STEM視野下計算思維能力的發展策略研究*

朱 珂 賈鑫欣

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STEM視野下計算思維能力的發展策略研究*

朱 珂 賈鑫欣

（河南師范大學 教育學院，河南新鄉 453007）

計算思維是個體運用計算科學的思想方法進行問題解決時產生的思維活動，對培養學生的創新意識和實踐能力有重要作用。隨著創客教育、STEM教育等新型課堂教學模式的涌現，計算思維的培養策略也面臨著新的挑戰。文章首先分析了計算思維向系統思維發展的趨勢，并結合計算思維能力對STEM教學過程的支撐作用以及STEM教育中發展計算思維的優勢兩個方面，闡釋了STEM視野下發展計算思維能力的必要性。隨后，文章構建出STEM視野下計算思維能力的培養策略，并以案例方式進行驗證，最后提出相關建議，以期為STEM視野下計算思維能力的培養提供參考。

計算思維；STEM教育；發展策略；創客教育

引言

隨著教育信息化程度不斷提高、數字化進程不斷發展，計算思維已成為人們的主要思維方式，是人們思維能力的主要特征之一[1]。隨著互聯網與教育的快速融合，計算思維的培養策略面臨新的發展與挑戰。融合了系統思維的計算思維克服了傳統計算思維的弱點，將批判理論、復雜理論和變化理論融入傳統計算思維，對智能時代人才培養有重要意義。本研究分析了STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）教育理念與融合了系統思維的計算思維兩者的特點和STEM視野下發展計算思維的新變化，探尋STEM視野下計算思維能力的發展策略，以期為我國計算思維能力的發展提供借鑒。

一 計算思維概述

1 計算思維的概念及內涵

卡內基·梅隆大學的周以真[2]在2006年首次提出計算思維的概念，她將計算思維定義為一種思維模式，認為計算思維是一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統和理解人類行為的活動。2010年，周以真進一步將計算思維表述為一種解決問題的思維過程，能夠抽象、清晰地將解決方案和問題用信息處理代理（人或機器）有效執行的方式表述出來[3]。

計算思維不是一門單獨的學科，它源于計算機科學，和數學思維、工程思維有非常緊密的關系。計算思維不僅是一種適應于計算機科學的概念和思維，還能提供一種廣泛應用于工作、學習、生活中分析問題的視角[4]。計算思維涵蓋計算機科學的一系列思維活動，其有以下特點：①計算思維是概念化而非程序化的；②計算思維是人而非計算機的思維方式；③計算思維是數學和工程學的互補與融合；④計算思維是思想而非人造物；⑤計算思維面向所有人。相應地，具備計算思維能力的人應具備計算機科學家一樣的思考方式，遇到問題時考慮是否把問題公式化；能通過搜集、分析數據理解問題，并分解問題；能去除細節、概括抽象、尋找模式，從而解決同類問題；能制定解決問題的步驟、建立仿真模型，對解法進行測驗和調試。

2 計算思維的新發展：從計算思維走向系統思維

Steve[5]提出，系統思維是計算思維的未來發展方向。通過以下三個方面，系統思維彌補了計算思維的不足：

（1）批判理論的融入

只要以一種運用計算機解決的方式提出問題，傳統的計算思維者就可以不加批判地接受這些問題的描述，這意味著缺乏對問題所處系統環境的認識。系統思維認為任何系統都是處在上位系統和子系統的連續迭代中。因此，處理問題時，必須伴隨著對上位系統和子系統的認識。在提倡跨界融合的“互聯網+”時代，計算思維者要在系統環境中思考、發現并解決問題。

（2）復雜理論的融入

傳統的計算思維者在解決方案中傾向于采用過于簡單的、線性的方法，很少在多個時間尺度上或從多個空間維度進行評估，還可能忽略解決方案的系統性。系統思維通過對系統行為的理解和一系列概念來彌補這一缺陷，是處理復雜性問題的一種重要方法。我們在問題解決的過程中，需要習得蘊含在問題解決過程中的過程性知識。在飛速發展的人工智能時代，計算思維者需要將知識運用于現實生活中，根據知識所處的背景信息辨識問題本質并靈活解決問題。

