信息科技与几何美学的跨学科实践：《七巧板拼图活动的数字化创新》教学设计

信息科技与几何美学的跨学科实践：《七巧板拼图活动的数字化创新》教学设计一、教学内容分析

本节课源自信息科技课程标准中“算法与程序设计”及“数字化学习与创新”模块，是学生从基础操作向计算思维过渡的关键节点。七巧板拼图活动作为一个经典的文化与数学载体，在本课中被赋予了数字化的新内涵。从知识技能图谱看，它要求学生理解并应用“坐标定位”、“逻辑组合”及“顺序控制”等核心概念，这些是后续学习更复杂编程结构（如循环、条件判断）的认知基石。在过程方法上，本课旨在引导学生经历“问题分解→模式识别→抽象建模→算法实现”的计算思维全过程，将感性的图形拼搭转化为理性的指令序列。其素养价值深远：一方面，通过将传统智力游戏数字化，培养学生的文化传承意识与数字化创新自信；另一方面，在严谨的图形组合逻辑中，锤炼学生系统性、结构化的科学思维，并激发其对数学对称之美与信息表达之精确的审美感知。

七年级学生已具备基本的计算机操作技能和简单的几何图形认知，对七巧板也有一定的生活经验。然而，他们的思维正处于从具体运算向形式运算过渡的阶段，将直观的实体拼图操作转化为抽象的数字化指令描述，是一个关键的认知跨度。可能的障碍在于：学生容易陷入对单一图形形状的过分关注，而忽略整体组合的逻辑关系；在将连续的手部动作分解为离散的计算机指令时，可能产生序列遗漏或逻辑跳跃。为此，教学将设计“从实体到虚拟”的渐进式任务链，并通过小组协作、操作记录对比等形成性评价手段，实时诊断学生的思维轨迹。对于基础较弱的学生，将提供“指令卡片”作为可视化支架；对于思维较快的学生，则引导其尝试优化指令序列，探索多种组合方案，实现差异化的思维提升。二、教学目标

在知识层面，学生将能准确描述七巧板基本构件的几何特征（如三角形直角边的方位），理解并使用平面直角坐标系进行精确图形定位；能系统阐述将一幅完整拼图分解为若干图形单元，并为每个单元规划移动、旋转、组合的步骤序列这一核心过程，从而建构起“整体分解—局部操作—有序重组”的层次化知识结构。

在能力层面，聚焦于计算思维与数字化创作能力的培养。学生能够独立完成“分析目标图案→拆解图形单元→规划操作路径→编写指令序列”的完整流程，并能使用数字化工具（如图形化编程环境或专用拼图软件）验证并实现自己的设计方案，初步体验“设计即实现”的创造过程。

在情感态度与价值观层面，通过亲手将传统七巧板赋予数字生命，学生将感受技术对文化遗产的创新表达，增强文化自信与技术应用的正向价值认同；在小组协作中，能主动分享自己的设计思路，并虚心倾听同伴建议，共同优化方案，体现出良好的合作精神与共享意识。

关于科学思维目标，本课重点发展“算法思维”与“系统思维”。学生需将看似随意的拼图过程，抽象为一系列可重复、可检验的精确步骤（算法），并理解各图形单元间的空间关系构成一个相互制约的整体系统。课堂将通过“如何用最少的指令完成拼图？”这类问题链，驱动学生进行思维优化。

在评价与元认知层面，引导学生依据“指令清晰度、步骤效率、作品还原度”等量规进行自评与互评；鼓励学生反思在问题分解时遇到的困难及采用的解决策略，从而提升对自身思维过程的监控与调节能力，实现“学会学习”的元认知目标。三、教学重点与难点

教学重点确立为“七巧板拼图过程的算法化思维与步骤分解”。其依据在于，这直接对应信息科技课程标准中“用算法描述解决问题步骤”的核心能力要求，是计算思维培养的起点。从学科大概念看，“算法”是贯穿信息科技学科的骨架，本课的步骤分解是将实际问题转化为计算机可处理逻辑的关键一跃，对后续学习程序设计具有奠基性作用。

