基于設計的STEM+C教學對小學生計算思維的影響研究

李幸 張屹 黃靜 張敏 張巖 王玨

摘要：作為一種21世紀核心的復合能力，計算思維逐漸成為當前信息技術教育領域關注的焦點。該文提出基于設計的STEM+C理論框架。該框架以STEM學科內容為核心，以基于設計的教學為基礎，實踐計算思維的基本概念與原則，培養學習者的復合型計算思維能力。該框架強調利用STEM融合計算（Computing）的基于設計的教學法幫助小學生解決模糊、弱構的真實世界的復雜問題。小學生通過學習計算思維的基本概念與操作步驟，將真實的生活情境問題進行抽象與分解，轉換成可視化的計算機語言，在原型的基礎之上迭代調試、不斷完善，制作出解決實際問題的產品。在設計與制作產品的過程中，培養學習者的計算思維能力。該文通過單組前后測實驗，從問題解決能力、創造力、批判思維、算法思維以及協作思維五個計算思維的子維度對武漢市某小學四年級學生的計算思維能力進行調查。研究表明，基于設計的STEM+C教學在問題解決、批判思維、算法思維以及協作思維四個子維度上均提升學生的計算思維能力。該研究詳細闡述和分析了基于設計的STEM+C教學促進計算思維的教學案例，以期為我國小學信息技術學科的研究與教學提供一定的參考。

關鍵詞：計算思維;基于設計的學習;STEM+C;教學理論框架

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

一、引言

2018年1月，我國最新實施的高中信息技術課程標準正式將“計算思維”作為信息技術學科的核心素養[1]。國際教育技術協會（ISTE）于2018年1 1月在學生教育技術標準中明確將計算思維作為K12學習者必不可少的技能之一[2]，2017年《地平線報告（基礎教育版）》指出，計算思維是當今信息社會除閱讀、寫作、計算之外任何公民應熟練掌握的基本技能[3]。由此可見，計算思維對當前高度信息化的智慧時代極其重要，如何培養計算思維成為教育工作者亟需深思的問題。目前我國尚未出臺培養小學生計算思維的國家政策，計算思維往往通過傳統的信息技術課得以培養[4]。而計算思維作為一種解決真實世界開放式弱構復雜問題的能力，是涵蓋算法思維、創造力、批判思維等多元能力的高階應用型技能[5]，傳統的以編程等計算機應用學習為主的信息技術課忽略真實生活情境，不重視技術與其他學科內容的融合，計算思維因而失去其解決真實世界復雜問題的內核價值[6]。STEM教育則是培養計算思維的沃土，Weintrop教授于2016年指出STEM教育與計算思維的互惠關系，指出計算思維在幫助學習者解決真實生活中的復雜問題的同時，習得學科知識與多元能力。計算思維在實踐計算機科學、數學和科學的概念與知識的基礎中互利共生[7]。因此，本研究的核心在于幫助學習者建立與真實問題情境之間的聯系，在實踐中掌握STEM知識的同時，解決開放、模糊、復雜的問題。本研究的另一研究重點是STEM+C理論框架的構建和教學模式的創新，以達成培養小學生計算思維的目的。

