STAEM教育理念下的Scratch創(chuàng)意編程課程教學(xué)設(shè)計

林素芳 張錦燕 馬夢怡 李新暉

摘 ?要：STEAM教育的顯著特征之一就是跨學(xué)科教學(xué)，而編程教育則為跨學(xué)科融合教學(xué)提供了有效途徑。文章基于STEAM教育理念，以Scratch編程為手段，將Scratch與語文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、音樂、歷史等學(xué)科進行了有效融合，設(shè)計了針對小學(xué)4到6年級學(xué)生的創(chuàng)意編程課程，以提升學(xué)生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新思維能力。該文以《草船借箭》一課為例，以項目式學(xué)習(xí)的方式展開實際課堂的教學(xué)設(shè)計，充分發(fā)揮了Scratch跨學(xué)科教學(xué)的內(nèi)在優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;編程教育;Scratch編程;項目式學(xué)習(xí);核心素養(yǎng)

中圖分類號：TP311;G434 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編碼：2096-4706（20210）13-0188-05

Scratch Creative Programming Course Teaching Design Under the STEAM Education Idea

—Take To Borrow Arrows with Thatched Boats as an Example

LIN Sufang， ZHANG Jinyan， MA Mengyi， LI Xinhui

（Foshan University， Foshan 528225， China）

Abstract： One of the salient features of STEAM education is interdisciplinary teaching， and programming education provides an effective way for interdisciplinary integrated teaching. Based on the STEAM education concept， this paper uses Scratch programming as a means to effectively integrate Scratch with subjects such as language， mathematics， art， music， history， etc. This paper designs a creative programming course for students in grades 4 to 6 in elementary school to enhance the core literacy and creative thinking ability of students. This paper takes the lesson of“To Borrow Arrows with Thatched Boats” as an example to develop the teaching design of the actual classroom in the way of project-based learning， which gives full play to the inherent advantages of Scratch interdisciplinary teaching.

Keywords： STEAM education; programming education; Scratch programming; project-based learning; core literacy

0 ?引 ?言

數(shù)字化的快速發(fā)展迎來了人工智能時代的到來，隨著人工智能技術(shù)與教育融合的不斷深化，人類的知識和教育正在被重新定義，傳統(tǒng)的教育理念、教育模式、管理模式、治理體系，乃至整個教育生態(tài)都在發(fā)生深刻的變化[1]。國務(wù)院在2017年7月發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的通知中要求“廣泛開展人工智能科普活動，在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”[2]。

任友群教授認(rèn)為：從學(xué)習(xí)知識技能到培育運用跨學(xué)科知識解決實際問題的能力，是信息技術(shù)課程發(fā)展的趨勢[3]。因此在基礎(chǔ)教育階段，教師不僅要傳授給學(xué)生基礎(chǔ)文化知識，還要善于運用跨學(xué)科來優(yōu)化信息技術(shù)課程，提升教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，教師也應(yīng)注重對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，編程教育便成了跨學(xué)科教學(xué)改革的一大發(fā)展方向。編程教育如何與實際的教學(xué)情況相結(jié)合、怎樣通過編程教育培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和解決實際問題的能力，以及如何進一步發(fā)揮編程教育的育人價值，是目前中小學(xué)編程教育面臨的三大挑戰(zhàn)[4]。

Scratch編程與多學(xué)科融合的教學(xué)是基于STEAM教育理念的小學(xué)階段跨學(xué)科教學(xué)中非常有意義的一項嘗試。筆者通過Scratch創(chuàng)意編程設(shè)計與語文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、音樂、歷史等學(xué)科的融合，切實感受到在實踐教學(xué)中能夠鍛煉學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力，還能進一步提升其核心素養(yǎng)。

1 ?相關(guān)概念及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 ?STEAM教育

STEAM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡稱，最早是由美國學(xué)者Yakman提出的。國內(nèi)余勝泉等學(xué)者認(rèn)為：STEAM 教育以真實問題為切入點，通過多學(xué)科整合，注重過程和實踐，倡導(dǎo)“做中學(xué)”，強調(diào)創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)[5]。

STEAM教育，在國外多集中于歐美等發(fā)達(dá)國家，以美國為例，他們建立了專門的STEAM中學(xué)（例如布朗斯科學(xué)高中），重點培養(yǎng)未來在科學(xué)、技術(shù)、工程領(lǐng)域發(fā)展的學(xué)生[6]。在國內(nèi)，編程類、媒體制作類軟件的應(yīng)用在中小學(xué)STEAM教育中得到了廣泛的應(yīng)用，多以綜合實踐課程、信息技術(shù)課程及通用技術(shù)課程為主[7]。

