基于STEM的中小學信息技術編程課教學設計與研究

李靜 王嘉慶

摘? 要 基于STEM的中小學編程教學以學生為主體，以解決現實問題為主線，以培養和提升學生的編程技術與素養為基本目標，讓每個學生親自體驗思考和解決問題的過程，通過合作探究、實踐操作、展示交流等多種教學活動，促進知識的建構與內化，提升思維能力和解決現實中復雜問題的能力。

關鍵詞 STEM;信息技術;編程課程;Scratch;信息素養;計算科學素養;思維導圖

中圖分類號：G623.58 G633.67? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）09-0116-03

0? 前言

現代信息技術的快速發展對社會的發展產生巨大的推動作用，新一代信息技術作為國務院確定的七個戰略性新興產業之一，正在引發新一輪的產業變革，形成新的生產方式、商業模式和經濟增長點。信息技術課對學生掌握現代信息技術知識，強化多學科知識融會貫通能力，提升自身綜合素質，起到至關重要的作用。隨著社會對人才需求的不斷細化，以培養創新型、復合型人才為目的的STEM教育正逐步在全球普及推廣，一些發達國家陸續制定本國的STEM教育發展規劃，如美國最先將編程課程納入STEM教育體系，并給予財政專項資金支持。因此，我國中小學信息技術課要適應STEM教育要求，積極開展編程課程，為未來培養創新型、復合型人才打下堅實基礎。

1? STEM教育的概念與特性

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，簡言之，STEM教育就是科學、技術、工程、數學的教育，依靠多學科的協同，培養學生解決現實問題的能力。STEM教育作為一種教學策略，具有跨學科性、趣味性、情境性、協作性、設計性等核心特征[1]，總體目標是通過符合STEM特性的教學活動，提升學生的思維能力和解決現實中復雜問題的能力。

2? 中小學信息技術課現狀與改革對策

目前，我國中小學信息技術課大多仍沿用傳統教學方式，忽略了對學生基本信息素養的培養。主要體現在：信息技術課的教學內容過于簡單機械，不能適應信息技術發展現狀;課堂任務缺乏對現實問題的分析和解決，難以引起學生的學習興趣;衡量教學效果的標準單一，限制了學生思維及能力的發展[2]。

2017年6月，中國教育科學研究院發布《中國STEM教育白皮書》，提出：STEM教育是面向所有學生的培養綜合素質的載體[3]。2019年3月，教育部印發的《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中指出：推動在中小學階段設置人工智能（AI）相關課程，逐步推廣編程教育，推動大數據（Big Data）、虛擬現實（VR）等新技術在教育教學中的深入應用[4]。因此，中小學信息技術課應積極適應國家教育政策和STEM教育要求，針對小學高年級和中學階段的學生開設編程課，引導學生用編程思想來分析和解決問題，有針對性地培養學生前瞻性、全局性、系統性、靈活性的思維和解決實際問題的能力。

3? 編程課教學設計與實施

3.1? 編程教學的思路和目標

STEM教育的最終目標是解決現實問題?；赟TEM的中小學編程教學活動應以學生為主體，以解決現實問題為主線，以培養和提升學生的編程技術與素養為基本目標，讓每個學生親自體驗思考和解決問題的過程，并通過一系列的教學活動，最終提升學生綜合思維能力和解決現實問題的能力。

3.2? 編程工具（語言）選擇

鑒于中小學生的特點，一些主流編程語言，諸如C++、JAVA、Python具有結構復雜、邏輯思維抽象等特點，不適合中小學生學習。麻省理工學院（MIT）媒體實驗室開發的Scratch編程工具，可以讓學生在圖形化、模塊化的環境下，較輕松地理解程序設計的基本原理與思想，并在生動、活潑的情境中加以理解和掌握。目前，世界上一些發達國家已經將Scratch納入編程入門課程系統。本文以Scratch編程教學作為研究對象，對Scratch編程教學進行剖析和設計。

3.3? Scratch課堂任務的開發和實施

編程課的教學應以任務驅動式教學為主線，因此，課堂編程任務的設計和實施是整個教學設計的核心。教師在課前應做足準備工作，廣泛收集資料和案例，挖掘現實中可以通過編程來解決的問題，然后根據問題的特征和應用場合，構想適合學生特點的應用場景。教師在對編程任務的開發和選取上，要體現出任務的可行性和有效性，既不能超過學生的整體認知水平，又要保證學生通過編程實踐提升多種能力。概括來講，Scratch編程課堂任務應體現出STEM的跨學科性、趣味性、情境性、協作性、設計性等特性。Scratch課堂編程任務的開發和實施如圖1所示。

3.3.1? 跨學科性? Scratch課堂編程任務的選取應源于生活實踐，任務可以是用程序來解決現實問題，也可以是用程序來做動畫、游戲，進行互動式的藝術創作。這些任務具有跨學科、跨專業、綜合性強等特點，幫助學生在完成任務的過程中不斷擴充知識面，訓練創新能力和邏輯思維能力。

3.3.2? 趣味性? 編程教學內容和形式的游戲化設計，可以增強編程教學的趣味性。游戲化學習起源于杜威的“做中學”思想，通過游戲和生活中的具體操作來獲取知識和生活經驗。同時，游戲也契合中小學生的心理發展特征和認知特點，有利于激發他們的學習興趣，取得困難問題、非結構化問題的突破 [4]。

