从信息科技角度探讨编程教育与跨学科融合的模式构建

摘要：随着科技的飞速发展，编程教育在信息科技领域的重要性日益凸显。本文从信息科技角度出发，深入探讨编程教育与跨学科融合的模式构建。通过分析跨学科融合的必要性，阐述了编程教育与多学科融合的具体模式，并结合实际案例说明其应用效果，旨在为推动编程教育的创新发展和提升学生综合素养提供有益参考。

关键词：信息科技，编程教育，跨学科融合，模式构建

引言：

在当今数字化信息时代，信息科技已成为推动社会发展的核心力量。编程作为信息科技领域的关键技能，其教育的重要性不言而喻。传统的编程教育往往局限于单一学科知识传授，难以满足学生全面发展的需求。跨学科融合为编程教育带来了新的活力与机遇，通过整合不同学科的知识与方法，可以让学生在更丰富的情境中学习编程，培养其综合运用知识解决实际问题的能力，提升创新思维和实践能力。因此，探讨编程教育与跨学科融合的模式构建具有重要的现实意义。

一、编程教育与跨学科融合的必要性

（一）适应社会发展需求

现代社会对人才的要求越来越高，需要具备多学科知识和综合素养的复合型人才。编程在各个领域的广泛应用，如医疗、金融、教育、交通等，使得编程与其他学科的联系愈发紧密。通过跨学科融合的编程教育，能够培养学生适应未来社会多元化发展的能力，使其更好地应对复杂多变的工作场景。

（二）促进学生全面发展

跨学科融合的编程教育有助于打破学科壁垒，让学生从不同学科的视角去理解和解决问题。在学习编程过程中融入数学、物理、艺术等学科知识，不仅能加深学生对编程概念的理解，还能促进其逻辑思维、空间想象、审美等多方面能力的发展，实现学生的全面成长。多召军、刘岩松、任永功共同认为将编程问题解决活动作为计算思维的载体,分析了问题探索、问题表征、方案生成、计划执行、反思评价五个问题解决活动与分解思维、抽象思维、程序化思维、迭代思维、概括评估思维五种计算思维之间的联系;构建了分阶段、结构化设计儿童编程学习活动的框架,以及支持结构化表征、程序化表征、图形化表征的技术环境,以小学信息技术课程“算法与程序设计模块”为例开展实证研究。研究结果显示:学生计算思维水平显著提升,且分解思维、抽象思维、程序化思维与迭代思维的提升具有相关性,说明基于问题解决过程模型结构化设计编程学习活动与技术环境,能够促进儿童计算思维要素同步发展[1]。

（三）提升编程教育效果

传统编程教育注重语法和算法的讲解，容易使学生感到枯燥乏味。而跨学科融合可以将编程知识与有趣的实际问题相结合，激发学生的学习兴趣和主动性。例如，在编程教学中引入物理实验模拟，让学生通过编程实现物理现象的可视化，能让学生更深入地理解编程的应用价值，提高学习效果。

三、编程教育与跨学科融合的模式构建

（一）基于项目的跨学科融合模式

1.模式概述

基于项目的学习是一种以学生为中心的教学方法，通过让学生完成一个具体的项目任务，促使他们主动获取和运用多学科知识。吴敏娜提出的跨学科主题项目式学习进行了实践与探索,通过挖掘信息科技学科与心理健康课程的交叉点和融合点,开发了基于图形化编程软件的“情绪垃圾桶”,让学生不愉悦的心情有了纾解的落脚点。在此过程中,学生解决问题的能力和团队协作的能力得到了有效提升,对于如何正确表达与处理自己的情绪也有了全新的认识与领悟[5]。在编程教育中，教师可以设计跨学科项目，如开发一款模拟城市交通流量的程序。这个项目涉及到数学中的统计学知识用于分析交通流量数据，地理信息系统知识用于构建城市地图，以及编程知识用于实现程序功能。

2.实施步骤

①项目设计：教师根据教学目标和学生实际情况，设计具有跨学科性质的项目主题。项目应具有明确的目标、可操作性和一定的挑战性。

②分组与任务分配：将学生分成小组，每个小组根据项目需求进行任务分工，明确每个成员在项目中的角色和职责。例如，部分学生负责收集和整理地理数据，部分学生进行数学模型的建立，部分学生负责编程实现。

