基于編程思維的小學STEAM課程的設計與實施

摘要：本文以校本課程“智能苗圃的制作”為例闡述了基于編程思維的小學STEAM課程的教學分析、具體教學流程，通過實例說明將編程思維融合到STEAM課程中，在項目式學習中提供一種高效的技術手段及思維方式，將更有助于培養學生創造力、運用技術解決現實問題的能力，促進學生的全面發展以及復合型人才的培養。

關鍵詞：編程思維;STEAM課程

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）18-0073-04

STEAM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics），但它并不是五者的簡單組合，而是一種新的教學方式或教學變革，STEAM是注重實踐的超學科教育理念，也是落實核心素養的體現，STEAM課程是讓學生自己動手完成他們感興趣并且和他們生活相關的基于真實情境的項目，從項目探究的過程中學習各種學科以及跨學科的知識。編程思維是指“理解問題—找出路徑”的思維過程，它并不是簡單的編寫程序的方法技巧，而是一種高效的解決問題的工具或思維方式，將編程思維融合到STEAM課程中將更有助于高效地解決問題，有助于培養學生的抽象邏輯思維以及應用技術解決現實問題的能力。

● 基于編程思維的小學STEAM課程教學分析

1.課程目標分析

現代農業正朝著精細化、智能化方向發展，這有利于降低人工成本，削減對抗病蟲害方面的成本，提升農產品的品質。在“智能苗圃的制作”課程中，學生通過學習建設一個智能苗圃，認識各種常見的植物及對植物生長所需要的因素進行分析，利用互動教學軟件圖形化編程軟件與智能苗圃主題包，借助主控板、土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器以及無色透明亞克力板，搭建一套智能苗圃模型，進行智能溫控、智能光控，智能灌溉系統等實驗，學習用編程控制智能苗圃內植物生長條件，從而完成智能化培育植物的任務，加深對植物器官形態、生長條件等方面的理性認識，學習一定的編程思維以及利用編程實現對土壤濕度、空氣溫度、光照強度等生長條件的控制。結合該門課程的主要內容，借鑒李克東教授提出的STEM教學目標的分解方法，將STEAM課程“智能苗圃的制作”的教學目標設計如下。

（1）目標的總體描述

知識與技能目標：①能夠根據工程目標中需要解決的問題繪制流程圖;②能初步利用可視化編程軟件根據流程圖實現功能;③能初步利用主控板及所需傳感器組件結合智能苗圃模型進行優化測試;④能在項目學習過程中掌握所涉及的各學科知識。

過程與方法目標：①通過畫流程圖，培養良好的編程習慣;②通過編寫程序，提高科學思維能力和創新能力;③通過模型的搭建、測試、修正，優化鍛煉動手能力、觀察力和分析能力;④通過參與互動交流和匯報，提升表達能力與合作能力。

情感態度與價值觀目標：①通過學習和制作，培養善于分析、樂于思考的好習慣，培養科學的思維方法;②通過合作探究活動，增強合作意識和探索、創新精神;③通過工程模型的設計和制作，培養新時代“工匠精神”。

（2）STEAM教學目標分項描述

科學知識（S）：了解植物的分類，了解植物受光、溫度、水等生長條件的控制，了解苗圃種植事項。

技術知識（T）：運用編程思維解決實際問題，用可視化編程軟件類似Scratch根據流程圖實現智能光控、溫控、灌溉系統。

工程知識（E）：制訂項目計劃，根據工程目標繪制流程圖，智能苗圃模型的搭建穩固性檢測。

藝術知識（A）：智能苗圃模型的美觀，種植區規劃設計圖的設計。

數學知識（M）：數值的轉換公式，判斷條件的使用，材料價格、性能選擇，傳感器原理。

2.課程學情分析

本課例是校本教材STEAM課程“智能苗圃”活動六的內容，在結合前節課搭建好智能苗圃框架基本模型的基礎上小組合作完成智能苗圃的制作，本課程的學習是在基于云平臺的智慧課室環境下進行，因此對學生的信息素養要求比較高。六年級學生的邏輯思維正逐步從經驗型向理論型發展，觀察能力、記憶能力和想象能力也隨之發展，同時還普遍具有求知欲高、模仿能力強，思維多依賴于具體直觀形象的特點。他們已經具備操作網絡學習空間的基本技能，能夠在教師的指導下完成云平臺中相關資源的下載和工具的使用，有一定的搜索分析資源的能力。另外，他們已經學會用圖形化編程軟件進行簡單的程序編寫，了解了畫流程圖的方法，嘗試過用主控板測試傳感器，初步具備程序編寫并借助傳感器解決常見問題的綜合能力。

3.課程設計分析

教學設計理念：根據所確定的教學目標和教學對象的特點，結合筆者所在學校的智慧教室環境條件，本課程遵循STEAM教育理念、項目式學習理念和創客教育理念，強調基于真實情境項目中的動手實踐和探索喚醒學生與生俱來的創造力潛能，尤其重視對學生解決問題的能力培養，使學生具有將創新觀念轉化為具體成果的能力，對項目的選擇也讓學生更早和更深入地面對和解決現實生活中的問題，使學生具有應對未來挑戰的能力。

教學流程：課程的教學活動主要基于云平臺Aischool，從“課前—課中—課后”進行學習，課前通過在網絡空間探索問題、交流設想、選擇資源進行自主學習，為課中的學習打下基礎，課中由“創設情境，提出問題—分享設計，合作探究—解決問題，模型制作—合作討論，模型優化—展示分享，總結提升”5個環節14個教學活動組成，將編程思維融入課程教學中，讓學生在解決工程問題的過程中動手、動腦，主動參與學習過程，激發學生在團隊協助中相互幫助、相互啟發，共同商討完成學習和工程任務，讓學生實現可持續發展。