教学难点在于“从直观的空间感知到抽象的序列指令的转化”。具体节点表现为：学生在规划步骤时，容易遗漏对图形旋转角度的精确描述，或忽略图形间的遮挡、契合关系。预设依据源于学情分析：七年级学生的空间想象与逻辑抽象能力尚在发展中，而此转化过程需要同时协调几何感知与逻辑排序，认知负荷较高。突破方向是提供“分步录制回放”、“关键帧截图对比”等可视化工具作为思维脚手架，帮助学生“看见”自己的思维过程，从而降低抽象难度。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（内含七巧板构件坐标说明、经典图案库、拼图步骤动态演示）；数字化七巧板拼图软件或图形化编程平台（确保学生机可运行）；实体七巧板教具一套。1.2学习资料：分层学习任务单（含基础指令表、进阶挑战卡）；课堂过程性评价记录表。2.学生准备2.1预习与物品：课前简单回忆或把玩实体七巧板，思考其拼图规律；携带笔记本和笔。3.环境布置3.1座位安排：采用便于小组讨论的“岛屿式”座位布局，每46人一组。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与冲突制造：“同学们，相信大家都玩过七巧板，谁能快速拼出一只小猫的图案？”（邀请一位学生上台用实体七巧板尝试，或出示一幅经典小猫图案）。随后，教师提出挑战：“现在，我们无法直接用手移动这些板片，必须通过‘下达指令’的方式，指挥电脑里的虚拟七巧板完成拼接。谁能用语言清晰告诉我，先动哪一块，怎么动，动到哪里？”1.1核心问题提出与路径明晰：从学生可能产生的模糊、不完整的描述中，引出本课核心驱动问题：“如何用精确、有序的指令，让计算机‘听懂’并执行我们的拼图创意？”接着，向学生勾勒学习路线图：“今天，我们就化身‘指令设计师’，首先学习‘指令的语言’（坐标与动作），然后练习‘分解复杂任务’（分析目标图案），最后‘编排指令剧本’（编写完整步骤），让传统智慧在数字世界绽放新光彩。”第二、新授环节任务一：认识数字化“板片”与基础指令1.教师活动：首先，在电子白板上展示数字化七巧板的七个基本构件，强调它们与实体的一致性。然后，像介绍新朋友一样说：“在数字世界里，我们要告诉板片‘你去哪儿’和‘你摆什么姿势’。”通过拖拽一个三角形进行演示，同步解说：“瞧，我让它从初始位置‘移动’到（X:100,Y:200）这个坐标点。接下来，我觉得它方向不对，需要‘旋转’45度。”在此过程中，明确引入“移动（到坐标）”、“旋转（角度）”、“初始位置”等关键术语。最后，提出引导性问题：“如果我想让这个三角形紧挨着另一个已经放好的正方形，指令该如何调整？大家想想，我们描述位置时，是应该以屏幕左上角为参考，还是以那个正方形为参考更方便？”2.学生活动：观察教师的演示，在任务单上记录关键指令的格式。在教师提问后，与同桌进行短暂讨论，尝试理解“相对位置”与“绝对位置”的概念萌芽。随后，在电脑上打开拼图软件，尝试对12个基本图形执行几次移动和旋转操作，直观感受指令与图形变化之间的对应关系。3.即时评价标准：1.学生能否在软件中正确找到输入坐标和角度的地方。2.在模仿操作时，指令输入是否完整（包含动作和参数）。3.讨论时，能否用自己的话表达出“以某个图形为参照”的想法。4.形成知识、思维、方法清单：★核心概念1：图形定位。在数字化平面中，每个点的位置由一对坐标（X，Y）唯一确定。教学时需类比教室里的座位（第几排，第几列）帮助学生建立映射。★核心概念2：基本动作指令。“移动”改变位置，“旋转”改变方向。强调指令的格式为“动作+参数”，这是与计算机对话的基本语法。▲思维方法：从绝对到相对。引导学生初步意识到，在描述复杂图形关系时，以已有图形为参照点（相对坐标）往往比死记屏幕坐标（绝对坐标）更智能、更便捷，这是优化思维的开端。任务二：分解一幅简单图案1.教师活动：出示一幅由23块板片组成的简单图案（如一个小房子）。不急于操作，而是带领学生进行“思维预演”：“同学们，别看图案简单，咱们不能一上来就瞎指挥。动手之前先动脑，咱们一起来‘拆解’它。”教师用荧光笔在白板图案上勾勒分割，“大家看，这个房顶，是不是正好用一个中三角形？这个房身，是不是用正方形？”通过提问引导学生识别出构成整体图案的独立图形单元。然后，抛出关键问题：“好，单元找到了，现在我们该先拼哪一块？为什么？”鼓励学生思考顺序的逻辑，“如果先放房身，再放房顶，是不是更容易对准？这就叫‘思考拼装顺序’。”2.学生活动：跟随教师的引导，共同观察和分析示例图案。在任务单的图示上，尝试圈出不同的图形单元，并用自己的语言给它们编号或命名。就“先拼哪块”的问题进行小组内部交流，陈述自己的理由，例如“我觉得应该先放大的、在下面的那块，这样好搭”。3.即时评价标准：1.学生能否在图案中正确识别出与七巧板构件对应的部分。2.在讨论顺序时，其理由是否体现了对图形间支撑、依赖或遮挡关系的考虑（如“先放底座”、“后放覆盖在上面的”）。4.形成知识、思维、方法清单：★核心流程：问题分解。将复杂任务（拼出整体图案）分解为若干子任务（摆放单个图形单元）。这是计算思维的核心步骤。