面向計算思維培養的跨學科教育項目設計

呂琳 余峻展 鐘柏昌

摘要：計算思維包含分解與模塊化、抽象與建模、模擬與驗證、優化與迭代、復用與遷移等要素，具有明顯的跨學科特性，與跨學科的STEAM（為science、technology、engineering、art、mathematics五個單詞的首字母）教育相融合具有理論可行性，但相關研究與實踐依然較為匱乏。為此，本研究結合逆向工程教學模式（解構復原型）設計并開發了面向計算思維培養的STEAM教育項目——“模擬投籃游戲”，詳細闡述了教學實施的各個環節，為進一步研究和實踐提供了重要基礎。

關鍵詞：計算思維；STEAM教育；項目式學習；教學模式；模擬投籃游戲

計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動^[1]，是信息時代每個社會公民所應具備的基本能力，被稱為21世紀關鍵技能。計算思維自2006年被提出以來，就受到了世界各國的高度重視，成為培養創新型人才的重要內容。2017年，我國教育部明確將計算思維列為高中信息技術學科的核心素養之一^[2]，開始重視培養高中生的計算思維。2022年，教育部將信息科技納入義務教育國家課程，計算思維又成為信息科技課程的核心素養之一。自此，計算思維的培養覆蓋了小學、初中和高中三個學段，旨在提升學生的問題解決能力，使其更好地適應數字社會。國家政策的頒布，是時代發展對人才能力訴求的直觀反映，而人才能力的發展歸根到底在于思維的發展。在此背景下，“如何切實培養學生的計算思維”已然成為教育研究的熱點話題。

一、計算思維培養與跨學科教育理念相契合

根據我國教育部近年來頒布的課程方案與課程標準，義務教育階段的信息科技課程和高中階段的信息技術課程是培養學生計算思維的主陣地。但實際上，隨著計算機科學的不斷發展，計算機在不同行業中已經扮演著重要的角色。計算思維源于計算機科學，是數學思維和工程思維的結合與補充，與跨學科學習有著密不可分的關系。它不僅適用于計算機科學領域，還能提供一種廣泛應用于工作、生活、學習的分析問題的視角，是各個領域求解問題的基本途徑。同時，它可以連接計算機科學與其他學科知識領域，包括科學、技術、工程和數學^[3]，本質上跨越了不同學科之間的界限。換言之，計算思維具有明顯的跨學科特性，與跨學科教育融合具有理論可行性。

跨學科教育近年來在我國開始受到關注和重視。教育部頒布的《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》提出“跨學科主題學習”，就彰顯了跨學科教育的重要性。作為跨學科教育的典型代表，STEAM教育旨在將科學、技術、工程、藝術和數學這五門學科的知識融為一個有機的整體，以培養學生的跨學科思維、解決問題的能力和創造力^[4]。鑒于計算思維具有跨學科特性，STEAM又是跨學科教育的代表，二者存在著天然的聯系。早在2015年，就有學者提出應將計算思維的培養引入STEAM課程中^[5]。然而，如何將二者有機結合至今仍是一個嚴峻的挑戰，現有STEAM教育中的計算思維培養往往局限在編程環節，本質上對計算思維的培養還停留在單學科，而非跨學科^[6]。本研究結合逆向工程教學模式（解構復原型）設計和開發了面向計算思維培養的STEAM教育項目，從結構設計和程序設計兩個方面突破了單一學科培養計算思維的局限，取得了初步的教學效果。

二、“模擬投籃游戲”項目的創新設計與跨學科教育價值

從現有文獻來看，對于計算思維的培養，Brennan和Resnick提出的計算思維三維框架“計算概念（順序、循環、事件、并行、條件、運算、數據）、計算實踐（增加與迭代、測試與調試、再利用與再混合、抽象化與模塊化）和計算觀念（表達、連接、質疑） ”^[7]具有良好的操作性，但覆蓋面不足。本研究將其修訂為如下五個要素：分解與模塊化、抽象與建模、模擬與驗證、優化與迭代、復用與遷移。其中，分解與模塊化指的是將大問題分解成小問題，將復雜問題（系統）自頂向下劃分（分解）成若干個子模塊；抽象與建模是指能夠運用計算機科學領域的思想方法，通過問題抽象來形成模型化的問題解決方案；模擬與驗證是指能通過模擬、仿真、驗證的過程嘗試解決問題；優化與迭代是指能夠持續反思當前方案的不足，逐步求精和優化完善；復用與遷移是指能夠利用已有問題解決方案，并將其遷移運用于解決其他問題。下面以“模擬投籃游戲”教育項目為例，闡述各個教學環節是如何培養學生計算思維的。

