計算機思維在STEM教育中的實踐與應用

翟文輝

【摘要】本文簡述STEM的概念以及設計思路，以具體設計項目為例，從數據提取、抽象模型、優化算法、模擬編程等方面闡述STEM教育在計算機思維的培養過程的實踐和應用。

【關鍵詞】STEM教育 ?計算機思維 ?實踐應用

【基金項目】甘肅省教育科學規劃課題，課題編號：GS [2018]GHB3026。

【中圖分類號】G633.67 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）08-0244-01

STEM是將在教育中融入多種學習方式，通過項目學習開展多學科的學習內容。計算機思維作為人才核心素養的主要標志，將計算機知識和其他學科展開整合，高效應用STEM提供真實的學習場景，為計算機思維的發展提供空間。

一、STEM教育介紹

（一）概念

STEM是將科學、技術、工程和數學等學科之間有效整合，更加強調不同學科間的互相融合，核心意義以及主要特征就是學科間的跨越。STEM教育是以學科之間的整合為核心，將現實問題加以解決。STEM教育重點是對教學方式與策略的改革，其應用的有效性主要從教學方式的改變、學科整合、學習效率提升等方面入手，以個人視角將此概念生活化。應用STEM教育可促使學生更好地掌握各種跨學科知識，通過交叉學科之間相互協作，構建知識和技能。特別是將其和編程教學之間的融合，可促使學生計算機思維不斷形成，進而提升綜合素養。

（二）設計思路

當前，計算機思維在不同領域內被廣泛應用，逐漸形成了成熟的方法與理論。在計算機方面應用STEM教育可簡化學生的思考過程，優化思維方式，積極轉變學生思考問題的方式，創新知識加工和思考途徑。在工具方法方面，還能向學生呈現出更為完整的工具包，助力學生創新思維的同時，使其對問題展開深入探索，進而提升其計算機思維水平。

二、計算機思維在STEM教育中的實踐與應用

（一）項目概述

本STEM教育項目中，基于水循環知識，探索雨量器的主要作用，通過對具體問題加以分析，設計出草圖，進而展開制作和測試。下面就水循環這一過程展開編程模擬，訓練學生計算機思維。

（二）實踐應用

1.數據提取

使用小組討論方式對“雨水的來源和去向”做出探討，使用思維導圖對相關知識點進行梳理，并為學生播放微視頻“雨水形成過程”，利用網絡搜索各項活動資料，獲取和項目相關的數據，總結出水三種狀態以及水循環需要經歷的三個過程。水分為固態、液態以及氣態。經歷蒸發、凝結、降雨三個過程之后，在海上、海陸、陸內之間形成循環。水循環的主要意義是保障地表水形成動態平衡的狀態，進而保障地球表面熱量的平衡。水循環作為聯系海洋和陸地的重要紐帶，在保持地表形態過程具有重要作用。

2.抽象模型

計算機思維當中，抽象模型屬于常用方法，同時也是計算機教育的重點目標。抽象的過程是將某一特定環節的信息進行簡化，形成集合，將其重要特征加以保留，獲取便捷的計算方式。除了事物特殊屬性以外，對其公共要素以及情境展開提取，和其他事物之間緊密聯系，制定出解決方案。在此項目中，教師可使用可視化思維挖掘知識，顯示出抽象模型。將水三種狀態循環以及自然界中水循環常見形式顯示出來。

3.優化算法

優化算法是按照抽象模型對算法提取，經教師指導后，由學生自主完成實驗內容。使用保鮮膜、保鮮盒、小容器、冰塊、熱水等為實驗材料。將小容器置于保鮮盒的中心位置，使其開口向上，之后向其中注入熱水，保障熱水液面低于容器邊緣，最后使用保鮮膜將保鮮盒和密封，在上方放置冰塊。各個小組觀察實驗現象，之后將報告填寫完整。

4.模擬編程

使用流程圖對水三種狀態循環展開程序模擬。在程序開始時，呈現出水的液態形式。設置升溫和降溫按鈕，然后單擊升溫鈕，這時水溫逐漸升高，當溫度超過100℃之后，變為氣態狀態;之后單擊降溫鈕，水溫不斷降低，當溫度小于0℃時，水變成固態，之后實現編程模擬。應用Scratch進行編程，需要確定不同狀態水的角色，使用循環語句作為腳本，同時使用邏輯、判斷、循環等語句展開判斷。將背景調用之后，利用各種調控按鈕對水溫展開調節，最終完成水循環的模擬過程。

5.實驗結論

在實驗過程，利用STEM教育與計算機編程有效融合，對水循環的整個流程展開實驗，讓學生對實際問題展開探究，通過編程解決實際問題，強化其計算機思維能力。通過程序語言進行人和計算機之間的交流。每個程序都有特定的指令和符號，將這些指令按照相應語法規則重新組合，實現所需功能的程序設計。使用流程圖對程序實現過程加以梳理，模擬出水循環的狀態，最終形成計算機思維[1]。

結束語

總而言之，將STEM教育在計算機教學中有效應用，為編程教學提供了新的發展機遇，利用各種可視化的工具，逐漸培養學習者的計算機思維能力，將隱性知識進行顯示化處理，對真實的場景展開模擬，進一步提升學生思維能力。

參考文獻：

[1]程育艷.在“STEM+項目”中培養學生計算思維的實踐探究[J].基礎教育參考，2018（21）：37-38.