圖形化編程教育與STEAM教育的關系

張晶 秦曾昌

STEAM是指科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）這5個學科的有機結合，幫助學習者發現學科間內在聯系的教育（李雁冰，2016）。STEAM教育可被定義為以解決真實生活中的問題為導向，以科學的概念和原理為基礎，用數學的方法建模與分析，選擇相關的技術通過工程的方法，創造出兼具效用和人文價值的想法或產品的教育（孟延豹，李想，2018）。

圖形化編程是指通過圖形化的電子編程積木拖拽拼接編寫動畫、故事、仿真物理現象等交互性程序，比較適合8～12歲兒童，通常作為正規編程的入門。圖形化編程不僅能教會學生基礎的編程指令及結構，更能創設探究設計的學習空間鼓勵學生表達自我想法，進行創意設計，以及在創作過程中鍛煉邏輯思維和培養問題解決能力。圖形化編程的教學課程線上及線下教學皆有，其中線上教學為主流，具體形式多樣，一般采用45分鐘左右的視頻教學加真人教師輔導作品的模式。

STEAM教育與圖形化編程教育的聯系與區別

圖形化編程教育與STEAM教育共享概念。圖形化編程教育本身即為STEAM教育的一種，是基于科學知識及數理知識，以圖形化編程工具為主要技術手段，以編程產品的設計和開發為目標的過程，本質是以編程技術為核心的多學科的運用。STEAM教育與圖形化編程教育共享培養方式。圖形化編程教學的過程主體有工程設計的思維，即以編程作品的工程設計環節為線索，以產品的設計為導向的過程，而STEAM教育的主要教學方式為基于問題的教學、基于設計的教學及基于項目的教學（史顏君，2017）。也就是說，圖形化編程的常見教學方式也屬于STEAM教學中有代表性的一種。圖形化編程教育的培養目標與STEAM教育培養目標具有一致性。圖形化編程教育能培養學生的協作思維、評判思維、創造性、問題解決能力及算法思維（李幸等，2019），圖形化編程所培養的能力與STEAM教育是高度一致的。

但圖形化編程教育與STEAM教育相比又有其特殊點。

首先，圖形化編程教育雖本質上為多學科的教育，但終究為以編程技術為核心、其他學科為輔助的多學科的學習方式。圖形化編程教育要最大程度地發揮其作用，應豐富編程課程的趣味性及內涵，在編程技術之外，應多以情景化的模擬真實世界的問題出發設計課程，豐富課程中的多學科背景知識，體現人文特色，才能最大程度地發揮圖形化編程教育作為STEAM教育的天然優勢。也就是說圖形化編程教育應以STEAM教育理念為指導，豐富其多學科的內涵。

其次，圖形化編程教育的問題及情境，不一定為真實世界的處境或問題，這與STEAM教育服務于現實生活的特征或有差異。圖形化編程教育主要為8～12歲兒童服務，這個年齡段的兒童想象力豐富但是現實經驗不足，處于皮亞杰的“前運算階段”，不能脫離具體形象進行思維，圖形化編程作為教育工具恰好能給這個年齡段的兒童提供模擬及檢驗現實世界的經驗，以及充分發揮想象力的虛擬場所，有助于孩子的創造力和問題解決能力的培養。同時在考慮到圖形化編程的不受現實世界約束的優點之外，圖形化編程教育也應注意與現實生活結合，與科學規律結合，以科學和現實為準繩，同時考慮與其他線下STEAM教育結合，彌補脫離現實性的不足。