投籃機是娛樂場所常見的游戲設備，兼具娛樂功能和鍛煉功能。傳統的投籃機體積較大，籃筐只能橫向運動，且僅限于手投的方式。為此，本研究搭建了一個沉浸式投籃環境，模擬投籃游戲，旨在為用戶提供真實、豐富的游戲體驗。在實現細節上還做了多方面的創新設計：一是在橫向運動的基礎上增加了縱向運動，從而完成完整的平面運動，同時能演變出各種復雜的平面移動或轉動路徑；二是在手投的基礎上增加了搖桿控制發射，用戶還可以DIY編程，控制籃筐按照預設的路徑運動，并可以設置不同的闖關模式，進而增強其趣味性和可玩性（如圖1）。

本項目作品的設計、開發和使用不僅有利于計算思維的培養，還涵蓋了科學、技術、工程、藝術、數學等多個學科領域，與跨學科教育相契合，適合充當跨學科教具使用，其教育內容見表1。

在教學設計和教學實踐中，可以圍繞本作品，從機械、電子、編程、繪畫、音樂等五個方面，以項目的方式開展探究性合作學習。其中，計算思維的培養與不同學科的對應關系見表2。

三、基于逆向工程教學模式的“模擬投籃游戲”項目教學

為了更好地實施“模擬投籃游戲”項目教學，教師需要對其進行創新設計。一方面，傳統的STEAM教育項目采用的教學方法較為單一，如要求學生從零開始設計與開發項目，教學周期較長，同時，開發的過程中也存在著許多局限性，不適用于較為復雜的“模擬投籃游戲”項目教學；另一方面，許多STEAM課程出現“重形式，輕本質”的現象，偏重工具的學習而缺乏思維的引導。因此，如何合理地設計STEAM課程目標、內容和項目，如何在整合各學科內容的同時還能注重計算思維的培養，提升學生解決問題的能力，存在頗多挑戰^[8]。本研究團隊曾將逆向工程方法引入機器人教育、創客教育和STEM教育中，提出了逆向工程教學模式的“燈籠模型”，其包括四種具體的教學模式^[9]。其中，解構復原型教學模式（如圖2）既強調基礎知識和基本技能的學習，又適用于面向計算思維培養的教學。因此，本文基于該模式介紹如何在初中階段開展“模擬投籃游戲”項目的教學。

為充分發揮“模擬投籃游戲”項目的教學價值，使學生能夠在設計和制作中最大程度地發展計算思維和跨學科素養，教師在教學設計階段應當明確和把握好教學目標。教學目標可以表述為：（1）學生通過體驗投籃游戲機，對現有產品進行細致觀察和分析，結合個人的知識經驗，對投籃游戲機進行功能分解；（2）在教師的指導下，學生比較投籃游戲機和模擬投籃游戲系統的相同點和不同點，明確模擬投籃游戲系統的設計要點；（3）學生在設計和制作模擬投籃游戲系統的過程中，運用計算思維解決實際問題，最終實現模擬投籃游戲系統的穩定運行。

由于模擬投籃游戲系統具有一定的復雜性，課程計劃使用4個學時，每個小組由4名學生組成，在組內分成兩個子組，分別稱為A組和B組。其中，A組負責平面運動籃筐的結構搭建和程序設計，B組負責投擲機械手的結構搭建和程序設計。根據逆向工程解構復原型教學模式，面向計算思維培養的“模擬投籃游戲”教育項目的各個教學環節如下。

（一）試用與感知

該階段旨在讓學生基于現有產品進行游戲體驗，激發學生的興趣，讓他們對產品的功能與結構形成初步的認知，如了解該產品是由“籃筐”和“投擲”兩大部分組成。在這個過程中，教師需要引導學生用語言來描述該產品的功能與結構，如水平運動結構如何實現左右運動。學生需要描述如何判斷產品成功地解決了問題。教師可以為學生提供工作紙，幫助學生記錄產品的功能與結構，便于及時準確地把握學生的體驗與感悟。

（二）分解與觀察

分解與觀察環節是結合逆向思維對產品進行自主解構和復原的過程，旨在讓學生解剖產品，培養學生動手操作能力，了解產品的內部結構和工作機制。本環節中，教師會要求各小組通過觀察將該產品盡可能地分解成一個最小的系統，便于解決問題，如最小系統為“輸入—處理—輸出”，并要求學生在工作紙上做好拆分記錄。同時，教師應給予適當的指導，以確保學生理解各零部件的作用和相互關系。該過程主要培養學生的“分解與模塊化”能力。

（三）還原與測試

還原與測試是教學實施的關鍵環節，指將產品正確復原，培養學生的動手操作能力和責任心，檢驗學生對產品結構和工作機制的熟悉程度。該階段可以為學生提供該產品的所有零部件，包括已切割好的木板和各類型的主控板等，教師應引導他們按照零件的功能進行分類，比如第一級分類是區分結構件和電子件，隨后讓學生自行完成進一步分類，并要求他們在歸類的同時制訂分類的依據，如電子件中的執行器和傳感器，結構件中的運動件和靜止件。