1.2 ?Scratch編程

Scratch編程是美國麻省理工學(xué)院（MIT）針對兒童以及青少年設(shè)計研發(fā)的一款圖形化編程軟件。Scratch不同于傳統(tǒng)語言類的編程，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)者無須考慮復(fù)雜的語法規(guī)則，只需拖拽積木便能進行程序編寫，易于學(xué)生完成作品設(shè)計。Scratch編程軟件摒棄了晦澀難懂的代碼編程的學(xué)習(xí)，更加注重學(xué)生是否掌握編程設(shè)計的基本流程和內(nèi)在邏輯。

在國內(nèi)，北京景山中學(xué)的吳俊杰老師、浙江溫州中學(xué)的謝作如老師以及華中科技大學(xué)附屬小學(xué)的毛愛萍老師等一線教學(xué)名師在Scratch編程課程的研發(fā)中都做了試驗并在實際課堂中取得卓有成效的發(fā)展。

1.3 ?如何將Scratch編程應(yīng)用于跨學(xué)科教學(xué)

STEAM教育特別強調(diào)學(xué)科之間的深度融合，因此在Scratch編程教學(xué)中也應(yīng)當(dāng)將STEAM教育理念融入教學(xué)實踐中。在開展Scratch編程教學(xué)時，宜采用項目式學(xué)習(xí)（PBL）的模式，使學(xué)生面向真實問題，結(jié)合語文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、音樂、歷史等不同學(xué)科，在游戲化或場景化的Scratch編程設(shè)計中體會“做中學(xué)，玩中學(xué)”的過程，增強學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性，提升學(xué)生的深度學(xué)習(xí)能力。Scratch編程在STEAM教育中的跨學(xué)科應(yīng)用的具體體現(xiàn)如圖1所示。

“科學(xué)”是指運用Scratch進行項目設(shè)計時，可以體現(xiàn)程序內(nèi)在的科學(xué)性、明確科學(xué)問題、展現(xiàn)科學(xué)探索的過程、數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用等，例如：在《草船借箭》作品創(chuàng)作中，學(xué)生可以從中掌握氣象科學(xué)、心理科學(xué)等方面的知識。在編程的過程能夠顯著提升學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力，設(shè)計和編寫程序的過程就是學(xué)生“技術(shù)”學(xué)習(xí)的過程，能夠利用Scratch中各個指令模塊的邏輯原理來完成項目作品的模塊化制作。“工程”在項目式學(xué)習(xí)中體現(xiàn)為分工協(xié)作，類比軟件工程中的模塊化設(shè)計，從而實現(xiàn)STEAM教育中的“工程”思維。“藝術(shù)”是指學(xué)生在學(xué)習(xí)Scratch舞臺以及角色設(shè)計時能夠發(fā)揮自己想象力和創(chuàng)造力，為自己的作品增添色彩。“數(shù)學(xué)”則是指學(xué)生能夠利用數(shù)學(xué)的編程邏輯來思考Scratch編程問題，通過數(shù)學(xué)原理來解決實際問題。

2 ?STAEM教育理念下Scratch創(chuàng)意編程課程的設(shè)計

本文基于STEAM教育理念，針對小學(xué)4到6年級學(xué)生的身心特征設(shè)計了Scratch創(chuàng)意編程課程。本課程以杜威的做中學(xué)理論、具身認(rèn)知理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論等為主要理論依據(jù)研發(fā)設(shè)計的，課程依托Scratch3.0平臺來進行教學(xué)，共設(shè)有六大模塊，包含十五個課時及一節(jié)項目設(shè)計課。課程的實施將跨學(xué)科的理念融入編程教學(xué)中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)Scratch創(chuàng)意編程的同時也體會到不同學(xué)科的學(xué)習(xí)所帶來的樂趣。STEAM教育理念下的Scratch創(chuàng)意編程課程模塊如表1所示。

3 ?Scratch創(chuàng)意編程教學(xué)設(shè)計——以《草船借箭》為例

3.1 ?學(xué)習(xí)者特征分析

本次的Scratch創(chuàng)意編程課程的教學(xué)對象是小學(xué)4到6年級的學(xué)生。這個階段的學(xué)生的年齡段大概在10到12歲之間，他們處于皮亞杰所提出的具體運算階段，這一階段的學(xué)生在思維上的主要特征是：面對問題時能夠遵循邏輯法則推理思維，但此推理思維能力只限于眼前的具體情境或熟悉的經(jīng)驗。因此針對這個年齡階段的學(xué)生在進行教學(xué)時要特別注重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，需要融合適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 ?教學(xué)目標(biāo)分析