課程環境：本節課是在智慧課室環境下授課，通過對學生在網絡學習空間Aischool平臺課前學習的診斷，進行相關微課、文檔、課件、導學案等資源的推送，課中主要技術應用有電子書包平臺、微課、PPT課件、資源包、吉星微錄儀、圖形化編程軟件等，提供給學生網絡資源查找、微課學習、作品實時共享、交流評價、分組研討等學習方式，實現學生自主個性化的學習。

根據上述設計思想，設計“智能苗圃”課程教學結構流程圖，如圖1所示。

● 基于編程思維的小學STEAM課程教學流程

1.課前：探索問題，交流設想

課前學生利用網絡學習空間進行自學，提交作品，交流評價。課前環節實現了學生自主個性化的學習，學生可以相互學習，加深對智能苗圃的認識;教師能了解學情，為課堂開展針對性的學習探究做準備，也能更好地推送資源。

2.課中：創設情境，提出、分析、解決問題

環節1：創設情境，提出問題

教師播放國內外優秀的智能苗圃的微視頻，讓學生談觀后感，激發學生的問題探究興趣，引發學生思考，提出利用技術解決農業遇到的問題的想法，再根據學校真實情境確定項目主題：將學校的農業科普基地打造為智能苗圃。

環節2：分享設計，合作探究

教師展示學習空間點贊高的智能苗圃構想設計圖，讓學生上臺借助一體機展示小組作品，同時讓學生分享智能苗圃設計方案的工程目標，科學教師講解智能苗圃種植注意事項，目的在于利用空間數據推薦優秀作品進行分享，提高學生對智能苗圃的認識，為解決問題打下基礎。

環節3：解決問題，模型制作

本環節是本課的關鍵環節，也是學生運用編程思維解決生活中實際問題的體現，學生在加深對智能苗圃了解的基礎上，通過編程去實現智能苗圃的制作。這一環節，教師布置任務一“制作模型”，并提出任務要求：①根據分工表進行小組分工，佩戴工作證。②根據設計方案，利用教師推送的導學案、微課資源，分工合作完成智能苗圃的制作。③編程完成后進行作品測試，并將調試情況記錄到檢測表中便于及時解決問題。④測試成功后錄視頻上傳到Aischool學習空間存檔，用于觀摩學習。

學生根據任務的要求分工合作編寫程序，搭建電子元件，完善植物分享卡、種植區規劃，完成程序編寫并連接實物模型進行軟、硬件聯合調試，并填寫測試記錄表，完成后將視頻上傳空間。本環節設置了通過推送學習資源輔助解決學生在制作過程中遇到的問題;把作品錄制視頻上傳到空間，方便同伴之間互相學習和評價，也保存了學習的成果，為后續學習提供了方便。本環節的學生活動表如下頁圖2所示。

環節4：合作討論，模型優化

在初步完成模型制作測試的基礎上，教師布置智能苗圃制作任務二“評價作品，合作討論”。教師提出任務要求：觀察學習空間中別的小組作品或實地觀看作品，討論其優點與不足，同時討論自己小組作品需要改進的地方，并將討論結果記錄到智能苗圃討論交流活動表中。學生欣賞作品后，教師引導其進行交流匯報，匯報內容主要包括學生互評及教師點評的結果，如教師引導學生去評價其他小組的優勢與不足，提出的改進建議，以及制作過程中遇到的問題，是怎么解決的，交流匯報后根據小組匯總的解決辦法教師布置任務三“智能苗圃的優化”。本環節設置了優化作品再次上傳空間，開展互動交流和點評，這樣就提高了學習效率，促進了同伴之間的互助互學。

環節5：展示分享，總結提升

學生作品優化完成后，按小組進行匯報展示作品，小組成員按自己的分工匯報各自在項目中的成果，之后利用可視化思維工具PMIQ圖小結學習收獲，提出問題。最后，教師歸納總結，其中包括課程知識點的回顧、智能苗圃制作的步驟是什么、工程項目的實施流程，最后引申到“新時代工匠精神”的重要性。

3.課后：完善創作，拓展提升

課中學習時間有限，通過網絡學習空間能夠打破時間空間的界限，將學習延伸到課外，學生課后有充分的時間去欣賞其他小組上傳的作品，并在空間進行自評與互評，新的想法也可以繼續在空間交流分享，從而深化互動和交流，提高作品的質量，促進可持續的學習。

● 總結

本課程主要以STEAM教育理念、項目式學習教學理念、創客學習理念為指導，將工程活動融入課程，在項目式學習中運用編程思維解決學生生活中的問題，打破學科疆域，實現多學科的融合，通過對學科素養的綜合應用解決實際問題，同時培養綜合性人才。具體表現在：

①技術應用創新。本課程合理應用技術作品共享，互動評價，以項目為主導，用圖形化編程軟件將跨學科知識深度融合，突破教學重難點。另外，創新應用技術開展線上線下教與學，實現教學流程重組，進行教學改革創新。

②能力培養創新。用編程的思維解決生活中的問題，將編程思維融合到STEAM課程中將更有助于高效地解決問題，有助于學生抽象邏輯思維的培養以及應用技術解決現實問題能力的培養。同時注重滲透培養學生的創造力、團隊合作和領導力、動手能力、計劃與執行項目的能力。

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作者簡介：胡蓉，廣東省廣州市越秀區云山小學教師，研究生學歷。