STEAM圖形化編程能力的培養

STEAM教育與圖形化編程教育結合被研究證明可以培養學生的協作思維、批判思維、創造力、問題解決能力及算法思維，并以此為基礎設計了基于工程設計的學習與實踐雙環。基于工程設計的編程學習環，是指學生的6個學習步驟，依次為：定義真實問題情境，學習背景了解問題，用頭腦風暴設計方案，用編程算法構建原型，迭代完善作品，以及對作品進行分享評價。每個學習步驟分別對應6個主要的實踐重點：抽象和分解問題，收集和分析數據，多元化呈現數據，分步推理演算，自動化模擬，以及并行處理。通過這6個實踐步驟，學生的協作思維、批判思維、創造力、問題解決能力及算法思維能得到綜合培養和提高（李幸等，2019）。上述研究主要針對線下圖形化編程教育的教學，但在我國圖形化編程教育多為線上教學，因此上述學習與實踐環都需要在線上教學環境下重新具體考慮其實踐細節，這也是本研究的著力之處，即探討在線上如何實現STEAM圖形化編程教學能力培養體系的落地。

線上圖形化編程課程多為視頻教學加真人教師點評或輔導（教師參與方式，多為點評作品及補充講解知識點），具有無法同時面對面信息溝通討論，以及具有明確的時限（15～45分鐘）等限制性因素，因此通過單純的線上的視頻教學無法覆蓋學習環節的6個步驟，如由于視頻時間有限，“學習背景了解問題”“頭腦風暴設計方案”等都難以在視頻及與教師的溝通中展現，學生也不能進行“收集數據及分析數據”“多元呈現數據”等針對性操作，從而在能力培養上存在缺口。因此考慮通過添加課下作業補充線上教學的不足，通過線上線下聯動補齊學習與實踐的諸環節與步驟，具體體現如表1所示。

如表1，圖形化編程的學習與實踐的6個步驟被拆分為3個環節實施，某些步驟上會搭配多環節綜合實施。如在“學習背景、了解問題”步驟的“收集數據分析數據”實踐步驟，可以放在課下作業中，提供給學生課下拓展的知識和方法。此外，教師在手機移動端能收到學生的編程作品，可及時點評并提出修改及迭代的意見，并將好的作品進行分享展示，促進學生間的相互借鑒和學習，和課下作業一起完成學習環節的“迭代完善改良作品”及“評價反饋分享展示”等步驟，從而形成學習及實踐的良好搭配。

每個學習環節及實踐環節均能有針對性地培養學生的某些能力，由于缺乏線下面對面實時的行為示范及觀察點評反饋等優勢，因此可借鑒班杜拉的社會學習理論，發揮典型行為的示范作用，促進學生的觀察和模仿，在展示視頻中設計每個環節的典型行為的示范與課下作業的模仿練習。具體步驟為：根據能力特性匹配重點思維（行為）根據重點行為歸納最佳思維（行為）模式根據最佳行為匹配能力培養工具（見表2）。

線上圖形化編程教育與STEAM教育結合培養學生跨學科的綜合素養

眾所周知，分科教育存在著分科教育的弊端，面對現在的知識大爆炸，近代以來的分科教育顯然不適合面對未來的教育，但是由于分科教學的便利及STEAM師資培訓及教師隊伍的不足，STEAM教育推行仍舊困難重重。圖形化編程教育作為一門新興的教育成為STEAM教育實施的可行途徑：極度便利的編程平臺工具極大提升了學生動手編程的積極性，激發學生的探索熱情，通過引導讓學生綜合利用多學科知識解決問題，也在分享便利的互聯網時代下實現群體協同創新，充分實現合作學習。

在線圖形化編程教育，離不開多學科的知識。好的編程作品，離不開背后的多學科的支持。如設計一個古代名畫賞鑒的編程作品，在利用編程知識之外，還需要豐富的人文底蘊。STEAM教育就是在孤立的學科中搭建溝通的橋梁，讓學生整合地認識世界，把科學、技術等多學科知識和技能的教學整合到STEAM的教學模式中，使零碎知識的學習變成相互聯系、相互統一的知識系統的學習，因此避免了傳統教學中各學科知識割裂、不利于學生實際問題解決能力培養的弊端，讓學生培養跨學科的綜合素養（葉兆寧，楊元魁，2015）。圖形化編程教育，天然是多學科的教育，為跨學科教育提供了具有天然優勢的平臺，應為多學科而學編程，為編程而學習多學科知識。