教学时强调“分解”是为了让问题变得更简单、更可控。★核心方法：识别与对应。将目标图案的各个部分与七巧板的标准图形库进行匹配，这是实现“复原”的基础。▲思维进阶：顺序规划。理解步骤顺序会影响拼装的难易程度和效率。引导学生建立“基础先行，上层后置”、“大面积优先，小面积填空”等朴素的空间逻辑顺序观念。任务三：为单一图形单元设计指令序列1.教师活动：聚焦于图案中的某一个图形单元（如任务二中的“房顶”三角形）。教师演示如何从初始位置将该图形移动到目标位置附近。“好，我们‘请出’这个三角形。第一步，移动到大致的‘后台等候区’。”接着，演示旋转操作以调整方向。“方向好像还差一点，咱们微调一下，旋转30度看看？”此时，可以故意将角度调错，让学生观察效果。“哎呀，转反了！这说明旋转角度有正负之分，大家操作时要留心。”最后，演示精细的移动，使其精准契合。“现在，我们需要最后一两步微移，让它严丝合缝地‘落位’。”2.学生活动：在教师演示时，记录完成一个图形单元拼装所需的典型指令序列（如：移动→旋转→微移）。然后，在软件中独立或两人一组，针对另一个指定的图形单元（如“房身”正方形），尝试设计并输入自己的指令序列，使其到达目标位置和状态。过程中，可能需要多次调整坐标和角度数值。3.即时评价标准：1.学生设计的指令序列是否包含了必要的动作（通常至少包含移动和旋转）。2.在执行过程中，能否根据图形反馈，主动调整参数进行修正，而不是等待老师帮助。3.是否注意到旋转角度的正负方向设定。4.形成知识、思维、方法清单：★核心概念3：指令序列。一系列有序的基本指令构成一个完成特定子任务的“程序段”。强调“顺序至关重要”，顺序错了，结果可能南辕北辙。★操作技巧：迭代调试。很少有一次性输入完美参数的情况，通常需要“执行→观察→调整→再执行”的迭代过程。这是编程中“调试”思想的初体验。▲易错点警示：旋转方向与角度单位。明确说明在该软件/环境中，顺时针旋转常用正角度，逆时针为负角度（或反之）。提醒学生注意软件的角度单位是度（°），避免与弧度混淆。任务四：组合与调试完整图案1.教师活动：引导学生将任务二、三的成果整合起来。“各位设计师，现在到了将各个‘零件’组装成‘产品’的时刻了！”组织学生以小组为单位，将各自负责的图形单元指令序列，按照之前讨论的顺序，在软件中依次执行或合并编写。教师巡视，重点关注组合后出现的常见问题，如“图形重叠了怎么办？”、“这块怎么悬空了？”。挑选一个典型问题，在白板上进行集体调试示范。“大家看，这两个图形交叉了，说明我们第二个图形的起始位置或移动坐标没算对。我们可以尝试修改它的‘移动’目标坐标，或者，更聪明一点，在它移动之前，先给它一个‘归位’指令，让所有人从同一起跑线开始。”2.学生活动：小组协作，整合指令。共同观察拼合效果，针对出现的重叠、缝隙、错位等问题进行讨论，定位问题可能出在哪个图形单元的哪条指令上，并尝试协同修改。记录下调试过程中发现的问题和解决方案。3.即时评价标准：1.小组能否将分散的指令有效整合为一个可顺序执行的整体。2.出现问题后，是慌乱求助还是能小组内部分析可能的原因。3.调试修改是否有针对性，而不是盲目地乱改所有参数。4.形成知识、思维、方法清单：★核心概念4：程序整合。将多个子程序（图形单元指令序列）按照逻辑顺序组合成一个完整程序。★核心能力：调试与排错。当结果与预期不符时，能根据现象（如图形间关系错误）逆向推断问题指令所在，并进行修正。这是计算思维中极为重要的批判性思维环节。▲系统思维：关联与制约。深刻理解各个图形单元的指令并非孤立，它们共同构成一个系统，修改其中一个部分可能会影响其他部分的位置关系，需要全局考虑。任务五：挑战与创意——设计新图案1.教师活动：发布分层挑战：“基础挑战：从图案库中自选一幅稍复杂的图案（如小船、蜡烛），独立完成指令设计。创意挑战：利用七块板片，自己设计一个原创图案（可以是抽象图形，也可以是具象事物），并为之编写创作说明书（即指令序列）。”为选择创意挑战的学生提供思维引导：“想想你要表达什么？哪些图形组合起来可以表现它？别急，我们先在纸上画个草图，再‘翻译’成指令。”2.学生活动：根据自身情况选择挑战层级。基础层学生继续巩固“分析分解指令化”的流程。创意层学生进行构思、草图绘制，并努力将自己的创意转化为可执行的数字化指令。过程中可以与同学交流灵感，但需独立完成自己的指令集。3.即时评价标准：1.对于基础挑战，关注其步骤分解的合理性和指令的准确性。2.对于创意挑战，重点评价其创意的新颖性，以及将创意实现为具体指令的可行性（即指令能否真正拼出所设计的图案）。3.所有学生是否能在规定时间内专注于自己的任务。4.形成知识、思维、方法清单：★素养综合：数字化学习与创新。运用数字化工具，将个人创意（设计新图案）转化为数字作品。这是信息科技核心素养的直接体现。★能力拓展：从模仿到创造。学习过程从模仿（还原既定图案）升华至创造（生成新图案），实现了知识技能的内化与迁移。▲方法延伸：设计思维。体验简单的设计流程：明确目标（设计什么）→构思方案（画草图）→技术实现（写指令）→测试优化。这不仅是信息科技的方法，也是解决许多现实问题的通用思路。第三、当堂巩固训练