3.3.3? 情境性? 教師通過創設情境來提出Scratch編程任務，這樣能夠幫助學生快速與當下的應用需求進行對接，通過聚焦特定情境，使教學內容由抽象轉為具體，通過具體情境下Scratch的設計與實現，使學生對編程知識與技能的掌握更有方向感，并較好地完成知識的遷移。

3.3.4? 協作性? 編程課的課堂任務具有跨學科性，對學生綜合能力要求較高，教師應組織學生通過分組探討、技術交流、分工合作、小組互評等方式，共同完成程序的設計與實現，培養學生的分工意識與團隊協作能力。

3.3.5? 設計性? 程序作品的設計是學生對所學編程知識進行建構的過程，主要步驟包括分析任務、設計算法、編寫程序、測試修改。學生通過作品設計的整個過程，可以有效促進知識的融合與遷移。

3.4? Scratch課堂教學流程設計

課堂開始，教師將問題通過情境再現的方式引入課堂并拋出編程任務，接下來可通過繪制思維導圖、分組探討等方式，幫助學生分析和理解編程任務。教師在設計Scratch教學內容和課堂活動方面，結合中小學階段學生的身心發展特點，將教學內容和教學形式游戲化，以增強教學的趣味性和體驗性。整個教學過程和課堂活動的開展，教師應有針對性地培養學生的團隊協作能力，加強學生間的分工、合作與交流，引導學生對Scratch作品的分享與互評。本文設計的Scratch課堂教學流程分為三個階段：程序功能需求分析、算法設計與程序實現、計算科學素養提升。Scratch教學流程如圖2所示。

3.4.1? 程序功能需求分析階段? 課堂開始，教師一方面要通過創設有趣的情境來吸引學生的注意力，另一方面要通過情境來引出課程主題和任務。引出課程主題和任務后，教師要展示思維導圖，讓學生通過自主思考、分組探討等形式來明確課堂任務中的程序功能需求。在該階段，教師可以根據學生對任務的理解深度，有針對性地對任務進行分解和細化，組織學生匯報任務探究成果，分享任務解決思路，幫助學生梳理任務和問題，培養學生提出問題、定義問題、分析問題的能力。

3.4.2? 算法設計與程序實現階段? 這個階段的基本教學目標是培養和提升學生的編程技術與素養。教師將課堂的主動權交給學生，教師的主要職責是為學生提供編程技術的引導和支持，幫助學生了解程序設計、編譯和運行的基本原理。在上一步分析思維導圖中，學生已經初步構想出程序的雛形，在接下來的過程中需要按照思維導圖整理設計思路，畫出算法流程圖，然后根據流程圖，在Scratch中進行拖拽搭建程序，并完成對程序的功能調試和性能測試。Scratch程序作品完成后，教師組織學生以小組討論的方式，分享搭建腳本、編程過程中遇到的各種技術問題，并在小組內評選出優秀作品。討論結束后，教師負責營造適合交流和分享的課堂氛圍，每個小組推薦兩到三個作品在課堂展示。

3.4.3? 計算科學素養提升階段? 該階段目標是通過多元評價體系和知識的遷移活動，提升學生的計算科學素養。根據STEM教育理論，評價標準不再以單獨的任務完成度來評價學生的能力水平，而是通過不同視角，采用多種形成性評價方式判斷學生的知識和能力水平，重視學生的綜合素質和能力，打破學科之間的界限，實現教育的根本目標 [5]。首先，教師組織學生對展出作品進行討論和評價，讓每個學生在這個活動中取長補短。其次，要求每個學生填寫作品自評表，該表主要包括學生對自己軟件作品的功能、性能、可靠性、技術運用、改進思路等方面的評價和總結。最后，教師根據編程任務的特點，依據學生操作過程、解答問題口頭表達、故障與問題分析、實驗資源管理等方面對學生進行多元評價。教師在完成評價總結后，結合本堂課的任務特點和重難點，布置課下作業，促進學生對知識的遷移和升華。

通過Scratch課堂教學中的這幾個階段，學生對軟件作品的設計流程、關鍵技術、評測手段進行全面認識和總結，訓練提出問題、定義問題、分析問題的能力，培養程序設計過程中的邏輯與算法思維，鍛煉評估和交流信息的能力，增強運用編程技術解決實踐問題的能力，不斷提升計算科學素養。

4? 結語

本文結合STEM教育理念，對中小學信息技術學科的編程課進行研究，提出基于STEM教育特性的中小學編程課的教學設計思路和方法。文中闡述的教學思路和方法，以編程任務的開發和實施為主線，引導學生用程序設計來解決現實中的問題，將跨學科問題的解決與編程實踐緊密結合起來，鼓勵學生自主完成知識框架的建構，提升解決實際問題的能力。本文是一次中小學編程教學的實踐性探索，希望借此引起廣大教育工作者對中小學信息技術課教學和改革的關注與深入研究?！?/p>

參考文獻

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.

[2]楊浩杰.以STEM教育理念為載體構建高中信息技術課堂教學新模式[J].中國教育技術裝備，2019（15）：88-90.

[3]教育部辦公廳關于印發《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》的通知[A/OL].（2019-03-01）[2020-07-31].

http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201903/t2019

0312_373147.html.

[4]朱萌.STEM理念下Scratch游戲與數學融合的學習模式研究[D].浙江：溫州大學，2019：15-16.

[5]齊秀嬌.STEM教育課程開發初探[J].中國教育技術裝備，2018（10）：41-45.