四、课程内容
第三学段（5～6年级）
（一）身边的算法
算法是计算思维的核心要素之一，也是人工智能得以普遍应用的三大支柱（数据、算法和算力）之一。本模块以身边的算法为载体，使学生了解利用算法求解简单问题的基本方式，培养学生初步运用算法思维的习惯，并通过实践形成设计与分析简单算法的能力。
通过本模块的学习，学生能熟悉一些常用的算法描述风格与方式，理解算法执行的流程；能利用自然语言、流程图等方式，描述求解简单问题的算法，并对算法的正确性与执行效率进行讨论和辨析。
本模块包括“算法的描述”“算法的执行”“算法的效率”三部分内容。
1. 内容要求
（1）借助学习与生活中的实例，体验身边的算法，理解算法是通过明确的、可执行的操作步骤描述的问题求解方案，能用自然语言、流程图等方式描述算法。
（2）结合生活中的实例，了解算法的顺序、分支和循环三种基本控制结构，能分析简单算法的执行过程与结果。
（3）通过真实案例，知道算法步骤的执行次数与问题的规模有关，观察并体验采用不同算法解决同一问题时在时间效率上的差别。
（4）针对简单问题，尝试设计求解算法，并通过程序进行验证。
（5）以信息社会日常活动中蕴含的算法为例，讨论在线生活中算法的价值与局限（包括算法对知识产权保护的作用等），及算法对生活的指导意义。
2. 学业要求
能用符号和编码表示问题求解所关心的对象，采用自然语言、流程图等方式，运用三种基本控制结构及其组合，正确进行问题求解的算法描述。基于给定的算法，能针对不同的输入数据规模，分别“数出”算法中某些步骤执行的次数。在此基础上，能进一步判断解决同一问题的不同算法在时间效率上的高低。能基于对算法的理解，设置和调整参数，观察相应程序的执行。基于对算法价值和局限性的认识，初步具有知识产权保护和应用安全意识。
3. 教学提示
在本模块教学中，学生的认知发展处于从具象思维到抽象思维的过渡时期。教学实践应该把握这一阶段的特点，注重具象内容和抽象内容的关系与平衡。
（1）从学生的生活体验或《九章算术》等典籍中的适当问题出发，将算法学习的要点贯穿问题求解的过程，让学生在不同算法的具体讨论中养成算法思维，避免空洞地讲授抽象概念。
例如，猜数字游戏、物品分类、信息加密、韩信点兵、鸡兔同笼、投票选举、莫尔斯电码的翻译等，都是学生熟悉的内容。从讨论这些问题开始引入算法，学生便会形成自然的认知关联。也可以从智能家居、智能玩具等背景中提取算法问题作为教学实例。
（2）本模块要求学生体验计算机程序，鼓励学生从多个方面熟悉程序，不要求每个算法问题都由学生编程实现，阅读理解、修改运行等也都是有意义的体验。可采用类似科学课程中观察实验的教学方法，这也是培养数字化学习与创新的一种实践。
例如，对于“一笔画”“最短路径”“个性化推荐”等比较复杂的算法，教师可以在和学生一起讨论算法思想的基础上，展示由教师或第三方实现的程序代码，让学生设置和调整参数、观察讨论，最后执行验证。
（二）过程与控制
生活中广泛存在着“输入—计算—输出”的计算模式，从外界获得的输入经过计算产生输出，进而作用于外界再影响输入，从而形成反馈系统。理解系统实现过程与控制的原理，对于理解生活中广泛存在的过程与控制系统至关重要。本模块通过学习生活中的过程与控制系统，帮助学生了解过程与控制的特征及实现方式，理解利用计算机解决问题的手段，进一步认识过程与控制系统自身的特点和规律。
通过本模块的学习，学生能认识到过程与控制广泛存在于日常生活中，知道其中的反馈、环路、优化等概念，针对简单的过程与控制系统，能通过编程进行验证。
本模块包括“系统与模块”“反馈与优化”“逻辑与运算”三部分内容。
1. 内容要求
（1）通过体验和认识身边的过程与控制，了解过程与控制可以抽象为包含输入、计算和输出三个典型环节的系统。
（2）通过观察身边的真实案例，了解一个大的系统可以分解为几个小的系统，一个系统也可以划分出功能相对独立的多个模块。
（3）通过分析具体案例，了解反馈是过程与控制中的重要手段，初步了解反馈对系统优化的作用。
（4）通过分析具体过程与控制系统的实例，了解系统的输入与输出可以是开关量或连续量，了解连续量可以经由阈值判断形成开关量，掌握开关量的简单逻辑运算。
（5）通过分析典型应用场景，了解计算机可用于实现过程与控制，能在实验系统中通过编程等手段验证过程与控制系统的设计。
（6）结合生活中的实例，理解过程与控制系统中存在安全问题，知道自主可控的系统在解决安全问题时起到的重要作用。
2. 学业要求