（3）變化理論的融入

傳統的計算思維往往根據固有的步驟解決問題，依據信息的形式或來源制定解決方案，限制人們思維的靈活性與創新性。然而，現實中的問題總是存在于一個系統中，需要伴隨著對更廣泛的包含系統和各子系統的系統效應的認識。系統思維提供了豐富的變化理論，側重于通過提供新形式的信息或者利用新的信息來源來提供解決問題的新途徑。在提倡創新能力的創客時代，計算思維者需要靈活地進行知識的遷移，在學習過程中提高自己的創新與實踐能力。

綜上所述，融合了系統思維的計算思維克服了傳統計算思維的缺點，更符合時代要求。主要表現為：①融合了系統思維的計算思維與STEM教育理念不謀而合，STEM教育可以培養學生以綜合知識發現問題并運用計算思維解決問題的能力[6]；②STEM教育注重探究教學，讓學生通過自己的思考、觀察和實踐，掌握解決問題的方法，發現問題的本質，培養學生的科學素養，提高學生的思維能力和實踐能力[7]；③STEM教育融合了科學、技術、工程與數學的理論，以問題解決為核心，進行跨學科的學習，培養學生的知識遷移能力；④STEM教育倡導使用工程思維去解決問題，工程問題包含設計、制作和改進的解決過程，可以培養學生的“工匠精神”和創新能力[8]。

二 STEM視野下發展計算思維能力必要性

1 STEM教育的教學過程需要計算思維能力的支撐

計算思維包含分解、概括、算法思維、評估和抽象化五個要素[8]，STEM教育的教學過程分為確定問題、規劃、嘗試、修改和交流五個步驟[9]。STEM教學過程中的關鍵步驟需要計算思維要素的支撐，兩者的關系如圖1所示：①在“確定問題”環節，學習者具備一定程度的分解能力后，可以將問題分解成較小的部分，通過采用簡單的方式定義問題，確定一些成功標準，從而使問題更容易解決；②在“規劃”環節，學習者具備一定程度的概括能力后，可以找出問題的解決方案，制定詳細的計劃，確定執行解決方案的步驟，從而發現任務中的關鍵點；③在“嘗試”環節，學習者具備一定程度的算法思維后，可以使用編程語言完成最終的解決方案；④在“修改”環節，學習者具備一定程度的評估能力后，可以利用自己的評估技能確定是否需要修改、調整或改善方案中的某些部分；⑤在“交流”環節，學習者具備一定程度的抽象化能力后，可以向同伴們展示自己的最終解決方案，并解釋自己的解決方案為何符合成功標準。

圖1 STEM教學過程與計算思維的關系

2 在STEM教育中發展計算思維的優勢

計算思維和STEM教育的契合點在于跨學科和情境學習。信息技術課程是培養計算思維的有效載體，但計算思維作為人類科學思維中固有的組成部分，其早于計算機的出現，所以對計算思維的培養決不能被限制在信息技術課程之中。計算思維的培養需要結合STEM教育跨學科知識融合的理念，從全方位出發，與多門學科的知識有機融合[10]。培養計算思維時，不能只通過機械的概念理論教學來實現，情境化的學習更容易從能力的提升上升到思維的養成。培養計算思維時，教師需要在教學過程中有目的地引入或創設情境，激發學生的情感[7]。情境學習可以為學生提供良好的暗示或啟迪，有利于鍛煉學生的創造性思維，培養學生的適應能力。

以上提到的兩方面和STEM教育的理念不謀而合，一個已經具有基本計算思維的學生進行STEM教育，在貫通不同學科、設計問題解決方案、整合資源等方面具有較大優勢。

三 STEM視野下發展計算思維的新變化

STEM視野下計算思維的發展打破了傳統計算思維發展的局限，從發現問題的視角、挖掘問題的深度、處理問題的應變力以及培養的途徑與方法四個方面論述STEM視野下發展計算思維的新變化。

