基金资助：沈阳市2024年度社区教育重点科研课题“社区教育背景下，基于图形化编程的多学科融合教学课程体系研发”阶段性成果。

一、引言

随着时代的发展，人工智能技术已经融入我们的日常生活，并产生了深远的影响。其中OpenAI公司研发的ChatGPT3.5在2021年9月一经发布便引发了广泛关注。随后，各大科技公司相继推出大型模型，这些模型不仅可以根据用户输入的指令生成丰富多彩的图片和视频，还可以根据输入数据自动生成表格、PPT等，极大地提升了工作效率。在这样的背景下，人工智能再次引起大众的热议，编程作为一项关键技术也成为广大家长关注的焦点。

然而，传统的编程方式对于儿童来说往往显得过于抽象和难以理解，与数学学科教育目前的处境极为相似，作为一门基础学科，传统的数学教学方式往往注重知识的灌输，而忽视了孩子的认知特点和兴趣点，导致许多孩子对数学产生畏惧心理，成为一些学生难以逾越的障碍。这些问题若得不到妥善解决，往往会导致学生逐渐丧失对数学学习的兴趣。因此考虑一种新的数学学科教学方法显得极为重要。

二、图形化编程与数学学科的结合点

图形化编程不仅涵盖了顺序、循环、条件判断等编程核心内容，而且可以通过直观的方式帮助孩子深入理解编程的基本逻辑。同时，在图形化编程中，学生可以通过将不同的角色与造型进行巧妙搭配，创造出丰富多彩的程序展示效果，这一过程不仅锻炼了他们的创造力，也促使他们不断调试和优化代码，进而提升逻辑思维能力与面对挑战时的坚韧不拔。鉴于图形化编程与数学学科教育在多个方面存在天然的互补性，结合图形化编程直观、易用的特点，探索一种将图形化编程融入数学学科教学的新方法十分值得尝试。不仅能够让孩子能够更加直观、生动地理解和运用编程知识，并且能够更好地理解和掌握数学知识，激发他们对数学学习的兴趣和热情，为学生学习数学打开一扇全新的大门。

三、设计对比实验

本文采取控制变量法分别选取沈阳市的两个相距较远的社区进行研究。其中一个社区采用图形化编程的方式就行数学教学，另一个社区采用纯理论教学的方式对同样的数学知识进行讲解，尽量保证其他变量（影响因素）相同。

（一）授课对象的选择

表1 A、B社区学生样本明细表

共选取相距较远两个社区的学生共20人作对比实验，其中在A社区选取10人，B社区选取10人，年级分布在3-6年级，男女比例均为1:1，且在校数学成绩不相互上下，见表1。

（二）授课时间的选择

由于在早上时间段的学习效果最好，同时为了降低时间变量对实验结果的影响，在前后两天上午8:30-9:15对A、B社区的学生进行授课，以排除时间变量对实验结果的影响。同时由于两个社区距离较远，也基本排除了他们之间交流所学内容的可能性。

（三）授课内容的选择

被选择的20名孩子均已在校内或校外辅导班接触过圆的基本概念，其中A社区的学生均在校内或者校外接触过图形化编程软件，对于图形化编程有一定基础。圆的标准方程是数学学科中几何模块重要的学习内容，对于他们的升学、理解空间立体几何都有重要意义。因此选取此部分知识点探讨研究图形化编程软件对数学学科教学的影响十分适合，通过设置合理的检验方法，就能得出图形化编程软件是否对传统学科学习起到积极的影响作用的结论。课程所涉及到的所有知识点见图1所示。

              图1

（四）教学设计

是否结合图形化编程进行数学教学是本文唯一控制的变量。对于A社区采用“图形化编程+数学”的授课方式，对于B社区采用“纯理论讲授”的方式进行授课。为了模拟真实的授课场景，已将授课时长设置为45分。同时为了避免由于对A社区学生在课上进行图形化编程讲解占用常规课程时间，进而对实验结果产生影响，课前对A社区的学员进行了统一的培训，掌握了课程所能涉及到的图形化编程知识。

（五）编程工具的选择

目前市面上有各种图形化编程工具可以选择，像麻省理工学院开发设计的Scratch、深圳点猫科技开发的Kitten源码编辑器，以及一款拥有国内拥有自主知识产权的的图形化编程软件mind+。我们最后选用Scratch来进行实验授课，这款图形化编程软件容易上手，能够让学者能够轻松地学习编程，利用涂鸦、录音、找图片等有趣的过程来构建自己的程序，直观且有趣，适合长期编程学习。