能认识到过程与控制系统普遍存在于日常生活中。能发现大的系统可以由小的系统组成，不同的系统中存在相似的组成部分。能识别系统中的输入、计算、输出环节，能理解反馈在系统中的作用，能分辨输入与输出环节中的数据是开关量还是连续量，并能运用逻辑和数值运算设计简单的处理环节。能利用在线平台和工具寻找生活中的过程与控制场景，能设计用计算机实现过程与控制的方案，并在实验系统中通过编程等手段加以验证。能理解用计算机实现过程与控制时存在的安全问题，了解自主可控的系统在解决安全问题时的重要性。
3. 教学提示
过程与控制是广泛存在于生活中的一种系统模型，它不仅是某些常见的电气设备的运作方式，也是一些社会经济事务的运作原理。过程与控制的教学要从生活场景出发，引导学生学会识别系统特征，分析系统构成，设计计算过程，并通过实验加以验证。
（1）学生在生活场景中能见到大量的具有过程与控制系统的设备。以学生能够理解的身边的实例为载体，将教学内容的要点串联起来，让相关思维方式具体地显现在其中。
例如，家用微波炉给食物加热的过程可以抽象为：通过输入指令设定加热挡位与加热时间，控制电路接收输入指令，计算后生成相应的工作指令，磁控管和转盘电机等按照工作指令开始工作从而加热食物。从这个案例可以看出，微波炉工作的过程分为输入、计算和输出三个环节。微波炉也可以划分出磁控管、转盘、转盘电机、继电器等功能相对独立的模块，这些模块可以完成一些细小的功能，也可以被快速替换与更新。
（2）引导学生分析具体案例，找到其中存在的反馈和环路，发现反馈作用于输出的计算方式，理解系统控制的过程。
例如，家庭空调可使房间保持凉爽的原理是：在空调通电待机时，输入制冷模式、设定的房间温度和风量等信号，空调的控制电路计算获取的输入信息，控制电路对压缩机下达制冷的工作指令，空调风口不断吹出凉风，房间温度下降；温度传感器实时检测房间温度，并传送给控制电路，控制电路比较输出与输入情况，对压缩机下达相应的工作指令，让压缩机制冷或暂停制冷，使空调内机风口吹出冷风或暂停吹出冷风，以此控制房间温度在设定的温度附近。依靠检测输出、返回与输入比较、重新调整工作部件的指令这一反馈过程，空调能够完成房间温度控制的任务。
（3）引导学生分析典型应用场景，从中发现计算机和程序的作用，通过在仿真软件或教学实验系统中的编程验证，了解用计算机实现开关量和连续量控制计算的方式。
例如，智能微波炉在机械式微波炉的基础上，使用了计算机芯片参与控制，使得控制精度和控制能力得到了极大的提升，不但控制时间更精确，而且能够实现复杂的分段火力控制，完成具有一定难度的烹饪。
（4）引导学生阅读新闻报道，了解过程与控制系统中可能会存在安全问题，知道自主可控的系统对于解决安全问题的重要性。
（三）跨学科主题 小型系统模拟
1. 游戏博弈中的策略
生活中有各种各样的游戏，如“剪刀、石头、布”，在游戏背后都有相应的规则，规则本身也可以用算法表示。游戏博弈过程中的输赢比拼，可以采用顺序、分支、循环等基本控制结构进行算法表示。
例如，多人轮流在一堆火柴棒中进行取火柴棒的博弈游戏，每人每次可以取走1～3根火柴棒，看哪位同学取到最后一根。学生可以根据游戏规则，进行算法的策略设计。本主题融合了信息科技、数学等知识，提升学生的计算思维。
2. 解密玩具汉诺塔
生活中有很多玩具来自古老的问题，如益智玩具汉诺塔。汉诺塔一共有三根银针，在其中一根银针上有从上到下、由小到大的若干金片，要求把所有金片全部移到另一根银针上，并且金片仍然按照从上到下、由小到大的顺序排列。规定在三根银针之间移动金片时一次只能移动一个金片，并且小金片上不能放大金片。通过将抽象问题具体化的游戏，学生可以在其中感受算法的魅力，并迁移到其他生活场景的类似问题中。本主题综合运用信息科技、数学等知识，提升学生的计算思维。
3. 小型开关系统
过程与控制系统在生活中很常见。例如，洗漱过程中，随着热水的消耗和冷水的注入，热水器里的水温度降低，当温度降低到一定程度时热水器会自动启动加热功能，这个过程就体现了通过反馈实现的过程与控制。同样地，生活中存在各种由开关控制的装置。在本主题学习活动中，学生可以通过小组合作，搭建一个简易的小型开关系统，可以通过实物实现，也可以模拟连接组建。例如，学生可以通过小组分工协作，根据生活场景所需，将声控开关系统进行迭代设计。本主题综合运用信息科技、数学、科学等知识，提升学生的综合实践能力。
4. 小型扩音系统
过程与控制系统可以实现对连续量的处理。例如，生活中水龙头拧紧的程度可以持续变化地控制水流的大小。学生可以尝试观察生活场景中的多种设备，采用相关模块硬件设备或在线上空间中模拟实现一个小型扩音系统。该系统可以连续地根据真实情境的需求，控制音量的大小。本主题综合运用信息科技、数学、科学等知识，提升学生运用过程与控制的系统方法发现问题、解决问题的能力。