1 發現問題的視角不同

只要能夠以一種運用計算機解決的方式提出問題，傳統的計算思維者就可以不加批判地接受這些問題的描述，因此會妨礙學生創造性思維和創新意識的發展。STEM視野下的計算思維彌補了這一缺陷，可以讓學生運用多門學科知識發現并解決現實情境中的問題，全面考慮有關該問題的相關性知識，在解決方案中從多維度進行評估，培養學生的發散性思維，強化學生在信息技術方面的知識和技能，鍛煉學生從多種視角發現問題、分析問題的能力。

2 挖掘問題的深度不同

傳統的計算思維往往根據固有的步驟解決問題，在解決方案中傾向于采用簡單的、線性的方法，很少在多個時間尺度上或從多個角度進行評估，并且還可能忽略解決方案的系統性。STEM視野下的計算思維可以讓學生通過自己的思考、觀察和實踐掌握解決問題的方法，根據知識所處背景信息辨識問題本質并靈活解決問題，在問題解決過程中培養學生的知識遷移能力，提升學生的科學素養，使學生在學習過程中鍛煉自己的思維能力與實踐能力。

3 處理問題的應變能力不同

傳統的計算思維沒有涉及關于如何在復雜系統中發生變化的理念，其解決方案往往根據信息的形式或者信息的來源發生變化。傳統的計算思維根據固有的步驟解決問題，從而限制了人們思維的靈活性與創新性。STEM視野下的計算思維通過學科整合，培養學生的學科融通和知識遷移能力，在參與問題解決的過程中培養學生靈活解決問題的能力以及創新力。

4 培養的途徑與方法不同

現在對計算思維的強調更多還是體現在信息技術課程中，計算思維作為人類科學思維中固有的組成部分，早于計算機的出現，所以對計算思維的培養絕不能被限制于信息技術課程中。計算思維的培養應該從全方位出發，與多門學科的知識進行有機融合。與傳統教學相比，在經過教學設計的情境之下學習更容易從能力的提升上升到思維的養成。STEM教育具有跨學科與情境教學的特征，因此在STEM教育中培養計算思維可以取得較好的效果。

四 STEM視野下發展計算思維能力的策略與教學案例

1 STEM視野下培養計算思維能力的策略

STEM教育的教學過程需要計算思維能力的支撐。學生只有具備基本的計算思維能力，才能在STEM教育的教學過程中完成相應的學習任務。同時，在STEM教育的教學過程中也會相應地培養學生的計算思維能力。因此，為了更好地實施STEM教育，需要在STEM教育的教學過程中培養學生的計算思維能力。可以通過以下STEM教學過程中的五個步驟來引導學生找出解決方案（具體流程如圖2所示），每個步驟會在相應程度上鍛煉他們的計算思維能力：

①確定問題。向學生提出一個主題，通過這個主題將他們引入一個問題或一種需要改善的情況。為了使問題更容易解決，可以將問題分解成較小的部分，培養學生的“問題分解”能力。也就是說主要考察：學生能否用自己的語言來解釋問題；學生能否描述如何判斷自己是否成功地解決了問題；學生能否將問題分解成更便于管理的小問題。

②規劃。想象問題的不同解決方案，然后制定一份詳細計劃執行其中一種方案，并確定執行解決方案的步驟。通過發現任務中可能遇到的問題，培養學生的“概括”能力。也就是說主要考察：學生能否列出要編程的操作；學生能否確定要使用的程序；學生能否重新使用部分程序。

③嘗試解決方案。學生需要完成最終的解決方案，在此階段，他們要使用編程語言來激活模型。在學生對自己的想法進行編程的過程中，他們的“算法思維”將得到培養。也就是說主要考察：學生能否將解決方案編寫成一個程序；學生能否利用序列、循環、條件語句等技巧。

④修改。學生要根據程序和模型是否符合成功標準來評估解決方案，并利用自己的評估技能，確定是否需要更換、修改、調整或改善程序的某些部分。也就是說主要考察：學生是否使程序實現了迭代；學生是否修復了程序中的問題；學生能否判斷解決方案是否與問題相關。

⑤交流。學生要向同學展示自己最終的解決方案，并解釋自己的解決方案為何符合成功標準。在解釋解決方案的過程中，學生的抽象化能力和溝通技能將得到培養。也就是說主要考察：學生能否解釋解決方案中最重要的部分；學生是否描述了足夠的細節來使他們的解決方案更易理解；學生能否清楚地說明他們的解決方案為何滿足成功標準。