（六）授课流程设计

1.圆的概念与性质讲解。为了避免孩子们对之前掌握圆的概念有些生疏，在两个班级的课程中对圆的概念进行了讲解和回顾。从生活中的轮胎、盘子等例子出发，让学生了解圆，同时着重对圆的基本概念（即圆心、半径、弦、直径、圆弧）进行讲解。

2.接下来，着重对圆的周长、面积、参数方程等概念进行讲解。在B社区，主要通过PPT展示及作图的形式对圆的周长、面积、参数方程的进行了讲解和证明。对于A社区的同学，结合图形化编程软件使用“画笔”模块，通过程序制作出圆参数方程、周长、面积的程序，动态对圆的以上三个概念进行讲解及证明。

3.最后分别给两个班级的同学留了10分钟的自由探索时间。发现对于B社区的同学，大部分都在闲聊，只有3名同学在进行与本节课学习内容相关的事情，其中一人在记忆公式，另两人在尝试自己证明公式。A社区中有9人在进行学习的相关操作，其中5人在使用不同颜色画笔通过程序进行画圆，并且互相观察、探讨圆的基本性质，4人利用结合圆与编程的基本知识，将书本中与圆相关的习题，通过程序的方式进行计算和证明，加深了他们的理解，只有1人表现出了兴趣不足的状况。

图2  B社区授课资料

图3  A社区授课资料

（七）授课效果检验

课后，通过3种方式来进行教学成果检测。方式一是通过当堂访谈的形式，方法二是通过测试卷的方式，方式三是半月后通过集中测验的方式来检查学生们对圆的知识掌握程度。

1.当堂访谈检验。当堂访问检验主要是开放性问答，问题为本堂课所学的知识总结即圆的性质与圆的参数方程。对于B社区的学生来说，10个学生中有4个基本能总结并理解圆的基本概念、性质以及圆的参数方程,4个人学员仅能理解圆的概念和性质，但对圆的参数方程理解有限，另两名同学对本节课所学的知识掌握较差。反观A社区的学员对所学知识掌握相对较好，其中有7人能够较好的掌握本节课所教学的所有知识点，7人中还有一人由于对于图形化编程软件有比较浓厚的兴趣，且编程基础也比较好，在图形化编程软件中实现了圆的标准方程，理解相对深入。对于10人中的另外3人，掌握程度相比另外7人能稍差一些，但仍较好的掌握的本堂课的重点内容。

 2.课后纸质试卷检验。由于访谈式检验回答有先后顺序之分，为了避免部分同学临时记忆他人口述内容而影响实验的效果，遂又设计了试卷题给A、B社区的同学，作答时间为1个小时。试卷共有5道题，每道题20分，满分100分，题型分别涉及圆的概念、圆的性质、圆的周长、圆的面积及利用圆的参数方程解题。A社区同学所得平均分为89分，B社区同学所得的平均分为76分。

3. 半月后集中纸质试题测验。授课半月后又对上次课后测试的试卷进行了重新测试，所涉及知识点不变，仅改变试题内容。测试结果A社区同学所得平均分为80分，B社区同学所得平均分为66分，两个班级的同学对所学知识皆有一定程度的遗忘，但采用图形化编程授课的班级授课效果仍好于另一班级。

一、 总结与反思

通过设置对比实验结果可知，由于图形化编程可以通过拖拽的方式实现较为复杂的代码功能，将抽象的知识在软件中通过程序进行展示，即使对于没有完全接触过编程的孩子来说也不是难题，虽然在学习编程的过程中会花费一点时间，但却能确实能够激发大部分学员对于抽象知识点的学习兴趣，抓住学生的注意力，加深学生对于已经学习过知识点的理解。从教学成果来看将数学学科教育与图形化编程结合还是比较有意义的，而且在前期学习编程的过程也并不是在浪费时间，编程的学习过程中培养了孩子的逻辑思维能力与解决问题的能力，帮助学生们对于数学学习树立更加坚定的信心。综合测试结果，本文得出以下结论。

（一）在数学学科的授课教学过程中，可以考虑将部分知识点与图形化编程进行结合进行教学。教研组教师可以经常进行研讨，借用从图形化编程教学中得到的启示进行教学设计。通过图形、声音、编程等元素激发学生的学习兴趣，使教学设计更符合记忆的基本规律。

