【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

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亲爱的信息科技教育同仁们，大家好！算法，看似高深莫测，却与我们每个人的生活息息相关。如何将抽象的算法概念，转化为小学生能够理解和应用的知识和技能，是我们面临的挑战也是机遇！

在人工智能浪潮席卷全球的时代背景下，计算思维作为一种解决问题的新方式、新技能，正日益成为未来人才的核心竞争力。小学信息科技课程中的《身边的算法》单元，以生动有趣的方式，引导学生认识算法、体验算法、应用算法，在他们心中播撒计算思维的种子，为未来的学习和生活奠定坚实的基础。

通过生活中的实例，学生将了解到算法是解决问题的明确步骤，并学会用自然语言和流程图描述算法。此外，本模块将介绍算法的三种基本结构：顺序结构、分支结构和循环结构，并通过编程实践，帮助学生理解如何利用这些结构设计和实现算法。最终，学生将了解到算法在各个领域的广泛应用，并对算法的价值和局限性有一个初步的认识。

模块特点

1.贴近生活，易于理解:模块内容以学生熟悉的日常生活场景为切入点，例如做菜、借书、游戏等，帮助学生理解抽象的算法概念。

2.注重实践，寓教于乐:模块设计了丰富的学习活动，例如游戏、模拟、编程等，让学生在实践中体验算法的应用，并提升他们的计算思维能力。

3.分层教学，灵活选择:模块提供了丰富的教学素材，教师可根据学生的实际情况选择合适的教学内容和活动，进行分层教学。

核心素养目标

信息意识:认识到算法在日常生活中的普遍存在，并理解算法是解决问题的有效工具。

计算思维:能够分析问题，设计简单的算法，并使用流程图描述算法的步骤。

数字化学习与创新:能够利用数字工具，如编程软件，实现和验证算法。

信息社会责任:了解算法在社会生活中的应用和影响，并初步形成负责任地使用算法的意识。

《身边的算法》作为小学信息科技课程的重要组成部分，其教学目标不仅仅是让学生掌握算法的概念和基本类型，更重要的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。

算法的世界妙趣横生，充满着无限可能。让我们一起携手，将算法的种子播撒在孩子们的心田，用计算思维点亮他们的未来！

一、创设情境，激发兴趣：

兴趣是最好的老师。在算法教学中，我们要善于从学生熟悉的生活场景入手，用他们感兴趣的游戏、故事、案例等形式，将抽象的算法概念具象化、生活化，激发他们的学习兴趣和求知欲。例如：

在学习“顺序结构”时，可以用“做三明治”的游戏，让学生体验按照步骤执行指令的过程。

在学习“分支结构”时，可以用“闯关游戏”的情境，让学生理解根据条件选择不同路径的逻辑。

在学习“循环结构”时，可以用“画多边形”的例子，让学生感受重复执行指令的效率。

二、直观演示，化抽象为具体：

算法的本质是抽象的逻辑思维，对于小学生来说理解起来有一定难度。因此，在教学中要充分利用图形、动画、程序演示等直观手段，将抽象的算法概念形象化、具体化，帮助学生理解算法的原理和过程。例如：

可以用流程图来表示算法的步骤和流程，让学生直观地看到算法的执行过程。

可以用动画来演示算法的执行过程，例如选择排序、冒泡排序等，让学生更加清晰地理解算法的原理。

可以用Python程序来实现算法，并让学生运行程序，观察程序的执行结果，将抽象的算法与具体的程序代码联系起来。

三、动手实践，体验算法：

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。算法教学不能只停留在理论层面，更要注重学生的动手实践，让他们在“做中学”的过程中，真正理解算法、应用算法，并逐步形成计算思维。例如：

可以让学生设计简单的算法来解决生活中的问题，例如设计一个算法来整理书包、设计一个算法来找到回家的路等。

可以让学生参与一些与算法相关的游戏和竞赛，例如编程游戏、机器人比赛等，在游戏中体验算法的乐趣和挑战。

可以让学生利用Scratch、Mind+、Python等编程工具，将自己设计的算法编写成程序，并运行程序，观察程序的执行结果，感受算法的魅力。

四、分层教学，满足不同需求：

学生的认知水平和学习能力存在差异，算法教学要坚持“以人为本”的理念，进行分层设计，满足不同层次学生的需求。例如：

对于基础较弱的学生，可以降低学习难度，以掌握基本概念和简单应用为主。

对于基础较好的学生，可以适当提高学习难度，鼓励他们探究算法的原理和效率，并尝试设计更优的算法。

可以将学生分组进行学习，小组成员之间互相帮助、互相促进，共同提高。

五、跨学科融合，拓展算法应用：

算法并非信息科技学科的专属内容，它与数学、科学、语文等学科都有着密切的联系。在教学中，要善于挖掘算法与其他学科的结合点，将算法融入到其他学科的教学中，拓展算法的应用，让学生感受到算法的价值和魅力。例如：