二、文獻綜述

（一）計算思維的定義與測評

計算思維的概念眾說紛紜。將學者們對計算思維的定義進行歸納總結，分為三類：第一類是一般性定義，強調其能力屬性與思維活動屬性。計算思維的定義最初由卡梅隆大學計算科學學院的周以真教授提出，她在2006年對計算思維的概念進行界定： “計算思維是通過運用計算機科學中的概念、觀念與思維，結合數學思維與工程思維等多元思維的一種思維活動”[8]。2018年國際教育技術協會（ISTE）提出最新定義，即計算思維是利用計算機科學（CS）的核心原理和實踐來解決模糊、復雜和開放式問題，是利用計算的力量設計解決方案。ISTE同時指出，計算思維作為一種復合型能力，包含協作思維、計算思維、創造力、協作思維、批判性思維以及問題解決能力[9]。總之，一般性定義強調計算思維的復合能力屬性，即計算思維是利用計算機科學的核心原理與實踐，解決模糊、復雜和開放性問題的一種復合型能力。第二類是操作性定義，強調其認知過程性屬性。其操作性定義是在2011年由國際教育技術協會（ISTE）與計算機科學教師協會（CSTA）提出的，共包含六個思維過程：（1）制定問題并能夠利用計算機和其他工具幫助解決該問題;（2）邏輯組織、分析數據;（3）利用抽象重新呈現數據;（4）利用算法思想（一系列有序的步驟）來支持自動化的解決方案;（5）識別、分析并實施可能的解決方案，結合上述提到的步驟和資源，選出最有效的解決方案;（6）將該問題的解決過程推廣遷移到更一般的問題中‘10]。第三類是計算思維的教育與課程定義，強調其概念、實踐與視角屬性。Cynthia Selbv和John Woollard提出計算思維包括算法思維、評估、分解、抽象和概括這五個要素[11]。Brennan與Resnick于2012年提出計算思維框架，將計算思維分成計算概念、計算實踐與計算視角，計算概念有序列、循環、事件、并行、條件、運算與數據;計算實踐分為增量與迭代、測試與調試、重用與再混合、抽象與建模;計算視角則分為表達、連接與質疑[12]。國際教育技術協會（ISTE）則將其分成九大概念，分別為數據收集、數據分析、數據呈現、問題分解、抽象、算法與過程、自動化、模擬與并行處理[13]。綜上所述，計算思維的定義是多元的。在本研究中，從計算思維的教學實踐而言，計算思維是包含數據收集、數據分析、數據呈現、問題分解、抽象、算法與過程、自動化、模擬與并行處理等核心實踐。從學習者的學習結果而言，計算思維是一種復合型能力，是融合協作思維、算法思維、創造力、協作思維、批判性思維以及問題解決能力的一種21世紀新型能力。

計算思維的測評方式較為多元，從復合能力視域而言，主要測評圍繞計算思維所必需的復合能力。可利用自評量表問卷調查的形式測評，Korkmaz、Qakir以及Ozden結合國際教育技術協會（ISTE）發布的計算思維的定義，從創造力（Creativity）、問題解決（Problem Solving）、算法思維（Algorithmic Thinking）、協作思維（CooperativeThinking）、批判思維（Critical Thinking）等五個能力維度測評計算思維能力[14]。研究通過探索性因子分析、驗證性因子分析、項目差異性分析、內部一致性系數和恒定性分析，對量表的效度和信度進行研究。分析結果表明，該量表是一種有效、可靠的測量工具，可測量學生的計算思維能力。

（二）基于設計的STEM+C教學培養計算思維

STEM+C-詞源于2018美國國家科學基金的STEM+C項目，指科學（S）、技術（T）、工程（E）、數學（M）與計算（Computing，C）深度融合的基礎教育項目[15]。STEM+C，是將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）.數學（Mathematics）有機地融為一體，以項目學習、問題解決為導向的組織課程[16]，培養學習者計算思維（ComputationalThinking）。STEM+C跨越了科學、技術、工程、數學、計算機科學等多個學科，在解決復雜開放性問題的同時，實現學科與思維過程的深度融合促進學習者計算思維能力的發展。

眾多研究者們已經意識到構建計算思維的理論框架與教學模式的重要性。Dukeman.Caglar，&Shekhar提出C3STEM框架（Community-situated， Challenge-based， Collaborative LearningEnvironment），利用社區情境、基于挑戰、協作學習環境的理論框架，探究在STEM課程中如何培養學習者的計算思維[17]。其中，基于設計的學習模式受到了研究者的普遍關注。基于設計的學習（Design-based Learning，又稱為DBL），由喬治亞技術學院Kolodner教授在2007年首次提出[18]。Kolodner教授提出基于設計的雙環結構，通過基于設計的學習促進科學探究能力的培養。Fortus教授則于2014年提出了一種單環迭代的基于設計的教學模式，即基于設計的科學環（Design-based Science，縮寫DBS），該模式共分為五步，（1）鑒別與定義情境;（2）背景研究;（3）開發個人與集體觀念;（4）構建產品;（5）反饋[19]，此后，隨著信息技術的迅猛發展，更多學者強調利用基于設計的學習將STEM學科進行深度融合。2015年，Ikseon Choi教授團隊開發了系列STEM+C課程，該課程結合交通問題、水資源問題等真實的科學問題，探究基于設計的學習模式，開展培養小學生計算思維的實證研究[20]。