③知识学习与技能培养：学生在项目实施过程中，根据任务需求自主学习相关学科知识和编程技能。教师在此过程中提供必要的指导和支持。

④项目实施与协作：小组成员按照分工进行项目实施，通过团队协作不断完善项目。在这个过程中，学生需要不断沟通和协调，解决跨学科知识融合过程中出现的问题。

⑤项目评估与反馈：项目完成后，教师组织学生进行项目展示和评估。评估内容包括项目完成情况、团队协作能力、跨学科知识运用能力等。同时，学生也可以对项目实施过程进行反思和总结，提出改进意见。

（二）学科渗透式跨学科融合模式

1.模式概述

学科渗透式融合模式是将编程教育融入到其他学科的教学过程中，在不改变原有学科教学大纲的基础上，通过巧妙设计教学内容，将编程知识作为解决学科问题的工具引入。例如，在物理课程中讲解物体运动规律时，可以让学生通过编程模拟物体的运动轨迹，加深对物理知识的理解。

2.实施步骤

①学科教师与编程教师合作：学科教师与编程教师共同备课，分析学科教学内容中可以融入编程教育的知识点和教学环节。例如，数学教师在讲解函数图像时，与编程教师商讨如何通过编程让学生更直观地理解函数图像的变化规律。

②教学设计：根据合作备课的结果，学科教师在教学设计中融入编程元素。设计相关的教学任务，引导学生运用编程知识解决学科问题。例如，在生物课中研究细胞分裂过程时，教师可以布置任务让学生编写程序模拟细胞分裂的动态过程。

③教学实施：在课堂教学中，学科教师按照教学设计进行教学。当涉及到编程知识时，编程教师可以进行适当的辅助教学，帮助学生掌握编程工具的使用方法。

④效果评估：通过课堂表现、作业完成情况、考试成绩等多种方式评估学生对学科知识和编程知识的掌握情况，以及编程教育对学科教学效果的提升作用。

（三）主题式跨学科融合模式

1.模式概述

主题式跨学科融合模式是以一个主题为核心，整合多个学科的知识和技能，围绕主题开展编程教育活动。刘青提出人工智能视角下小学信息科技教学的优势进行分析,并提出人工智能走进课堂、创设问题情境教学、开展针对教学活动、创新教学评价方式等可行性策略[3]。例如，以“环境保护”为主题，学生可以通过编程设计一款监测环境污染数据的应用程序，在此过程中涉及到化学中污染物检测指标的知识、地理中环境数据采集的方法以及编程实现数据可视化等。

2.实施步骤

①主题确定：教师根据学生的兴趣和社会热点问题，确定跨学科主题。主题应具有广泛的学科关联性和教育价值。

②知识框架构建：围绕主题，教师引导学生构建跨学科知识框架，明确涉及到哪些学科知识以及这些知识之间的联系。例如，在“太空探索”主题下，知识框架可能包括物理中的天体力学、数学中的轨道计算、计算机科学中的图像传输与处理等。

③编程项目设计：根据主题和知识框架，设计相应的编程项目。项目要能够充分体现主题，并融合多个学科的知识。例如，学生可以设计一个模拟太空探测器飞行轨迹的程序，并实时显示探测器采集到的图像和数据。

④项目实施与学习：学生在实施编程项目的过程中，自主学习和运用跨学科知识。教师在一旁提供指导和帮助，引导学生解决遇到的问题。

⑤成果展示与交流：学生完成编程项目后，进行成果展示和交流。通过展示，学生可以分享自己在项目实施过程中的收获和体会，同时也能从其他同学的作品中获得启发。

四、编程教育与跨学科融合的案例分析

（一）案例背景

某中学开展了一次以“智能校园”为主题的跨学科编程项目活动。该活动旨在通过编程教育与多学科融合，培养学生解决实际问题的能力和创新思维。何增荣、马素艳认为该项目不仅促进了学科间的融合,提高了学生的综合能力,而且激发了学生的创新精神和兴趣,有助于培养具有创新思维和实践能力的高素质人才;最后提出了一些针对中小学人工智能教育实践的建议,包括增强教师的专业素养和创新能力、优化教育资源和环境、加强学生的实践和创新能力等[4]。参与项目的学生来自不同年级和学科，包括信息技术、数学、物理、艺术等学科的学生。

（二）项目实施过程

1.项目启动与规划

教师首先向学生介绍了“智能校园”的项目背景和目标，引导学生思考校园中存在的问题以及如何通过编程和其他学科知识来解决这些问题。学生们经过讨论，确定了几个子项目，如智能图书馆管理系统、校园环境监测系统、智能教室灯光控制系统等。然后，学生们根据自己的兴趣和特长选择加入不同的子项目小组，并制定详细的项目计划。