在数学教学中，可以利用算法来解决数学问题，例如计算最大公约数、最小公倍数等。

在科学教学中，可以利用算法来模拟科学现象，例如模拟抛物线运动、模拟光的折射等。

在语文教学中，可以利用算法来分析文本，例如统计词频、生成词云等。

六、巧用工具，提升效率：

信息科技的发展为算法教学提供了丰富的工具和资源，我们要善于利用这些工具和资源，提升教学效率，丰富学生的学习体验。例如：

可视化编程工具：Scratch、Mind+、Blockly等可视化编程工具，可以将代码块像积木一样拖拽组合，降低了编程门槛，让学生更容易理解程序的逻辑，更容易上手编写简单的算法程序。

在线算法平台：CodeCombat、VisuAlgo等在线算法平台，提供了丰富的算法可视化演示、代码练习、竞赛等功能，可以帮助学生更加直观地理解算法，并提升算法设计和编程能力。

人工智能平台：百度AI体验中心、腾讯AI开放平台等人工智能平台，提供了语音识别、图像识别、自然语言处理等人工智能API，可以用于设计更加智能化的算法程序，拓展学生的视野，激发他们的创新思维。

七、关注伦理，引导价值：

算法并非中立的技术，它在应用过程中会涉及到公平、隐私、安全等伦理问题。在算法教学中，我们要引导学生关注算法的伦理问题，培养他们的社会责任感和批判性思维能力，让他们能够负责任地使用算法，为社会创造价值。例如：

算法公平性：引导学生思考算法是否存在偏见，例如人脸识别算法是否存在种族歧视，推荐算法是否存在信息茧房等问题，并探讨如何设计更加公平的算法。

算法隐私：引导学生了解算法如何收集和使用个人数据，例如搜索引擎如何记录用户的搜索历史，社交软件如何分析用户的社交关系等问题，并探讨如何保护个人隐私。

算法安全：引导学生了解算法存在的安全风险，例如算法被攻击、算法被滥用等问题，并探讨如何设计更加安全的算法。

第一单元无处不在的算法

本单元旨在通过日常生活情境，引导学生认识算法，理解算法是解决问题的明确步骤，并形成自主探究的意识。

【内容结构】

认识算法的概念: 明确算法是通过明确的、可执行的操作步骤描述的问题求解方案。

体验算法的基本流程: 了解算法的输入、处理和输出三个基本部分。

探究汉诺塔游戏规律: 体验算法步骤及规律，巩固算法基本流程的认知。

探索生活中的算法应用: 体会算法对我们生活的影响，例如搜索引擎、交通出行、在线购物等。

计算思维：初步理解算法的概念，并能够用自己的语言描述算法的特征。

计算思维：能够将简单问题的解决过程抽象为算法的基本流程。

计算思维：能够尝试用图表或流程图的形式表达汉诺塔游戏的算法。

计算思维：能够分析算法在不同领域中的应用，并思考算法带来的影响。

【教学实施条件】

第3课建议在信息科技实验室学习，计算机系统能够运行配套资源中的游戏、程序等。

【学习目标】

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展:

1. 生活中的算法:

2. 益智游戏:

魔方:展示魔方还原的过程，引导学生思考魔方还原的算法，并尝试用流程图描述算法。

3. 算法的应用:

语音助手:体验与语音助手对话，引导学生了解语音识别和自然语言处理的算法，并思考人工智能技术的发展趋势。

第二单元算法结构与描述

本单元主要介绍算法的三种基本控制结构：顺序结构、分支结构和循环结构，并通过生活中的实例帮助学生理解如何用流程图描述算法。

【内容结构】

循环结构：重复执行某些步骤的结构。

流程图表示：菱形框表示判断条件，箭头连接不同分支。

流程图表示：菱形框表示循环条件，箭头连接循环体。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述简单的循环结构算法。

【教学实施条件】

【学习目标】

5.知道算法步骤之间的逻辑关系，了解算法的执行路径。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展:

1. 顺序结构:

早晨起床的流程:引导学生描述早晨起床的流程，例如：起床→叠被子→洗脸刷牙→吃早餐→出门上学，并用流程图表示。

2. 分支结构:

选择交通工具:引导学生根据不同的情况选择合适的交通工具，例如：如果距离近，就步行或骑自行车；如果距离较远，就乘坐公交车或地铁；如果时间紧急，就打车，并用流程图表示选择的过程。

3. 循环结构:

听音乐:引导学生思考听音乐播放器的循环播放功能，并用流程图描述循环播放的算法，例如：播放歌曲→判断是否播放完毕→如果未播放完毕，就继续播放当前歌曲；如果播放完毕，就判断是否单曲循环；如果是单曲循环，就再次播放当前歌曲；如果不是单曲循环，就播放下一首歌曲。

第三单元用算法解决问题

本单元将进一步结合典型问题，运用算法的三种基本控制结构来解决实际问题。

【内容结构】

判断闰年与平年: 学习算法的多分支结构，学会从问题情境中提取关键因素、确定判断条件。

计算思维：能够用流程图描述移位密码的算法，并思考移位密码的安全性和破解方法。

计算思维：能够用流程图描述二分法猜数的算法，并思考二分法猜数的效率。

计算思维：能够用流程图描述判断闰年与平年的算法，并思考如何用程序实现算法。

【教学实施条件】

2.第10课、第11课、第12课在信息科技实验室实施教学，具备运行Python的环境。

【学习目标】

4.认识Python中分支结构的判断条件与程序执行路径的关系，体会用计算机解决问题的基本方法。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展

1.移位密码：

密信游戏：让学生两人一组，互相发送密信，并尝试破解对方的密信，体会加密和解密的过程，并思考如何提高密码的安全性。

2.二分法猜数：

程序演示：展示二分法查找的Python程序，让学生观察程序的执行过程，并尝试修改程序的参数，体会算法与程序之间的关系。

3.判断闰年与平年：

日历观察：观察不同年份的日历，找出闰年和平年的区别，并思考闰年设置的原因。

第四单元发挥算法的优势

本单元将进一步引领学生认识、理解计算机解决问题的基本方法，利用算法中的循环结构来解决实际问题, 体验编程的优势。

【内容结构】

简单密码易破解: 估算破解密码所需的次数和时间，了解密码安全的重要性。

计算思维：能够用while循环结构描述重复执行的操作，并思考循环条件的设置。

计算思维：能够分析算法的执行步骤，并思考如何优化算法的效率。

信息社会责任：认识到密码安全的重要性，并树立保护密码的意识。

【教学实施条件】

2.配备教学演示与互动的设备，准备用于教学的图片、流程图、程序、学习任务、实物等。

【学习目标】

5.体验利用循环结构解决实际问题的过程与方法。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展：

1.让计算机数数：

    import time        start_time = time.time()  # 记录开始时间        count = 1    while count <= 100000:   # 设置循环次数        count += 1        end_time = time.time()  # 记录结束时间        print("用时：", end_time - start_time, "秒")  # 输出用时

数列生成:引导学生利用循环结构生成不同的数列，例如奇数列、偶数列、斐波那契数列等，并尝试用程序实现。

2.算法效率比一比：

计算阶乘:比较用循环结构计算阶乘与用递归方法计算阶乘的效率，例如计算 5 的阶乘，体会不同算法的效率差异。

3.简单密码易破解：

密码强度检测：利用在线密码强度检测工具，例如：https://password.kaspersky.com/，让学生检测自己设定的密码强度，并学习如何设置安全的密码。引导学生总结设置安全密码的技巧，例如：使用长密码、混合大小写字母、数字和符号、避免使用个人信息等。

第五单元把数据排列有序

在日常生活中，我们经常需要将事物按照一定的顺序排列，例如按照身高排队、按照时间顺序整理文件、按照字母顺序排列书籍等等。计算机在处理大量数据时也需要进行排序，以便更高效地查找和分析数据。本单元将介绍几种常见的排序算法，包括选择排序、冒泡排序和桶排序，并通过游戏、动画和编程实践，帮助学生理解这些算法的原理和步骤，以及算法效率的概念。

【内容结构】

化大为小桶排序:学习桶排序算法的基本步骤，以及如何用程序实现桶排序。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述寻找最大值的算法。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述选择排序算法，并思考选择排序算法的效率。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述冒泡排序算法，并思考冒泡排序算法的效率。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述桶排序算法，并思考桶排序算法的效率。