巩固训练采用三层递进体系。基础层：“精准复原”练习。提供一幅由四块板片组成的明确图案（如一把伞）和一份存在23处错误的指令草稿。要求学生扮演“程序医生”，诊断并修正错误，使图形复原。综合层：“情境应用”练习。创设情境：“机器人手臂只能接收‘移动’和‘旋转’指令，请你为它编写拼出一个‘箭头’标志的指令程序。”此任务在无具体坐标提示的新情境中，考查学生自主规划位置和角度的能力。挑战层：“效率优化”探究。向学有余力的学生提问：“你为某个图案设计的指令序列，步骤数量能否再减少？是否存在冗余操作？（例如，是否可以通过一次旋转到位，避免两次移动？）”引导他们反思并优化自己的“算法”。

反馈机制上，基础层练习通过软件自动校验或同桌交换检查，快速反馈正确性。综合层和挑战层的成果，则通过小组推荐或教师抽选的方式，在全班进行展示。教师引导学生围绕“指令是否清晰无歧义？”、“步骤顺序是否合理？”、“有没有更巧妙的拼法或指令组合？”等问题进行同伴互评与教师点评。展示时，特意选取一份虽有瑕疵但思路独特的作品，进行建设性剖析：“这位同学的箭头造型很有创意，虽然这里两块板有点缝隙，但他先固定箭头尖再拼箭身的顺序，大家觉得有没有值得借鉴的地方？”第四、课堂小结