2.知识学习与技能培养

各子项目小组根据项目需求，开始学习相关的知识和技能。例如，智能图书馆管理系统小组需要学习数据库知识和编程技术来实现图书借阅管理功能；校园环境监测系统小组则需要学习物理传感器知识、数据采集与传输技术以及编程知识来搭建环境监测平台。在这个过程中，教师邀请了相关领域的专家进行讲座和指导，帮助学生快速掌握所需知识。

3.项目实施与协作

在项目实施过程中，各小组遇到了许多问题。例如，校园环境监测系统小组在数据采集过程中发现传感器采集的数据不准确，经过与物理教师和数学教师共同分析，发现是传感器的校准问题以及数据处理算法的缺陷。通过调整传感器校准参数和优化数据处理算法，最终解决了问题。各小组之间也经常进行交流和协作，分享经验和资源。例如，智能教室灯光控制系统小组在设计用户界面时，向艺术学科的学生请教了设计理念和色彩搭配知识。

4.项目成果展示

经过几个月的努力，各子项目小组都完成了自己的项目任务。在项目成果展示会上，学生们展示了自己的作品，并详细介绍了项目的设计思路、实现过程以及所运用的跨学科知识。例如，智能图书馆管理系统实现了图书的自动化借阅、归还和查询功能，大大提高了图书馆的管理效率；校园环境监测系统能够实时监测校园内的空气质量、噪音、温湿度等环境参数，并通过手机 APP 将数据推送给师生，方便师生了解校园环境状况。

（三）项目效果评估

1.学生学习成果评估

通过对学生在项目实施过程中的表现、项目成果以及相关知识测试进行综合评估，发现学生在编程能力、跨学科知识运用能力、团队协作能力等方面都有了显著提高。例如，在编程能力方面，学生能够熟练运用所学编程语言和开发工具完成复杂的项目功能；在跨学科知识运用方面，学生能够将数学、物理、艺术等学科知识有机地融合到编程项目中，解决实际问题。

2.学生满意度调查

对参与项目的学生进行满意度调查，结果显示大部分学生对此次跨学科编程项目活动非常满意。学生们认为通过参与项目，不仅学到了丰富的知识和技能，还提高了自己的创新能力和解决问题的能力。同时，学生们也表示非常喜欢这种跨学科学习的方式，希望今后能够有更多类似的活动。

3.对学校教育教学的影响

此次项目活动的成功开展，对学校的教育教学产生了积极的影响。一方面，促进了学科教师之间的合作与交流，推动了学校跨学科课程的开发和建设；另一方面，激发了学生的学习兴趣和主动性，营造了良好的学习氛围。

五、结论与展望

编程教育与跨学科融合是信息科技时代教育发展的必然趋势。通过构建基于项目的跨学科融合模式、学科渗透式跨学科融合模式和主题式跨学科融合模式等多种融合模式，并结合实际案例进行实践应用，能够有效地提升编程教育的质量，培养学生的综合素养。原晨冉、冯小燕、赵明富、石放共同提出对比不同跨学科模式,建立STEAM理念下的学科融合任务驱动模型，研究发现,以项目解决为导向的跨学科融合竞赛可以使学生增强学习动机,强化自我认同感,提升创新能力[3]。然而，编程教育与跨学科融合在实施过程中还面临着一些挑战，如教师跨学科素养的提升、教学资源的整合与开发等。未来，需要进一步加强教师培训，完善教学资源建设，推动编程教育与跨学科融合的深入发展，为培养适应时代需求的创新型人才奠定坚实基础。

参考文献：

[1] 多召军,刘岩松,任永功.编程教育促进儿童计算思维发展的内在机理与教学实践研究[J].电化教育研究,2022,43(8):101-108

[2] 刘青.人工智能视角下小学信息科技课堂跨学科教学方法探索[J].新课程教学（电子版）,2023(13):119-121

[3] 原晨冉,冯小燕,赵明富,石放.STEAM教育理念下跨学科融合案例分析[J].中国教育技

术装备,2022(22):97-100104

[4] 何增荣,马素艳.“新课标”背景下中小学跨学科项目式人工智能教学的探索实践——以“人

脸识别—校园门卫机器人”项目为例[J].中国现代教育装备,2024(6):57-60

[5] 吴敏娜.小学信息科技与心理健康跨学科主题项目式学习设计与实践——以《情绪垃圾桶》

一课为例[J].中国信息技术教育,2024(20):82-84

1、作者简介：

   宾炜炜（1982.3—），男，汉族，籍贯：广西博白人，玉林市玉东新区第三小学，中小学高级教师