基于設計的學習對真實世界的問題解決能力、批判思維、創造力、協作思維均有顯著的提升作用[21]。學習者設計產品的過程，以及設計編程的過程，都是一種頭腦建構新的關系與新的組合的過程，最終創造出新的觀念與產品[22]。學習者在數據收集與分析過程中，不斷形成與評估信息，通過質疑，分析、評估事物最終形成想法[23]，最終建構自己的知識，培養批判思維。在其后的編程、調試與修補程序的過程中，則對程序反復進行思考“是怎樣”以及“為什么”，最終解決問題。盡管基于設計的學習在不同文獻中對不同的能力提升均得以證實，但其學習效果測評往往聚焦于單個思維能力測評，對計算思維這種復合思維能力的效果測評的實證研究還相對不足[24]。同時，基于設計的學習模式結合不同的學科內容往往有不同的設計策略，而融合STEM+C的基于設計的教學模式與策略研究還有待加強[25]。

毋庸置疑，培養計算思維已成為信息化時代的發展趨勢，目前我國培養小學生計算思維的教育還處于萌芽狀態，但如何培養計算思維，如何創新計算思維的教學模式是擺在當前教育研究者面前的首要問題[26]。基于此前在實驗學校三年的相關研究工作，筆者團隊提出基于設計的STEM+C理論框架。研究問題包含以下方面：基于設計的STEM+C理論框架和教學模式是怎樣的？基于該模式的實踐教學是否引起學習者的復合計算思維能力的變化？如有變化，教學變化給我們帶來了哪些啟發？

三、基于設計的STEM+C理論框架

基于設計的STEM+C理論框架依托于合作小學STEM課程的開發，是本研究團隊之前開發的STEM框架的進一步發展[27]。如圖1所示，該框架以基于STEM+C的內容作為目標核心，左邊區域為基于設計的學習雙環，左上環為學習環，以教師指導、學生自主協作學習為主;左下環為實踐環，即學習者在學習的過程中進行的實踐環節。左上環以DavidFortus提出的基于設計的教學流程作為理論依據，左下環以美國國際教育技術協會（ISTE）提出的計算思維九大概念作為計算思維實踐的核心內容，最終培養學習者的復合型計算思維能力。

圖1中左邊區域為基于設計的學習實踐雙環，將基于設計的學習與計算思維實踐縱向深度融合。該學習實踐雙環具有以下特征：（1）左上環是學習者學習的過程。實施按六個核心要素依次實施，并迭代循環。即：定義與鑒定真實的情境問題，學習相關背景知識，通過頭腦風暴設計解決問題的方案，通過算法編程構建原型，迭代完善產品，評價反饋與分享展示;（2）左下環是計算思維的實踐過程。即依次開展“問題分解與抽象，數據收集與分析，數據的呈現，分布演算，自動化與模擬，并行處理”等計算思維的實踐活動;（3）上下環一一對應，將計算思維的實踐重組優化，融會貫通到基于設計的學習過程中。學習者在定義真實的問題情境中，將科學、數學、計算機編程知識與真實世界的問題解決進行整合。學習者在設計制作產品的過程中，進行計算思維實踐，明確真實社會情境、多學科知識與計算機編程之間的聯通關系。在算法編程的過程中，將真實世界的問題進行分解與抽象，轉換成計算機可視化語言。在迭代設計與改進的過程中，實現自動化與模擬，將計算機可視化語言轉換成現實世界的問題解決。