【教学实施条件】

2.配备教学演示与互动的设备，准备用于教学的图片、流程图、程序、学习任务单、实物等。

【学习目标】

4.在解决排序问题时，通过分析问题，知道选择适合的排序算法来解决问题。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展：

程序演示：展示寻找最大值的Python程序，让学生观察程序的执行过程，并尝试修改程序的参数，体会算法与程序之间的关系，例如：

numbers = [34, 12, 89, 56, 23]  创建一个包含 5 个数的列表
max_number = numbers[0]  假设第一个数是最大值for i in range(1, len(numbers)):  从第二个数开始遍历列表    if numbers[i] > max_number:  如果当前数大于最大值        max_number = numbers[i]  将最大值更新为当前数
print("最大值：", max_number)  输出最大值

图书整理：将一堆顺序混乱的图书按照书名拼音顺序排列，引导学生用选择排序的思想进行整理。

动画演示：展示选择排序算法的动画演示，例如

https://visualgo.net/en/sorting，让学生直观地理解选择排序的过程。

角色扮演:让学生扮演不同的数据，通过比较和交换位置来模拟选择排序的过程，体会算法的执行步骤。

3.冒泡排序齐体验:

程序演示:展示冒泡排序算法的Python程序，让学生观察程序的执行过程，并尝试修改程序的参数，例如：

numbers = [54, 26, 93, 17, 77, 31, 44, 55, 20]  创建一个包含 9 个数的列表
n = len(numbers)  获取列表长度for i in range(n-1):  外层循环控制比较的轮数    for j in range(n-i-1):  内层循环控制每一轮比较的次数        if numbers[j] > numbers[j+1]:  比较相邻两个数的大小            numbers[j], numbers[j+1] = numbers[j+1], numbers[j]  交换位置
print("排序后的列表：", numbers)  输出排序后的列表

4.化大为小桶排序:

玩具分类:准备一些不同类型的玩具，例如积木、汽车、娃娃等，让学生按照类型进行分类，并用桶来存放不同类型的玩具，体会桶排序的思想。

成绩分段:将全班同学的考试成绩按照分数段进行统计，例如80分以上、70-79分、60-69分等，并用不同的桶来表示不同的分数段，体会桶排序的应用。

程序演示:展示桶排序算法的Python程序，让学生观察程序的执行过程，并尝试修改程序的参数，体会分而治之的思想，例如：

def bucket_sort(arr):    max_val = max(arr)  找到数组中的最大值    bucket_size = max_val // len(arr)  计算桶的大小
    buckets = [[] for _ in range(len(arr) + 1)]  创建桶列表
    将数组中的元素放入对应的桶中    for i in arr:        buckets[i // bucket_size].append(i)
    对每个桶中的元素进行排序（这里使用 Python 内置的排序函数）    for i in range(len(buckets)):        buckets[i].sort()
    将所有桶中的元素合并到一个列表中    sorted_arr = []    for bucket in buckets:        for i in bucket:            sorted_arr.append(i)
    return sorted_arr
arr = [12, 5, 3, 1, 15, 8, 7]sorted_arr = bucket_sort(arr)print("排序后的数组：", sorted_arr)

第六单元快速遍历数据

遍历是指依次访问数据集合中的每个元素，并对每个元素进行相应的操作。遍历是算法设计中一种常用的方法，可以用于搜索、排序、统计等多种任务。本单元将介绍两种常见的遍历方法：枚举法和递归法，并通过解决经典的算法问题，例如鸡兔同笼问题、兔子增长问题等，帮助学生理解遍历的思想和应用，以及如何用程序实现遍历。

【内容结构】

兔子增长有规律:探究斐波那契数列，体会递归的思想和应用。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述鸡兔同笼问题的算法，并思考算法的效率。

计算思维：能够用自然语言或流程图描述斐波那契数列的算法，并思考递归的思想。

【教学实施条件】

2.配备教学演示与互动的设备，准备用于教学的图片、流程图、程序、学习任务单、实物等。

【学习目标】

5.进一步了解算法与程序实现的关系。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展：

1.鸡兔同笼巧计算：

  for chickens in range(36):  假设鸡的数量从 0 到 35         rabbits = 35 - chickens   兔子的数量         if chickens * 2 + rabbits * 4 == 94:  判断是否满足条件             print("鸡的数量：", chickens)             print("兔的数量：", rabbits)             break  找到答案后退出循环