從傳統(tǒng)的“雙基”“三維目標(biāo)觀”到如今著重強調(diào)的“核心素養(yǎng)”教學(xué)觀，教學(xué)目標(biāo)發(fā)展的歷程與革新的方向越來越貼近學(xué)生的實際發(fā)展?fàn)顩r，體現(xiàn)出其更加注重學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。同時，教師在細(xì)化教學(xué)任務(wù)、分解教學(xué)目標(biāo)的過程中要始終遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。筆者在本文中借鑒布魯姆的教育目標(biāo)理論，從知識維度和認(rèn)知過程維度來闡述《草船借箭》這一課程的教學(xué)目標(biāo)，如表2所示。

3.3 ?教學(xué)內(nèi)容分析

《草船借箭》是源于三國時期赤壁之戰(zhàn)里的一個經(jīng)典橋段，關(guān)于這個典故學(xué)生在語文課和歷史課中都有涉獵，教師在進行教學(xué)時可以利用典故的故事情節(jié)來為學(xué)生創(chuàng)設(shè)合適的學(xué)習(xí)情境并引導(dǎo)學(xué)生進入課程學(xué)習(xí)。作為本次Scratch創(chuàng)意編程課程中難度較高的一課，需要學(xué)生掌握Scratch的界面、角色、場景、程序指令等知識，并且能夠根據(jù)所學(xué)的知識自主完成項目設(shè)計。要將《草船借箭》這樣一個故事情節(jié)、動畫演變和人物變化都較為復(fù)雜的案例設(shè)計變得更加生動有趣離不開教師的有效引導(dǎo)。因此Scratch編程的學(xué)習(xí)要不斷增強學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗感，讓學(xué)生在編程過程中感受到學(xué)習(xí)的樂趣。

3.4 ?項目實施過程與實踐

在本課例的項目實施過程與實踐中，學(xué)生以四人小組的形式展開項目式學(xué)習(xí)。“基于項目的學(xué)習(xí)”（Project-Based Learning）是通過安排真實的學(xué)習(xí)任務(wù)，綜合各學(xué)科已學(xué)習(xí)的知識，在合作學(xué)習(xí)的環(huán)境下，設(shè)計并實施一系列的探究活動，并將探究成果或產(chǎn)品進行表達(dá)、交流和展示[3]。因此，通過項目式學(xué)習(xí)，可以讓小組成員各抒己見，發(fā)揮團體力量，融合不同的創(chuàng)意想法來完成作品設(shè)計。

3.4.1 ?通過創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生興趣

在進行情境創(chuàng)設(shè)時，教師以講授三國著名典故《草船借箭》作為課程的導(dǎo)入，在這個過程中可以鼓勵學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)資料，讓學(xué)生對該故事有一定的了解后再進行背景、角色和編程的設(shè)計。

3.4.2 ?任務(wù)設(shè)計

《草船借箭》這一課，主要分成四大任務(wù)，學(xué)生在四人小組中，每個人主要負(fù)責(zé)其中一個任務(wù)。由于四個任務(wù)的情節(jié)是相互銜接、環(huán)環(huán)相扣的，因此，需要每位小組成員需要進行交流研討，共同完成項目設(shè)計，四個任務(wù)的具體設(shè)計為：

（1）任務(wù)一：舞臺背景與角色設(shè)計。舞臺的背景可以通過課外素材導(dǎo)入，根據(jù)教師創(chuàng)設(shè)的情境，學(xué)生可加入切合情節(jié)的背景，角色可根據(jù)故事情節(jié)來設(shè)計，主要的角色有箭、草船、士兵等。根據(jù)師生對角色的分析：由岸邊的士兵不斷地朝著彌漫著大霧的水中射箭，草船一開始是無箭的狀態(tài)，箭射到水中時能夠被草船收集，射出舞臺外的箭則會消失，其舞臺背景與角色設(shè)計如圖2所示。因此，根據(jù)故事情節(jié)可以明確角色出現(xiàn)的順序和效果：岸邊的士兵—與士兵在同一水平線上的箭—河中出現(xiàn)無箭的草船—箭進行克隆—箭向水中發(fā)射—草船收集箭。同時，射箭發(fā)出的聲音也是屬于角色設(shè)計的部分，學(xué)生通過聲音模塊添加射箭的聲音，并利用重復(fù)執(zhí)行語句使其重復(fù)執(zhí)行。

（2）任務(wù)二：萬箭齊發(fā)的動態(tài)過程設(shè)計。這個任務(wù)中要巧妙地運用控制指令中的克隆語句讓箭不斷復(fù)制。利用數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)軸原理確定舞臺左右兩邊坐標(biāo)的大小，箭的不斷復(fù)制在該橫坐標(biāo)的水平線上進行。士兵的位置到靠河邊的舞臺邊沿為箭運動的縱坐標(biāo)。學(xué)生需要注意的是控制箭的本體進行自我復(fù)制時需要在當(dāng)綠旗被點擊下編輯程序，而萬箭齊發(fā)的效果能否實現(xiàn)則是取決于克隆體的運用，需要在當(dāng)作為克隆體啟動下編輯程序，將箭運動的方向設(shè)置為向下，重復(fù)執(zhí)行移動十步便可實現(xiàn)萬箭齊發(fā)的效果了，其程序設(shè)計如圖3所示。