如圖1所示右邊區域為學習結果環，學習者習得STEM學科內容，培養復合型計算思維能力。STEM教育融合計算思維是未來STEM+C課程設計的一種趨勢。Wilensky et al，Sengupta et al.以及Weintrop et al均指出計算思維與STEM教育融合的優勢。歸納可分為三點：（1）兩者共享概念。計算思維（CT）本身即融合計算機科學、科學以及數學的基本概念和實踐。它包括概念和實踐，例如問題呈現、抽象、分解、模擬等。這些概念也是發展科學和數學學科專業知識的核心[28];（2）兩者互惠共生。運用計算思維可豐富數學和科學概念的學習與演練，而運用數學和科學的語境可進一步豐富計算思維的學習[29]。（3）兩者共創意義情境。計算思維的概念與其他STEM內容領域相結合，可共同營造有意義的現實情境，提供真實的學習經驗，同時促進學習者知識的融會貫通[30];因而將計算思維融入到學科共性概念和實踐中，創設以科學和真實問題情境，以工程設計與程序設計為STEM內容的整合器和計算思維的催化劑，實現學科與學科內容的跨越，從而培養計算思維。

框架的核心為將計算思維的實踐融合到基于設計的學習中，利用學習與實踐的過程，培養學習者的計算思維復合能力，即融合問題解決能力、批判思維、創造力、協作學習能力以及算法能力的復合能力。能力的培養體現在學習過程中，定義與鑒定情境問題，對應問題分解與抽象，是問題解決的核心部分;收集信息、獲取知識的過程是甄別信息，綜合分析信息的過程，是批判思維的重要部分;頭腦風暴，設計產品方案，在呈現數據的過程展現學習者的創造力;其后，將真實世界中的設計轉換成編程，通過編程的算法過程實現開發產品的原型，培養學習者的算法思維;通過迭代測試與修補，迭代完善產品，在該過程中體現學習者的設計思維;最終學習者通過反饋，分享成果，體現協作思維。整個過程則是解決復雜真實世界問題的能力，即計算思維能力。

四、基于設計的STEM+C課程《智慧小燈》教學設計與實施

基于設計的STEM+C課程共有五單元，分別為會說話的機器人、智能小燈，植物笑臉、風能發電和智能交通。這里以“智慧小燈”為例進行介紹。

（一）內容與能力目標分析

內容方面以STEM+C學科內容與計算思維實踐內容為主。STEM+C學科內容方面主要依托科學（S）、技術（T）、工程（E）、數學（M）、計算機編程以及計算思維實踐（C）等內容。科學學科主要學習科學概念知識，了解電阻、電流、回路以及傳感器;技術上主要了解信息化工具，如何利用云平臺檢索軟件分享作品等;工程方面主要了解工程制作的標準制定，例如了解智慧小燈的材料、標準與功能;數學學科主要了解數學概念與建模，例如加減運算、計量單位的概念，以及繪制設計圖等;計算機編程方面主要了解編程概念，了解順序、循環、并行、事件、條件、運算符等。計算思維實踐是過程性實踐，包括將智慧小燈問題進行分解抽象、收集與分析智慧小燈類型與功能數據，利用設計圖呈現智慧小燈的類型與功能數據、使用計算機算法實現智能小燈自動化開關變亮變暗以及小組并行分工協作，制作出智能小燈產品。

能力目標方面以計算思維復合能力為核心，包括培養學生解決復雜問題的能力，解決生活中自動化開關燈、調節燈的明暗、聲音控制燈等真實復雜問題的能力;培養學生批判思維，通過推理和分析，調試數值，最終達到調節燈的明暗與控制燈的開關等功能;培養學生算法思維，通過設置一系列的循環語句、事件語句以及條件語句等，最終實現燈的智能功能;培養學生創造力，創造多元智能燈的觀念與設計圖;培養學生協作思維，通過組織、協調、分工以及相互反饋幫助，共同完成智慧小燈的制作。