圖2 STEM視野下培養計算思維的流程圖

2 STEM視野下發展計算思維能力的教學案例

根據以上分析，本研究對STEM視野下發展計算思維能力的教學過程進行了設計。案例選自于高一年級“算法的質疑與拓展”的程序設計研究課中計算思維能力培養部分的教學活動。該案例選擇計算機奇偶校驗模擬軟件設計與制作來詮釋算法，以滲透計算思維訓練，并在算法的質疑與拓展中豐富學生對算法的理解和對技術哲學的思考。

①確定問題。2016年3月9日，“人狗大戰”迎來首輪戰局。經過3個多小時，九段李世石向“阿爾法狗”投子認輸。針對“李世石究竟輸給了誰？算法究竟是什么？計算機是如何工作的？”等問題，本節課的設計圍繞“算法是什么、計算機是如何工作的”的問題與如何培養計算思維兩條線索展開。

②規劃。借助魔術，揭秘計算機檢測錯誤的方法——奇偶校驗法：首先，出示25張整齊排列、黑白兩面的牌，由學生任意翻動牌；然后，增加一行一列，待老師轉身后，學生翻動一張牌；最后，老師找出被翻動的牌。魔術中增加的一行一列和計算機中奇偶校驗位的作用相似，目的是為了將行列黑紙牌數量偶數化，這樣一來，一旦某張牌被翻動，教師便能迅速找出被翻動的紙牌位置。通過揭秘魔術，讓學生了解計算機奇偶校驗的基本原理，為奇偶校驗法模擬軟件進行數學建模和算法描述做鋪墊。

③嘗試解決方案。引導學生用N-S工具描述算法，一行一行、一列一列枚舉，尋找黑色紙牌為奇數的行和列，找到二維矩陣中黑色紙牌為奇數的行列相交點便是要糾錯的數據。其實，循環體部分包含了迭代算法，這也是一種重要的計算思維。設置一個代碼查錯和一行代碼填空，弱化了代碼編寫，旨在引導學生既親歷程序設計的完整過程，又突出本課的重點，引導學生深度思考算法及其工作流程。

④修改。學生能夠使用程序實現該算法，當學生出現問題時，教師通過引導幫助學生解決問題。在此階段，學生要能夠判斷出自己的方案是否符合問題解決的要求。

⑤交流。學生展示成果后，通過描述細節使其解決方案更易被他人理解，能清楚地說明解決方案滿足成功標準的原因，并能輕松理解計算的發展史是算法不斷被質疑、被優化的歷史。

在上述案例中，學生從現實問題產生認知沖突，親歷一個項目從開始到結束的完整過程，理解算法是程序設計的靈魂，阿爾法狗的勝利是算法的勝利、李世石是輸給了一幫人的智慧，從而升級學生對算法的思辨，追問失控的技術所帶來的道德惡果。在解決教學問題的同時，學生的批判性思維能力、深度學習能力與計算思維能力均得到了培養。

五 相關建議

隨著創客教育、STEM教育等新型課堂教學模式的涌現，計算思維的培養模式也面臨著新的發展與變革。本研究認為，STEM視野下計算思維能力的發展可從以下方面著手：

1 全方位出發，多種途徑培養

作為人類科學思維中的組成部分，計算思維的出現早于計算機，雖然需要信息技術課程的專業支持，但是對計算思維的培養決不能被限制于信息技術課程中。STEM視野下計算思維的培養應從全方位出發，結合STEM教育理念，將多門學科的知識有機融合，培養學生解決綜合應用問題的能力，提高學生的創新能力、運用計算思維解決問題的能力。

2 設置教學情境，打破思維局限

培養計算思維時，不能僅通過機械的概念理論教學來實現。與傳統教學相比，情境化的學習更容易從能力的提升上升到思維的養成。STEM視野下培養計算思維需引導學生綜合運用多門學科知識去發現、解決問題，有目的地創設情境，激發情感，培養創造思維，鍛煉適應能力。通過體驗活動，培養學生信息素養和解決實踐應用類問題的能力，鼓勵其學習、探索與創新。