（3）任務(wù)三：草船靜態(tài)收集箭的過程。這一任務(wù)是實現(xiàn)借箭的關(guān)鍵一步，可以對任務(wù)二的程序加以改進，為了避免克隆出來的箭直接穿過草船，學(xué)生在“當(dāng)作為克隆體啟動時”下的重復(fù)執(zhí)行語句中設(shè)置當(dāng)箭碰到草船時刪除克隆體，能夠讓克隆體使碰到草船后消失。為了避免射出去的箭堆積在舞臺邊沿，還可以設(shè)置當(dāng)箭碰到舞臺邊沿時克隆體也消失。這一任務(wù)主要運用控制指令中的如果那么語句和偵測指令中的碰到語句。通過利用這兩個指令對箭的克隆體進行設(shè)置后，可以實現(xiàn)草船靜態(tài)收集箭，其程序設(shè)計如圖4所示。在設(shè)計程序的過程中還要注意草船的兩種狀態(tài)，一種是剛啟動射箭程序時草船還沒收集到箭的狀態(tài)，另外一種則草船收滿箭的狀態(tài)。兩種狀態(tài)的切換可以通過外觀指令中顯示和隱藏來控制。

（4）任務(wù)四：草船動態(tài)收集箭的過程。由于諸葛亮與周瑜立下的軍令狀是三天借到十萬支箭，而靜態(tài)的草船很難借到足夠多的箭。因此，學(xué)生可以在草船的角色下來設(shè)計令草船移動的程序，其程序也較為簡單。當(dāng)按下鍵盤中的左（←）鍵時，船向左移動，當(dāng)按下右（→）鍵時，船向右移動，從而實現(xiàn)手動控制草船的移動，能輔助草船收集到足夠多的箭。移動后的草船在重新開始點擊綠旗時還應(yīng)將其回歸到初始的位置，此時可借助數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)軸原理將其初始化。

在《草船借箭》這一創(chuàng)意課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生以小組為單位進行任務(wù)學(xué)習(xí)，前后任務(wù)的設(shè)計是十分連貫的，其難度也逐步遞增，能夠體現(xiàn)出基于項目學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，小組成員可以在原有任務(wù)的基礎(chǔ)上增加別的角色或功能模塊，讓項目設(shè)計實現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)的效果。項目設(shè)計的過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，還能進一步提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3.4.3 ?作品展示與分享交流

作品設(shè)計完成后的作品展示、分享交流是十分關(guān)鍵的一步，教師能夠直觀的評價學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計，學(xué)生之間也能在相互交流中完善項目作品的制作。

3.4.4 ?評價與反思

評價與反思也是教學(xué)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。在項目式學(xué)習(xí)中可以采用多元的教學(xué)評價方式，主要分為學(xué)生自評、組內(nèi)互評、組間互評、教師點評等，評價的目的并非評出作品的優(yōu)劣，而是借此環(huán)節(jié)來鼓勵學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動力[8]。

4 ?結(jié) ?論

在本文的課程設(shè)計中融合了STEAM教育的重要思想，將Scratch創(chuàng)意編程與不同學(xué)科教學(xué)融為一體。在跨學(xué)科教學(xué)中教師應(yīng)時刻關(guān)注學(xué)生思維養(yǎng)成的關(guān)鍵點，基于項目式學(xué)習(xí)的模式能夠讓學(xué)生在分析及探究問題的過程中轉(zhuǎn)變思維方式，迅速找到問題的關(guān)鍵所在，進一步解決實際問題。此外，Scratch編程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生學(xué)會了知識的積累，每一個課程模塊都不是獨立的，它們之間存在著必然的聯(lián)系。在未來，STEAM教育與Scratch創(chuàng)意編程課程體系的契合點還有待進一步完善和發(fā)展，未來的研究需要進一步拓寬學(xué)科融合的廣度以及創(chuàng)意設(shè)計的深度[8]。創(chuàng)意編程教學(xué)應(yīng)讓每位學(xué)生都能在動手實踐中受到啟發(fā)并真正融入跨學(xué)科融合的創(chuàng)新學(xué)習(xí)中。

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作者簡介：林素芳（1995.05—），女，漢族，廣東汕尾人，碩士研究生在讀，研究方向：信息技術(shù)教育。