（二）教學設計與實施

“計算思維實踐”和“基于設計的學習”兩個過程的一一對應是本研究中基于設計的STEM+C理論框架強調的重點之一，此外還著重利用主題打破不同學科間的壁壘。在基于設計的STEM+C理論框架指導下，開展學習活動。教學設計與實施過程如下頁圖2所示。

該教學在武漢經濟技術開發區實驗小學四年級實施應用，課堂以翻轉課堂的形式實施。

1.鑒定、理解問題情境，初步形成問題解決的能力

問題解決的基本步驟為“理解問題、設計計劃、實施計劃與回顧計劃”。計算思維的本質即是利用計算機解決真實世界的復雜、弱構的問題。形成解決問題能力的基礎是理解問題。理解復雜問題的思維步驟為對問題進行細化與深化，能對復雜問題進行抽象與分解，學習者按照計劃分步實施解決方案，逐步通過計算機編程解決復雜的真實世界問題。

具體實施：教師設定“智慧家居”的情境，將“什么是智慧家居”的問題，分解為“什么是智慧家居中的智慧燈具”，聚焦“智慧家居中的智慧小燈”。本單元學習環境設置為在線學習課程。學生登錄在線課程。該單元首先介紹真實的問題情境“智能家居在身邊”，隨后，老師為學生設計各種各樣的情境和相關問題。例如，老師給學生展示了許多真實世界的圖片以及相應的問題。 “智慧家居最近在我們的日常生活中很普遍。智慧家居的基本特征是什么？”“如果奶奶年紀大了，走到燈的開關旁不太方便，你可以幫她設計一個智慧燈，不用走過去就可以控制燈的開關嗎？”。在這一過程中，教師通過設置問題支架，幫助學生理解將真實世界的問題抽象成“燈的調控問題”，并將燈的調控問題分解成設計問題、計算機編程問題、物理聯通問題等問題，逐步幫助學生深入理解問題，初步形成問題解決能力。

2.學習與收集相關知識，分析、評價并建構知識體系，初步形成批判思維

批判思維的核心是“審視問題、推斷假設、收集證據、分析推理、解釋評價”，該步驟主要實踐“審視問題，推斷假設與收集證據”。

具體實施：該單元圍繞“如何設計與制作智慧小燈”的問題隋境，介紹與之相關的知識。如背景知識： “物聯網”“智能家居”，設計制作材料相關知識： “電子傳感器” “聲傳感器” “光傳感器”的概念，Scratch編程相關知識：事件、控制、運算等腳本，if...else，while等語句。對該知識內容通過不同的方式呈現，例如，學生觀看“物聯網”視頻，了解如何用現代技術連接事物。新概念通常由視頻、動畫、圖像和其他一些選定的材料來呈現。學生觀看視頻后，對在第一階段提出的問題進行審視，并通過回答問題的過程中建構假設，例如“聲音高于某個值或者低于某個值，燈會變亮或者變暗”，并完善“智慧小燈”的基本功能假設，收集證據，為創設智慧小燈的設計圖與制作智慧小燈做準備。

3.開展頭腦風暴，設計產品，促進創造力

創造力是制作集美學、藝術性或功能性為一體的產品的過程。學生在設計智能小燈的過程中，開發基于自己經驗與想象力的設計圖，并且可以根據自己的想象力創造新的元素，添加新的功能。學生在設計的過程中，積極進行對我表達，應用自身的思維以及想象力，設計集功能與美學為一體智能小燈。

具體實施：在背景知識學習后，如圖3所示，學生小組合作設計屬于自己的智慧小燈。學生在課堂上向配對同伴同學展示他的設計或解決方案。然后他和同伴合作決定他們更喜歡兩個建議的解決方案中的哪一個，或者兩個同伴決定以某種方式組合解決方案，并對完成的設計圖打分評估。小組成員共同完成課前自主學習單，該任務單由四個問題組成，為學生根據自己的想象力創造新的元素提供腳手架。 “我們的日常生活中有什么樣的常規智能燈？他們有什么特點？”;第二個問題是寫出在學習背景知識后，通過評價與分析產生的問題;第三個問題為核心問題，設計智慧小燈并寫出智慧小燈的功能和設計目的， “您想為您的智慧小屋設計什么樣的小燈？”寫下你設計的智慧小燈的功能和特點;第四個問題是進一步將設計中存在的問題呈現。