3 多重視角看問題，挖掘問題本質

在信息大爆炸時代，只有認清問題的本質，才能從根本上提高解決問題的效率。STEM視野下發展計算思維時，要讓學生在問題解決過程中從多重視角看問題的本質，全面考慮有關該問題的相關性知識，在解決方案中要多維度進行評估；要注重培養學生的動手實踐能力，使學生在參與的過程中掌握解決問題的方法、發現問題的本質并靈活解決問題。

4 培養知識遷移能力，注重培養創造力

在學生參與問題解決的過程中，要注重培養靈活解決問題的能力，使其能在復雜系統中從容地應對變化。STEM視野下發展計算思維時，要善于突破思維定式，用發散思維修改現有的知識結構，形成新的知識結構，從而有效地接受和靈活運用新知識。通過學科滲透和教學創新培養創造力，運用跨學科知識整合的方式使學生突破學科知識的定式，提高創造性思維水平。

[1]牟琴.“輕游戲”對計算思維能力的培養——教育游戲對程序設計基礎課程教學的影響[J].遠程教育雜志,2011,(6):94-101.

[2]Wing J M. Computational thinking[J]. Communications of the ACM, 2006,(3):33-35.

[3]Hatice Y D, Mustafa S. Analysis of the relation between computational thinking skills and various variables with the structural equation model[J]. Computers & Education,2018,(116):191-202.

[4]任友群,隋豐蔚,李鋒.數字土著何以可能?——也談計算思維進入中小學信息技術教育的必要性和可能性[J].中國電化教育,2016,(1):2-8.

[5]Atlantis Press. From computational thinking to systems thinking: A conceptual toolkit for sustainability computing [OL].

[6]蔣家傅,張嘉敏,孔晶.我國STEM教育生態系統與發展路徑研究——基于美國開展STEM教育經驗的啟示[J].現代教育技術,2017,(12):31-37.

[7]趙慧臣.STEM教育視野下中學生探究學習的設計與實施[J].現代教育技術,2017,(11):26-32.

[8]Selby C, Woollard J. Computational thinking: The developing definition[OL].

[9]奧創STEAM. STEM與計算思維[OL].

[10]李廉.計算思維——概念與挑戰[J].中國大學教學,2012,(1):7-12.

[11]朱珂,楊冰,高晗蕊,等.活動理論指導下的STEM學習活動模型研究[J].現代教育技術,2017,(11):33-38.

[12]中小學信息技術教育.計算思維:編程教育的價值追求[OL].

Research on the Development Strategy of Computational Thinking Ability Under the View of STEM

ZHU Ke JIA Xin-xin

Computational thinking is the thinking activity that occurs when individuals utilize the thinking method of computational science to solve problems, which plays an important role in cultivating students’ innovative thinking and practical ability. However, with the emergence of new classroom teaching models, such as Maker education and STEM education, the cultivation strategy of computational thinking faces new challenges. This paper analyzed the development tendency from computational thinking to system thinking. Meanwhile, the necessity of developing computational thinking ability under the view of STEM was expounded based on the supporting role of computational thinking ability to STEM teaching process, as well as the two advantageous aspects of developing computational thinking in STEM education. The training strategy of computational thinking ability in STEM field was constructed in this paper and further demonstrated with case method. Finally, relevant suggestions were put forward, expecting to provide reference for the cultivation of computational thinking ability under the STEM view.

computational thinking; STEM education; development strategy;Maker education

G40-057

A

1009—8097（2018）12—0115—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.12.017

基金項目：本文受2019年度河南省高校科技創新人才支持計劃（人文社科類）“大規模在線協同學習行為分析及干預機制研究”（項目編號：2019-cx-016）、河南省教育廳2018年人文社會科學研究項目“個人學習空間支持教師專業成長的生態模型及進化機制研究”（項目編號：2018-ZZJH-246）、河南省教育廳2018年度教師教育課程改革研究項目“互聯網+背景下中小學教師專業成長的生態模型及行動路徑研究”（項目編號：2018-JSJYYB-018）資助。

朱珂，副教授，博士，研究方向為教育數據挖掘，郵箱為ezhuke@qq.com。

2018年4月9日

編輯：小西