器、执行器等电子元件搭建一个简易的红绿灯模型，并利用编程实现自动控制的功能。

开发“班级图书管理系统”：图书馆是我们获取知识的重要场所，我们可以引导学生开发一个“班级图书管理系统”，实现图书的借阅、归还、查询等功能。学生们可以利用数据库、编程语言等工具，设计数据库表结构，编写程序代码，实现系统的各项功能。

创作“音乐推荐算法”：音乐是我们生活中不可或缺的一部分，我们可以引导学生创作一个“音乐推荐算法”，根据用户的喜好推荐歌曲。学生们可以学习音乐分类、用户画像、推荐算法等知识，并利用编程语言实现算法，最后可以将算法应用到实际的音乐播放器中，进行测试和优化。

设计 “智能垃圾桶”： 我们可以引导学生设计一个 “智能垃圾桶”，当垃圾桶满了的时候，能够自动发出提醒，并显示垃圾桶的位置信息，方便环卫工人及时清理。学生们可以利用传感器、控制器、网络模块等电子元件搭建一个智能垃圾桶模型，并利用编程实现自动提醒和信息显示的功能。

开发 “校园导航系统”： 我们可以引导学生开发一个 “校园导航系统”，帮助新生快速熟悉校园环境。学生们可以利用地图软件、数据库、编程语言等工具，绘制校园地图，标注重要地点，并设计路线查询功能。

创作 “个性化学习助手”： 我们可以引导学生创作一个 “个性化学习助手”，根据学生的学习情况和兴趣爱好，推荐合适的学习资源和学习方法。学生们可以学习机器学习、推荐算法等知识，并利用编程语言实现算法，最后可以将算法应用到实际的学习软件中，进行测试和优化。

“妙笔生花，玩转算法”，算法教学的最终目标是培养学生的计算思维，让他们能够像计算机科学家一样思考问题、解决问题。在教学过程中，我们要不断探索、创新教学方法，将抽象的算法概念转化为生动有趣的课堂体验，让学生在玩中学、学中思、思中创，真正爱上算法，掌握算法，并能够运用算法解决实际问题，成为未来信息社会的创造者。

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