4.聯通物理與信息世界，利用Scratch構建原型，促進算法思維培養

算法思維包括對功能分析、數據組織、算法以及程序進行一般化以及參數化的過程。學生在編程的過程中，利用流程圖或者思維導圖畫出一系列有序步驟達到最終解決問題的目的。

具體實施：學生將傳感器聯通小燈，利用傳感器上的USB接口聯通計算機，利用Scratch編程實現智慧小燈的基本功能，將現實世界的問題轉換為計算機語言。利用算法思維，遵循一定的步驟開展編程實現智慧小燈三種基本功能，即光控、聲控以及滑竿控智慧小燈。應用if..else語-句創建條件，允許agent按照指令執行（例如，如果光傳感器值<（某值），則設置電機轉速（某值））。學習者按照一定的順序組織程序以及其中的算法，例如，if- else語句遵循邏輯路徑，當電位器傳感器值>（某值），則設置電機轉速（某值），否則設置電機停止。學習者利用可視化Scratch編程，構建基本的光控、聲控、滑竿控三種智慧小燈。光控小燈的編程代碼如圖3所示。

5.迭代測試智慧小燈，完善產品，培養學習者批判思維

批判思維的核心是“審視問題、推斷假設、收集證據、分析推理、解釋評價”，前期已經實踐了“審視問題，推斷假設與收集證據”。在這一階段，學生更注重“分析推理與解釋評價”。學生在測試與調試程序的時候，不斷的修正自己的假設，分析評估可能的解決方案。在測試智能小燈的時候，學生假設不同情境下的燈是否可以實現其功能，并反復測試修正、評估和審視自己的假設，分析推理出最優的答案，并解釋評價。

具體實施：學習者確保程序是否可以實現智慧小燈的基本功能，即利用光線傳感器是否可以實現不同程度的光可控制打開馬達，從而打開燈;是否可以滑動滑竿，滑桿滑動到什么程度可以實現開燈以及燈的亮暗功能，以及利用聲音實現開關燈的功能等。學生通過分析程序，以及分析傳感器的測量值不斷調試程序。在調試程序的過程中，學生也不斷的評估分析數值的內涵與意義，提升批判思維。在反復迭代測試的過程中，提升設計思維。同時，在評估分析數值的過程中，也是對數學數值大小概念的深化。在推測數值意義的同時，也加深了對科學概念電流、電阻、環路的理解。學生可以反復通過觀察傳感器的反應來反復調整和測試數值。

6.分享與評價產品，在交流過程中，提升協作思維

協作學習的形式多元，可通過分工協作完成共同的設計主題，結成伙伴關系對問題進行討論協商，以及同伴之間提供評價反饋從而提供思路與靈感等方式開展協作學習，從而提升協作思維。

具體實施：學生以小組為單位，協作設計制作以Scratch編程聯結傳感器從而聯結真實世界為重點的智慧作品。在分享與展示的過程中，學生將自身的需求、對生活的觀察、審美以及對多元學科知識和計算思維的實踐融入到智慧小燈設計圖、Scratch程序以及結合審美與功能為一體的智慧小燈中，學生在整個過程中分工協作共同完成智慧小燈的設計、并對智慧小燈的功能與程序設計進行協商討論，并與同伴評價智慧小燈產品。在多元協作中，提升協作思維。