2.兔子增长有规律：

  def fibonacci(n):            if n == 1 or n == 2:                return 1            else:                return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
        for i in range(1, 13):  计算前 12 个月的兔子数量            print("第", i, "个月的兔子数量：", fibonacci(i))

生活中的斐波那契数列:引导学生观察自然界中与斐波那契数列相关的现象，例如花瓣的数量、树枝的分叉等。

第七单元了解更多的算法

本单元将继续介绍两种重要的算法思想：规划算法和网页排名算法。规划算法是指将复杂问题分解为若干个子问题，并通过解决子问题来解决原问题的算法。网页排名算法是指搜索引擎用来评估网页重要性和相关性的算法。 通过学习这些算法，学生将进一步理解算法在解决复杂问题中的作用，以及算法对信息检索的影响。

【内容结构】

网页排名有策略:了解网页排名算法，理解其对信息检索的影响。

计算思维:能够将大问题分解成小问题，并逐步解决小问题，最终解决大问题。

计算思维：能够抽象问题，并用图形来表示问题。

计算思维：能够将全局问题分解成局部问题，并逐步解决局部问题，最终解决全局问题。

信息社会责任:了解算法的价值和局限性，以及算法应用的伦理问题。

【教学实施条件】

1.本单元可以在普通教室实施教学，配备教师用的计算机，能够运行配套资源中的游戏、程序等。

2.配备教学演示与互动的设备，准备用于教学的图片、流程图、程序、学习任务单、实物等。

【学习目标】

1.利用规划思维，将大问题分解为小问题，通过解决一个个小问题实现大问题的解决。

2.通过分析问题，能够抽取关键要素来进行分析，从而简化问题并解决问题。

3.利用规划思维，把全局问题转化为局部问题，通过逐步解决局部问题来解决全局问题。

4.知道网页排名中的算法，了解提升网页价值的意义。

5.了解网页排名、内容推荐等算法应用需要遵守的规范。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展：

1.多人过河巧安排：

流程图设计:引导学生用流程图描述过河的算法，并思考如何将大问题分解成小问题来解决。

2.有趣的七桥问题：

公园游览路线：设计合理的游览路线，使得游客能够参观所有景点而不重复。

3.寻找最短的路径：

可以使用 `networkx` 等 Python 库进行图论算法的演示和实验。

4.网页排名有策略:

如何防止算法歧视？

第八单元人工智能中的算法

人工智能技术正在改变我们的生活，而算法是人工智能的核心。本单元将介绍几种常用的人工智能算法，包括决策树算法、生成式人工智能算法和生命游戏规则。 通过学习这些算法，学生将对人工智能有一个初步的了解，并感受到人工智能技术的神奇和潜力。

【内容结构】

生命游戏有规则:学习生命游戏，理解其算法规则和进化规律。

计算思维：能够用决策树算法解决简单的分类问题。

信息社会责任:了解人工智能的伦理问题，并树立负责任地使用人工智能的意识。

计算思维：能够理解生命游戏的算法规则，并思考生命游戏的进化规律。

【教学实施条件】

2.配备教学演示与互动的设备，准备用于教学的图片、流程图、程序、学习任务单、实物等。

【学习目标】

7.培养合理利用技术解决问题的思维方式和能力。

【评价建议】

下表可作为单元学习评价的参考。

教学素材示例及拓展：

1.认识决策树算法：

   from sklearn import tree
     features = [[140, "smooth"], [130, "smooth"], [150, "bumpy"], [170, "bumpy"]]  特征数据     labels = ["apple", "apple", "orange", "orange"]  标签数据
     clf = tree.DecisionTreeClassifier()  创建决策树分类器     clf = clf.fit(features, labels)  训练决策树模型
     print(clf.predict([[160, "bumpy"]]))  预测新数据的标签

可以使用 `scikit-learn` 等 Python 库进行机器学习算法的演示和实验。

2.智能工具再体验：

如何防止生成式人工智能被滥用？

3.生命游戏有规则：

修改进化规则。

相信通过我们共同努力，一定能让孩子们在快乐的学习氛围中爱上算法，并不断提升他们的计算思维能力，为未来的学习和生活奠定坚实的基础!

“人工智能时代，人人应该懂点算法”。小学信息科技《身边的算法》教学任重而道远，让我们以新课标为指引，以指南为助手，不断探索算法教学的新理念、新方法，点亮孩子们计算思维的火种，为他们插上科技的翅膀，飞向未来的星辰大海！