引导学生进行结构化总结。教师提问：“今天我们探索了如何指挥电脑玩七巧板，回顾整个过程，你认为最关键的几个环节是什么？”鼓励学生用流程图或关键词进行梳理，如“观察目标→分解图形→设计单个步骤→组合调试→(优化)”。邀请学生分享在“分解”或“调试”环节中最深刻的体会。接着，进行方法提炼：“今天我们不知不觉运用了一种强大的思维武器——‘计算思维’。它的核心就是把大问题拆成小步骤，并精确地描述出来。这种思维不仅能用来拼七巧板，将来解决任何复杂问题都用得上。”

最后布置分层作业：必做作业：选择课堂上完成的一幅图案，将其完整的、正确的指令序列整理成“数字七巧板说明书”，记录在作业本上。选做作业（二选一）：1.设计一个含有故事性的连续拼图（如：小鱼变成小鸟），并写出变换过程的指令概要。2.调研或构想，七巧板的这种“有限模块无限组合”的思想，在现实生活（如建筑设计、家具组合）中有哪些应用？写一个简短报告。六、作业设计基础性作业：

整理与反思：每位同学需从课堂练习中，选择一幅自己成功实现的图案（至少由3块板片组成），将最终调试正确的完整指令序列，以清晰的步骤列表形式，誊写在作业本上。要求每一步指令都包含动作和具体参数（如：移动(150,200)；旋转(90°)）。在作业末尾，用一两句话写下自己在调试过程中遇到的一个小困难及解决方法。拓展性作业：

情境化微项目：“我的会变形的七巧板”。设计一个简单的图形变换过程，例如从“一座小房子”变换成“一棵树”。要求：1.画出变换前后的目标图案草图。2.描述变换的思路：哪些板片需要移动、旋转？大致的顺序是怎样的？3.不必写出全部精确坐标，但需用文字或图示说明关键板片变换前后的位置和角度关系。此作业旨在考查学生在开放情境中应用分解与规划思维的能力。探究性/创造性作业：