（二）数学数学教研室与信息技术老师定期进行联合教研，不仅有助于实现学科间的交叉融合，更能为学生提供更加全面、深入的学习体验。通过共同设计教学目标，可以确保学生在编程维度和数学维度上都能得到充分的锻炼和提升。在编程实践中，学生能够运用数学原理解决实际问题，从而加深对知识点的理解和记忆；同时，在数学学习中，学生也能通过编程思维来拓展解题思路，提高解决问题的能力。通过双维度的教学模式，不仅能够激发学生的学习兴趣和积极性，还能够培养他们的跨学科思维和创新能力，为未来的学习和职业发展打下坚实的基础。

（三）通过课后与学生的交谈得知，大部分学生学习的目的仍仅仅是完成父母布置的任务或是取得一个好的学习成绩，并且大多是在接受被动的教育。适当的在课程中融入思政教育元素，帮助学生树立正确的学习目标，了解学习的意义，养成从被动学习向主动学习的习惯，使学会思考、敢发问，不仅仅是学知识，更重要的是学做人。

（四）在授课过程中也发现并不是所有年级的学生在数学学习的过程中，都适用结合图形化编程软件，其中四年级以下的学生由于对于电脑接触较少，欠缺电脑操作知识，自控力较差，往往被图形化编程软件吸引，发生注意力的迁移，在软件方面浪费过多的时间，影响教学效果。对于四年级及以上的学生由于他们已经具有一定自制力，能够借助编程软件取得较好的教学效果。并且在教学中也确实发现有部分逻辑思维能力不好的同学，即使采用结合图形化编程进行教学仍暂未取得比较好的教学成果的情况，但这也并不能完全否认图形化编程在数学教学中所发挥的重要作用，毕竟学习的过程也是一个学习并锻炼“学习能力”过程，针对这类的学生，可以借助图形化编程为抓手，对此类学生进行专门的训练。

五、问题与挑战

目前我市图形化编程的普及程度相对较低，现有的教学活动大多以社会机构为主，这些机构往往以盈利为目的，难以确保教学质量和效果，学校缺乏专业的编程教师，导致学生在编程学习过程中难以得到有效的指导和帮助。其次，能够真正将与数学学科与编程融合的课程体系也相对缺乏，使大多数数学教师未能找到较好的将数学与图形化编程的契合点。图形化编程作为一门新兴的跨学科教育方式，需要与之相匹配的课程体系来支撑，目前市面上比较多的都是仅针对数学或者编程的单一课程体系，难以充分发挥图形化编程在培养学生逻辑思维和创新能力方面的优势。因此需要政府、学校、家长及社会各界需要共同努力来改变这一现状。政府应加大对图形化编程教育的投入，提供必要的政策支持和资金扶持；学校应积极开展相关教学活动，加强师资培训，建立完善的图形化编程与数学融合课程体系，并对做得好的教师给与一定评奖评优的政策倾斜；家长也应提高对图形化编程的认识，鼓励和支持孩子参与相关学习。只有这样，我们才能充分发挥图形化编程在学科教学中的优势，培养出更多具备创新精神和实践能力的人

参考文献：

1. 基于STEAM教育理念的农村初中图形化编程教学实践研究[J].中国教育装备,2024(7).

2. 新课标下小学信息科技图形化编程教学实践——以“摇杆”传感器为例[J]. 中国信息技术教育,2024(1).

3. Amanda Strawhacker，Marina Umaschi Bers. What they learn when they learn coding：investigating cognitive domains and

computer programming knowledge in young children[J].Educational Technology Research and Development，2019，67(03).

4. 跨学科视角下的图形化编程教学——以《古算趣题》一课为例[J].中国信息技术育育,2024(1).

5. 新课标下图形化编程与创客制作融合创新的教学探索——以《GoC图案编程云遇激光切割》一课为例[J]。教育信息技术,2023(1).

6. 例谈促进小学生计算思维的图形化编程教学策略[J].中信息技术教育,2023(21).

7. Strawhacker A，Bers M U.“I want my robot to look for food”：Comparing Kindergartner’s programming comprehension using tangible，graphic，and hybrid user interfaces[J].International Journal of Technology and Design Education，2015，25(03)

8. 情境、探究、迁移：信息科技学科实践路径——以图形化编程教学为例[J].现代教学，2023(Z3)

9. 数学课堂教学诊断：基本逻辑、核心要素与实施策略[J].中国数学月刊2024(01).

10. 手脑建模型 身心做数学 中小学生学数学新常态——数学实验 数学实验室·数学实验包 提供了数学实验的基本环境和条件[J].中小学数学(高中版),2023(12).