在“STEM+項目”中培養學生計算思維的實踐探究

程育艷

STEM教育強調跨學科的整合學習，尤其強調通過以工程為核心的設計和制造活動來解決生活中真實而有意義的問題。美國卡內基·梅隆大學周以真教授提出，計算思維是一個運用計算機科學基礎概念進行系統設計、解決問題與人類行為理解的過程。以上兩種闡述在真實問題解決方面具有一定的融通之處。為此，筆者嘗試在“STEM+項目”中培養學生的計算思維，現以“制作雨量器”項目中的“水循環”探究活動為例加以闡述。

一、背景介紹

STEM教育是融合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的教育，但不僅限于這四個領域。它倡導以項目式的學習方式融合多學科的內容，解決真實環境下的實際問題。STEM強調通過課程融合幫助學生將不同課程中學到的知識融會貫通，并運用于實際生活，借此獲得綜合性發展。這對學生的成長和社會的發展都具有重要意義。

計算思維是計算機科學實踐的核心，是21世紀公民的一項基本素養。依據我國高中信息技術新課標中的界定，計算思維是信息技術學科的核心素養之一。2016年，美國計算機科學協會（ACM）聯合其他部門發布了《K-12計算機科學框架》，提倡將計算機科學與數學、工程、科學等多學科進行整合，通過STEM教育等方式，促進學科間的融合?？傊?，探索“STEM+項目”試圖為學生提供真實問題情境下的深入思考和探究實踐，學習問題解決的新方法，拓展計算思維的培養空間。

二、實例探究

1.項目描述

在“制作雨量器”的STEM項目中，學生首先要學習“雨的形成（以下簡稱水循環）”“風向和雨”等基礎知識，再在此基礎上發現問題——怎樣測量雨量（雨量器的作用）；定義問題與分析問題——雨量器的草圖設計；解決問題——雨量器的制作、測試、分享、改進及展示。這樣，學生在一個真實的項目情境中進行深入思考與探究性實踐，通過“發現問題—定義與分析問題—解決問題”的思維路徑展開探究式學習。僅以“水循環”為例，學生將通過“數據抽取—抽象模型—算法優選—編程模擬”，經歷一個計算思維的訓練過程。

2.項目實踐

一是數據抽取。小組討論“雨從哪兒來，又到哪兒去”，并借助思維導圖梳理觀點、觀看微視頻“雨的形成”、在網上搜索資料等活動，了解相關信息并獲得數據，進而得出水的三態（固態、液態和氣態）、水循環的三個步驟（蒸發、冷凝、降水）、水循環的三種途徑（海陸間循環、陸地內循環和海上內循環），以及水循環的意義——維持地球上水的動態平衡、維持地球的熱量平衡、聯系海陸間的重要紐帶、塑造地表形態。

二是抽象模型。抽象作為計算思維的常用方法，是計算機科學教育主要培養的目標之一。抽象是將某一過程或某一信息集合簡化，只保留某些重要特征以便獲取計算方法；通過去除個別化屬性、提取公共要素來概括多種情境或事物，從而創建普適性方案。在實際學習與生活中，學生要運用抽象的方法提取事物的關鍵特征，并與其他事物建立關系，進而根據以往經驗制訂合理的解決方案。在“水循環”活動中，教師引導學生借助思維可視化工具將隱性的知識顯性化，并抽象出模型。這樣，就能得到“水的三態循環”模型和“大自然中常見的水循環模式”。其中“水的三態循環”模型包括：水在液態下通過吸熱汽化變成氣態，或者通過放熱凝固成固態；水在氣態下通過放熱液化成液態，或者通過放熱凝華成固態；水在固態下通過吸熱熔化成液態，或者通過吸熱升華成氣態。

三是算法優選。結合抽象模型提取算法，在教師的引導下各小組自主設計完成小實驗。每個小組的實驗材料和實驗內容略有不同，在此以其中一個小組的實驗為例。實驗材料包括：保鮮膜1張、大容器1個（保鮮盒）、熱水1杯、小容器1個（酸奶盒）、冰塊2～3塊。實驗主要步驟包括：將酸奶盒放入保鮮盒中心，開口朝上；往保鮮盒內加入熱水，不能浸沒酸奶盒；用保鮮膜封住保鮮盒；將冰塊放在酸奶盒上方的保鮮膜上；觀察實驗現象。最后，每個小組要完整地寫出實驗報告。學生通過探究，不僅知道了如何借助水循環更好地回收水并進行再利用，還可以把這些知識和方法遷移到生活中。

四是編程模擬。首先，利用流程圖梳理“水的三態循環”程序。程序開始，水以液態的形式呈現在舞臺上，舞臺的一側有“升溫”“降溫”按鈕，單擊“升溫”按鈕，溫度值不斷上升，當高于100攝氏度時則變成氣態形式，單擊“降溫”按鈕，溫度值不斷下降，當低于0攝氏度時則變成固態形式。其次，編程模擬實現。使用Scratch編程需要確定三大要素，即舞臺、角色和腳本。在“水的三態循環”程序中，主要角色是液態水寶寶、固態水寶寶、氣態水寶寶，腳本語句中主要運用了循環語句、判斷語句及邏輯判斷。調用舞臺背景后，通過單擊“升溫”“降溫”按鈕控制溫度變化，模擬實現水的三態循環。

三、實踐反思

1.尋找STEM教育和編程教學融合的契機

筆者分析了《2017地平線報告（基礎教育版）》中“技術促進教育的六大趨勢”，結合上海市閔行區七寶明強小學的STEM課程和編程課程開展的情況進行了梳理，旨在尋找STEM教育和編程教學融合的契機，最終對編程教學模塊作出校本化調整。根據學生的年齡特點，在編程教學中選用了Scratch軟件。Scratch是美國麻省理工學院開發的一套開源程序，專門為八歲以上兒童設計。借助此軟件，主要是為了讓學生在編程過程中，提高邏輯思維能力、數字化文化創作能力和解決問題的能力并讓學生感受到學習的樂趣。筆者在“制作雨量器”項目的“水循環”活動中將兩者進行了融合，收到了較好的效果。實踐證明，學生在真實問題情境中進行探究，運用編程輔助解決問題，有利于計算思維的培養。

2.借助思維可視化工具培養學生的計算思維

人與計算機溝通的方式是使用程序設計語言。每一種程序設計語言都有自己的指令、語法和符號，人們將這些指令按照一定的語法規則進行組合，完成所需功能，就是程序設計。借助流程圖梳理得出“水的三態循環”程序實現的過程，較好地幫助學生理清了思路，最終通過程序模擬實現了生活中水的“三態循環”，有利于培養學生的計算思維。在“水循環”探究活動中借助了思維可視化工具，幫助學生將隱性知識顯性化，也有利于學生計算思維的發展。

（責任編輯 郭向和）