基于STEAM理念的計算思維培養(yǎng)
——以初中信息技術編程課為例

黃黎茵 湖北省武漢市博學初級中學

●基于計算思維的問題解決

關于計算思維，不同的機構、學者提出了不同的觀點。筆者結合相關研究，根據(jù)自己的實踐和思考，將計算思維劃分為“界定問題、分解問題、概括表達、算法設計、評估、遷移”六個過程，具體內容如表1所示。

表1 計算思維過程

●基于STEAM理論的問題解決

S T E A M是美國學者格雷特·亞克門2010年在原有的STEM教育中，加入A（Arts，藝術）演變而來。筆者認為，STEAM理念是以數(shù)學為基礎，通過工程、藝術去解讀科學與技術，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力、發(fā)散思維、知識潛移、跨學科思維及應用能力，培養(yǎng)問題分析、設計方案、實施方案等解決問題的能力。因而在解決問題過程中，STEAM理論具有跨學科性、情境性、實踐體驗性、協(xié)作性及藝術性五大理念（如表2）。

表2 STEAM理念內涵

●STEAM理論與計算思維培養(yǎng)的可行性

①具有情境性。兩者都強調真實情境下的問題解決，都努力創(chuàng)造與生活息息相關的環(huán)境，而真實情境中的問題，便于學生理解、利用已有的知識，從多方面多角度進行思考分析，打破學科限制，融會貫通，找出最佳解決方案，確保問題得以解決。

②具有綜合性。STEAM教學內容具有多學科性，能有效提高學生的綜合素質，增強學生解決問題的能力；計算思維的培養(yǎng)，即培養(yǎng)解決問題的能力，將客觀世界的問題進行分解、抽象、概括、設計、評估，最終遷移應用。在此過程中，學生僅憑單一的學科知識無法實現(xiàn)，必需具備有效的綜合能力，將不同學科依據(jù)內在邏輯關系聯(lián)系起來，從整體上把握，以便于問題解決。

③具有實踐性。STEAM教育注重“做中學”，重視培養(yǎng)學生的動手實踐能力，在探究過程中促進跨學科知識的融合與遷移，描述了學生的外顯行為；計算思維是解決問題的一種方式，在問題解決過程中進行培養(yǎng)和加強，描述了學生的內在思維。行為與思維，互為表里，互相促進。

●基于STEAM理論的計算思維培養(yǎng)教學實踐

如何在STEAM教育理念中有意識地培養(yǎng)計算思維及解決實際問題的能力，是初中信息技術教學的挑戰(zhàn)和機遇。筆者通過對STEAM理念、計算思維及課標的梳理，結合學生的實際，將教學內容聚焦圖形化編程模塊，以“模擬地月日運動”為主題，開展教學活動。

1.教學內容分析

本課內容基于STEAM教育理念進行跨學科學習，并通過嘗試利用圖形化編程工具來實現(xiàn)，因而教學內容具有綜合性、跨學科性。跨學科知識點如下圖所示。

2.學習者分析

本課的教學對象為七年級學生，其認識發(fā)展處于具體形象思維向抽象思維過渡階段，具有一定的邏輯推理能力；會基本的計算機操作，具有一定的信息能力和信息素養(yǎng)，能理解順序、循環(huán)、選擇等概念；已經掌握圖形化編程工具的基本操作，會用順序結構、簡單的循環(huán)結構的積木搭建；在數(shù)學學習中接觸算法，能繪制簡單的流程圖；學習過月球、地球、太陽的相關知識，對地月日的運動關系、位置關系能用語言進行描述，對公轉、自轉有所認識；能對舞臺、角色進行設計，有一定的語言文字表達能力及繪畫音樂基礎；能寫簡單的設計方案。

3.教學目標

①STEAM目標。

S（科學）目標：掌握地球、月亮、太陽三者關系；理解公轉自轉的含義；能列出除地球、月球之外，進行公轉、自轉的行星。

T（技術）目標：掌握利用圖形化編程工具編寫程序的基本方法；掌握創(chuàng)建角色、添加音樂、更換背景等方法；掌握循環(huán)結構及表達方式；掌握圖形化編程工具條件語句的應用與表達；掌握繪制流程圖的方法；能夠說出模擬運動不同方法（至少兩種）。

E（工程）目標：能將想法通過流程圖表達；根據(jù)流程圖，設計實現(xiàn)目標的方案，明確功能模塊及相應編程語句；完成方案，設計整合程序，逐步實現(xiàn)各功能；調整和優(yōu)化方案。

A（藝術）目標：了解各行星的外觀和形態(tài)，體驗其美；感受自然界、銀河系的恢宏浩大；觀看相關影視感受文學之美。

M（數(shù)學）目標：球體的相關知識—球體的三視圖都是圓、地月日的比例關系；地月日的位置關系—能用三角函數(shù)確定地月的位置、能用兩點移動的方式確定位置。

②計算思維目標。

界定問題：確定地日月的運動模型是否能夠模擬？能否通過編程實現(xiàn)？圖形化編程工具是否可以？如何編程？

分析問題：理解公轉、自轉概念并能進行表達；能夠確定角色并選擇適當?shù)谋憩F(xiàn)方式；能分解運動過程，確定運動對象的邏輯關系。

概括表達：確定基礎位置，能用適當方式（如坐標等）表示三者位置關系；能確定基點，明確對象數(shù)量、比例關系，開始、結束的條件；確定實現(xiàn)結構（順序、循環(huán)、選擇）；初步畫出總體流程圖。