五、基于設計的STEM+C教學效果測評

（一）研究對象

本研究的研究對象為武漢某小學四年級參與該課程的46名小學生，其中男生22人.女生24人。選用自陳式《計算思維能力量表》為測量工具，采用單組前后測實驗設計探討基于設計的STEM+C教學對學生計算思維能力的影響。 （二）測量工具 問卷改編自Ozgen Korkmaz開發的計算思維量表（Computational Thinking Scale，CTSy31J。該問卷從創造力（Creativity）、批判思維（Critical Thinking）、問題解決（Ptoblem Solving）、算法思維（Algorithmic Thinking）、協作思維（Cooperative Thinking）五個子維度調查學習者的計算思維復合能力。每個維度分別有7、6、4、5、5道題，共27道題目，Korkmaz通過探索性因子分析、驗證性因子分析以及項目研究等進行分析，內部一致性系數高，穩定性分析可靠。問卷采用李克特五級量表。對問卷進行翻譯和本土化后，對信度進行測量。創造力、算法思維、問題解決、協作思維和批判思維五個維度上Cronbach的Alpha值分別為0.85、0.86、0.82、0.80、0.72。該研究中五個維度Cronbach的Alpha均在0.7以上，表明該問卷具有較好的信度。學生在學習智慧小燈為主要內容的三個單元的STEM+C課程前后分別填寫計算思維前測問卷和計算思維后測問卷。

（三）數據分析

對STEM+C課程前后分發的問卷回收并進行數據分析，數據分析的結果如下：

1.經過基于設計的STEM+C學習后，學生的計算思維能力在創造力、算法思維、協作思維、批判性思維以及問題解決維度上均值均有提升。如圖4所示。

圖4顯示，學生整體計算思維能力本身就較高，創造力、算法思維、協作思維、批判性思維以及問題解決維度上均值分別為3.99，4.27，3.60，3.92以及4.08，可能由于該小學近三年來開設多元社團課、機器人課程以及創客課程等。在開展STEM+C課程后，學生在創造力、算法思維、協作思維、批判性思維以及問題解決維度上有不同程度的提升。可見，STEM+C課程的學習促進學習者創造的能力、按照步驟有序解決問題的能力、協作解決問題的能力以及辨證看待問題，批判性分析評估問題的能力。

2.經過基于設計的STEM+C學習后，學生在算法思維、協作思維、批判思維以及問題解決維度四個維度上存在顯著性差異，在創造力維度上無顯著性差異，同時，在協作思維維度上效應量較小。數據結果如下表所示。

本研究對小學四年級學生在學習前后的計算思維能力進行配對樣本t檢驗，結果表明：在經過“智慧小燈”課程學習后，學生的計算思維在算法思維、協作學習、批判思維、以及問題解決維度上有所提升。在算法維度上，學生具有更強的算法能力感知“我相信我可以很容易的找到數字之間的關系”（m前測=4.27，m后測=4.56.t=-2.62）。學生在調試錯誤的過程中，不斷審視可能的問題，做出假設，大膽嘗試，不斷推理與分析，提出不同的解決方案，并在多個可能的解決方案中尋找最優方案或準確的解決措施，在這一過程中，培養批判思維。例如，在調試程序環節，C同學說道“寫程序的時候，我想要的燈是一個天黑了就可以亮的燈，所以我要知道哪個值是表示天黑。我猜可能是30”。從協作思維維度來看，學生的協作學習能力感知得到增強，認為“我喜歡和我的小組伙伴一起體驗合作學習”“我喜歡在合作學習中與伙伴們一起解決問題”（m前測=3.60，m后測=3 .93.t=-2.18）。在批判思維的維度上，學生批判思維顯著提升， “我在做出決定時，會對幾個選擇進行比較篩選”顯著增加（m刖測=3.92，m后測=4.30，t=-2.11）。在問題解決維度上，學生的問題解決能力的感知顯著增加（m前測=4.08，m后測=4.39，t=-3.73）。學生積極解決真實生活問題的行為貫穿始終。

另外，研究者趨于認為合理使用假設顯著性檢驗，輔以效應量，能改進評估結果[32]。心理學家Ferguson于2009年提出，效應量小、中、大的標準分別為0.04、0.25、0.64[33]。一般社會科學類研究，效應量中等及以上為佳。從效應量大小來看，創造力、算法思維、批判思維以及問題解決方面效應量中等，而協作思維方面效應量較小，協作思維的培養方式有待改進。