跨学科深度探究：“探秘‘东方魔板’的数学与信息原理”。要求学生查阅资料或自行探究，完成一份简易研究报告，需涵盖以下至少两个方面：1.数学之美：探究七巧板为何用区区七块板就能拼出成千上万种图形，其背后涉及哪些几何原理（如面积守恒、图形分割）？2.信息之桥：如果将七巧板的每一种最终拼图状态看作一个“信息”，我们今天的“指令序列”就是一种“编码”方式。思考这种编码方式的特点（是长是短？是否唯一？）。3.创新之思：基于七巧板的模块化思想，为班级文化墙设计一个可以用标准模块（如几种形状的彩色卡纸）自由组合、定期更换的展示方案，画出设计图并简述规则。七、本节知识清单及拓展★1.平面直角坐标系：数字化画布上定位的基石。由水平的X轴和垂直的Y轴构成，交叉点为原点(0,0)。任何一点的位置可用坐标对(X,Y)表示。教学提示：务必明确软件中坐标轴的方向和原点位置，这是所有精准操作的前提。★2.图形基本变换指令：计算机理解的两条核心动作命令。移动(平移)：改变图形位置，不改变其方向和形状。关注目标点坐标。旋转：绕一个点（通常是图形中心或特定点）转动，改变方向，关注旋转中心与旋转角度（注意正负方向约定）。★3.计算思维之问题分解：将复杂的、庞大的任务（拼出完整图案）系统地拆解成一系列更小、更易管理的子任务（摆放每个独立板片）。这是化繁为简、降低难度的核心策略。★4.计算思维之算法描述：用一系列清晰、有序、无歧义的步骤（指令序列）来精确描述解决问题的过程。算法强调步骤的确定性和可执行性，是人与计算机沟通的“契约”。▲5.相对坐标思想：相较于始终以屏幕原点为参照的绝对坐标，以场景中已有图形或特定点为参照来定位新图形，常使指令设计更直观、更易于调整。这是优化思维和局部思维的开端。★6.指令序列与顺序逻辑：指令的执行遵循严格的先后顺序，不同的顺序可能导致完全不同的结果，甚至失败。编写时必须考虑动作间的逻辑依赖关系（例如，必须先放置垫底的图形）。★7.调试与迭代：编程中至关重要的实践环节。指通过运行程序、观察输出、定位错误、修改代码、再次运行的循环过程，逐步使程序符合预期。本课中调整坐标和角度的过程即是调试。▲8.参数化思维：移动的距离、旋转的角度等都以参数形式给出。改变参数值即可得到不同的结果，这体现了程序通过控制参数来获得灵活性的思想。★9.从具象到抽象：本课核心的思维跃迁。将手中实物的具体拼搭动作，抽象为头脑中的空间关系分析，再进一步抽象为可被记录、传递和计算机执行的符号化指令序列。▲10.模块化与封装：将一个图形单元的完整移动过程视为一个“模块”或“黑箱”（只需关注其初始状态和最终状态，中间步骤可打包），多个这样的模块组合成复杂作品。这是软件工程思想的雏形。★11.系统思维与关联性：在组合完整图案时，需认识到各个图形单元并非孤立存在，它们的位置、角度相互制约，构成一个空间系统。修改某一部分时，必须考虑其对其他部分可能产生的影响。▲12.数字化创新路径：体验了“传统载体→数字工具→创意实践”的完整创新路径。技术不仅是模仿的工具，更是表达与创造的新媒介。▲13.七巧板的几何原理（拓展）：所有板片源于一个正方形的基础分割，其边长存在特定比例关系。这一特性保证了任意拼合图形的外轮廓周长恒定，且板片间能够无缝隙、无重叠地密铺，是组合无限可能性的数学根源。▲14.信息编码视角（拓展）：每一种静态拼图结果是一个“信息”，而动态的拼图过程（指令序列）是对该信息的另一种动态“编码”或“描述”。思考这两种形式（结果与过程）在信息表达上的异同。八、教学反思

本课以“数字化七巧板”为项目载体，整体上成功地将计算思维的抽象理念具象化为学生可操作、可体验的活动链条。从目标达成度看，绝大多数学生能通过任务单记录和最终作品，展现出对“分解”与“序列化”两个核心步骤的理解与应用，基础目标落实较好。能力与素养目标的证据分散在课堂观察中：在“任务四”的小组调试环节，约七成小组能主动定位问题图形并进行有目的的修改，体现了初步的调试能力；在“任务五”的创意挑战中，约三分之一的学生展现了令人惊喜的想象力，成功将抽象构思转化为可行指令，数字化创新能力得以萌芽。

对各环节有效性的评估显示，“任务二（分解图案）”的集体思维预演和“任务三（单一图形指令设计）”的精细操作是承重墙，为学生后续的独立与合作探究打下了坚实支架。然而，“任务四（组合调试）”的时间略显仓促，部分小组在遇到复合问题时（如图形相互遮挡导致的逻辑冲突）未能深入，便因时间关系接受了“差不多”的结果。这反映出任务链的容量与课堂45分钟之间存在张力，也提示“调试”这一高阶思维活动需要更充裕的“试错”时间和更细致的教师介入。

对不同层次学生的深度剖析是本次设计的重点关照。