算法設計：理解每個角色公轉、自轉的運動過程及實現(xiàn)步驟；進行角色設計、分步驟實現(xiàn)功能，繪制角色功能流程圖；編寫角色程序；運行調試程序。

評估：運動過程是否完整呈現(xiàn)；角色設計、數(shù)量關系、位置關系是否合理；程序編寫是否簡潔優(yōu)美；作品是否具有藝術性；背景、音效是否恰當；學生講解自己的設計思路；對作品的完整性、藝術性、簡潔性進行評價；優(yōu)化、改進方案。

遷移：八大行星的運動；如何顯現(xiàn)運行軌道；地球運行軌道是橢圓的，利用已掌握的知識技能可以實現(xiàn)橢圓軌道嗎？

4.教學重難點

重點：圖形化編程工具的熟練應用；順序、循環(huán)結構的應用；流程圖繪制。

難點：流程圖轉化為具體程序；模型的建立；循環(huán)結構語句的應用。

5.教學過程

（1）情境創(chuàng)設

教師活動：播放日蝕記錄片，并提問—記錄片中講述了哪種天文現(xiàn)象？能用所學的知識來呈現(xiàn)嗎？

學生活動：觀看記錄片，思考問題。

設計意圖：激發(fā)學習興趣，初步了解天文現(xiàn)象，從真實環(huán)境中考慮問題，啟發(fā)學生思考。

STEAM知識點及目標：情境性。

計算思維：界定問題。

（2）自主學習

教師活動：引導分析所需要的相關知識有哪些？已有的知識有哪些？需要學習的知識有哪些？運動有哪些過程？如何表示它們的數(shù)量關系、邏輯關系？同時，提供學習資源，分組并巡視。

學生活動：分析已有知識基點，學習相關知識，根據(jù)教師的引導，將“模擬日月地（日蝕）”運動分解成可以求解的步驟。同時，四人為一小組，對疑難問題進行討論與交流。

設計意圖：讓學生對所掌握知識進行分析和了解，能使其更有針對性地學習，有利于問題解決。同時，通過小組合作培養(yǎng)學生的協(xié)作能力。

STEAM知識點及目標：跨學科性。

計算思維：分析問題，概括表達。

（3）實踐練習

教師活動：課堂巡視、指導，提出問題—地球是否有自轉？用哪些方法可以解決？地日月的比例是否合適？運動方向是否合適？運行速度是否恰當？

學生活動：描述算法，繪制方案流程圖，并分析比較，擇優(yōu)采用；實施調試方案，編程實現(xiàn)。

設計意圖：通過實踐練習，體驗思維可視化過程，培養(yǎng)學生規(guī)劃統(tǒng)籌能力；通過不同的實現(xiàn)方法，培養(yǎng)學生多角度解決問題的能力。

STEAM知識點及目標：協(xié)作性、實踐性、體驗性。

計算思維：算法設計（問題解決）。

（4）反饋小結

教師活動：呈現(xiàn)評價量表；對個人及小組表現(xiàn)進行點評；強調藝術性、協(xié)作性；概括總結存在的問題及有效的解決方法。

學生活動：各小組展示作品，進行師生評價，交流經驗。

設計意圖：通過展示、交流，鍛煉學生的語言表達能力、評估能力、協(xié)作能力。

STEAM知識點及目標：藝術性、協(xié)作性。

計算思維：評估。

（5）拓展

教師活動：提出新任務—八大行星的運行如何實現(xiàn)？如何呈現(xiàn)日蝕？如何讓三者處在一條直線（同一角度）上時暫停3秒？如何呈現(xiàn)橢圓形軌跡？

學生活動：分析、界定問題，明確前三個問題目前可以解決。

設計意圖：啟發(fā)學生思考，將所掌握的知識方法遷移至新的情境中，鞏固所學，強化計算思維在解決問題中的應用。

計算思維：遷移。

6.教學反思

在以問題解決為導向的教學實踐中，學生掌握了必要的科學知識，體驗了工程開發(fā)設計過程，提高了語言表達等藝術素養(yǎng)，培養(yǎng)了數(shù)學抽象思維能力。同時，從真實情境出發(fā)，學生的問題界定、問題分析能力得到了一定的提高，能用流程圖概括表達，并通過圖形化編程工具實現(xiàn)，對自己的作品與表現(xiàn)能進行恰當評價。

但是，本課的教學也存在一些不足之處，如：由于教學形式、教學內容略有變化，學生不能很快進行實質性學習，教師花費較多的時間進行說明；學生獨立思考能力欠缺，遇到困難過于依賴教師；對于合作學習，任務分配不均，導致個別學生參與度不高；學習內容過多，學生自主學習時間分配不均，導致實踐階段時間緊張，討論交流不充分；教學評價設計不完善。

今后的教學中，可嘗試采用混合學習方式，讓學生在課前進行知識學習，并給予其更充分的學習時間。同時，加強教學評價的設計，除作品評價外，還需要對學科知識掌握、計算思維進行一定的量化評價。

●總結

教學實踐證明基于STEAM理念，選擇適當?shù)闹黝}，通過圖形化編程工具培養(yǎng)計算思維是可行的。跨學科學習有效地提高了學生問題描述、問題界定、抽象分析問題、設計解決方案，以及按步驟解決問題的能力，促進了他們計算思維的發(fā)展。在今后的教學過程中，筆者將致力于培養(yǎng)學生的計算思維，選擇更適當?shù)腟TEAM主題，為學生提供更充分的學習時間，創(chuàng)造更佳的學習環(huán)境。同時，筆者將進一步實踐優(yōu)化整合STEAM和計算思維培養(yǎng)的信息技術編程教學，使之更具有參考價值。