六、總結與思考

筆者所在團隊構建了基于設計的STEM+C理論框架與教學模式，實施教學活動并開展實證研究驗證其效果。該教學著重利用真實的問題情境，將現實問題進行抽象與分解，學生設計真實世界的產品以及虛擬世界的產品內核，將真實世界產品內核用可視化的計算機語言表征，制作出原型的基礎上，利用迭代調試不斷完善制作出解決多元實際問題的產品。在設計與制作產品的過程中，學習者習得知識概念以及培養復合型計算思維能力。研究采用單組前后測準實驗研究法，從問題解決能力、創造力、批判思維、算法思維以及協作思維五個計算思維的子維度調查武漢經濟技術開發區實驗小學四年級學生的計算思維能力。研究表明，基于設計的STEM+C教學在問題解決、批判思維、算法思維以及協作思維四個子維度上均提升，在創造力上沒有顯著差異，在協作思維上效應量較小。該教學案例有值得借鑒與反思的地方。

（一）設計螺旋式深入的真實、模糊、復雜和開放的問題情境，為問題解決能力的提高提供溫床

在本研究中，問題解決相對而言是提升較為顯著的子維度。在教學實施過程中，真實的問題情境給學生更多臨場體驗，同時，開放、復雜的問題將STEM學科內容有效串聯，模糊、弱構的問題則適合將問題迭代優化，從而形成有機整體。問題對于STEM教學設計與實施效果具有重要影響[34]。STEM+C教學模式的第一步即核心是設計情境問題，將其作為切入點，融合STEM學科內容，提出多維度的任務單。真實、復雜開放的問題融入培養學生思維過程的任務單，學生在教師的指導下完成問題的抽象與分解，采集與分析，可視化呈現數據，利用計算機編程制作雛形，迭代改善，最終形成解決復雜開放問題的能力。

（二）探究多元教學策略，搭建靈活的腳手架，改進培養協作思維和創造思維的方式

在本研究中，創造力是無顯著性差異的子維度。究其原因，在教學策略與腳手架搭建上缺乏一定的靈活性。靈活的腳手架創設則是為科學孕育提供溫床，例如，在問題情境設置的過程中，設置更為靈活、多元的問題情境，給予學生靈活的創造空間;在設計過程中，引導學習者繪畫思維導圖、流程圖、設計圖等多種形式的模式圖，幫助學習者開展更多創造多元作品的機會，這與不少學者認為應當注重培養學生綜合運用多種思維工具解決問題的想法不謀而合[35];同時，協作思維的效應量較小。在協作學習過程中，依然存在同伴“搭便車”，成員有爭執時缺乏溝通技巧等問題，盡管在教學過程中采用了一對一同伴協作，頭腦風暴、同伴互評等協作學習策略，但在搭建腳手架方面可能還存在不足，例如，協作學習任務單的設定上有待斟酌，不斷改進協作學習的策略與方式還任重道遠。

本研究依托項目組與武漢經濟技術開發區實驗小學開展合作項目，該項目開展STEM+C教學促進學生計算思維能力的轉變，以期促進學生二十一世紀核心能力的培養。但是該研究還存在一定的不足，關于課程的前期設計和現實條件下教師的實施還有待進一步完善。對構建的框架的適用度還需結合不同的主題開展更廣泛的研究。本研究僅通過單組前后測進行了效果的驗證，未來還將采用更嚴謹的實驗設計方案。

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作者簡介：

李幸：在讀博士，研究方向為SrEM教育、計算思維、智慧教育、數字化教學設計（lixing1130@mails.cmu.edu.m）。

張屹：教授，博士，博士生導師，研究方向為移動學習與智慧教育、STEM教育、教育信息化技術標準、教育信息化測評與發展戰略（zhangyi@mai1.ccnu.edu.cn）。