在教學中，教師還需要引導學生積極參加頭腦風暴，對問題進行概括分類，制訂出一種或多種解決問題的方案，然后選擇其中一種方案制訂詳細的計劃，并確定問題解決方案的步驟。例如，學生需要列出編程的操作、確定要使用的程序和部分可重復使用的代碼模塊。該過程旨在讓學生運用計算機科學領域的思想方法，通過問題抽象來形成模型化的問題解決方案，進而有針對性地培養學生的“抽象與建模”能力。

在小組合作時，教師可采用作品模塊化的方式分配任務：2人（A組）負責“籃筐”的搭建（分為電機控制和命中響應兩部分），并使用Arduino IDE編譯和運行程序（如圖3、圖4）；2人（B組）負責“投擲”的搭建和編程（如圖5），最終整合作品。

在教學中，教師需收集前兩個階段中學生對系統的分解結果和對零部件的分類結果，引導學生進行外觀搭建。教師還需要提供對應的表格，可采用三列多行的形式，并要求學生將“子系統”“零件類別”和“子程序”進行一一對應，旨在引導他們形成知識網絡。

學生通過算法設計將解決方案編寫成一個子程序，包括順序、循環、函數構建等操作指令。在這個過程中，學生嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程并驗證方案的可行性，同時需要判斷程序運行結果是否解決了實際問題以及該作品是否達到了預期功能。值得注意的是，在教學中學生遇到問題時，教師應加強引導，鼓勵學生自主解決問題，自主評價所采用的解決方案是否為最優的解決方案，從而培養學生的“模擬與驗證”和“優化與迭代”能力，提升學生的實踐能力和問題解決能力。

（四）評價與總結

評價與總結是指對復原作品進行評價交流，包括自評、組評和師評，并反思分解和復原過程中遇到的問題。該階段主要是讓學生展示作品并交流，首先由A組和B組開展組內交流，組內學生需整合前階段各自梳理好的對應表格，共同形成一個更大的、更復雜的知識網絡。然后，教師需要再次組織學生對最終作品進行組間展示與交流，包括展示和解釋自己最優的解決方案，并舉一反三。在教學中，教師要引導學生對作品進行多主體評價，如師評、自評、組評，同時需注重引導學生反思與總結，概括解決問題的一般方式，并將已有問題解決方案遷移運用于其他問題的解決。教師還需要進一步引導學生對知識網絡進行“大概念化”，整合若干小概念，提取出知識網絡中使用到的最具有代表性概念，以便深化學生對相關知識的理解，提升學生“復用與遷移”知識的能力。

四、總結與展望

本研究結合逆向工程教學中的解構復原型教學模式設計和開發了面向計算思維培養的STEAM教育項目——“模擬投籃游戲”，闡述了各個教學環節培養學生計算思維的過程，為設計和實施面向計算思維培養的跨學科課程提供了較為詳細的參考案例。

計算思維不僅在計算機科學領域中有所應用，也被廣泛地應用于其他學科中。本文將使用計算思維解決問題的過程歸結為分解與模塊化、抽象與建模、模擬與驗證、優化與迭代、復用與遷移五個要素，并將其融入具體的教學環節中，旨在更具有針對性地培養學生的計算思維。計算機的出現和發展給人類社會帶來了空前的生產力，而教育作為培養社會公民的重要途徑，培養學生的計算思維亦是順應時代發展需要的重要舉措?？梢灶A見，計算思維的培養在跨學科教育中將會占據更加重要的地位，探索通過跨學科教育培養學生的計算思維，是對新時代人才發展需求的有力回應。

有學者提出，STEAM教育具有融合學科、倡導問題解決式教學、技術賦能等特征，可以為深度學習的發生提供基礎^[10]。計算思維是使用計算機科學領域的思想來解決問題，它具有跨學科解決問題的潛能，鑒于面向計算思維培養的STEAM課程可能更有利于深度學習的發生，后續可以基于本研究進一步探索實現深度學習的方式與策略。

綜上，面向計算思維培養的STEAM課程的設計與實施具有重要研究價值，不僅擺脫了在單一學科中培養計算思維的窠臼，還能通過在STEAM課程中引入計算思維的培養來助力跨學科學習的開展。二者相互促進，有利于推動“五育融合”教育的創新發展。

注：本文系2022年廣東省學位與研究生教育改革研究項目“碩士生跨學科創新能力培養的4C教學模式研究”（編號：2022JGXM_48）的研究成果。

參考文獻

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（作者呂琳、余峻展系華南師范大學教育信息技術學院碩士研究生；鐘柏昌系華南師范大學教育信息技術學院教授、博士生導師，本文通信作者）

責任編輯：牟艷娜