基于工程設計的STEM教學培養學生計算思維的研究與實踐

摘 要：STEM課程是培養學生計算思維的重要載體，計算思維則可促成學生在真實情景下多元能力的發展。在新工程教育背景下，本研究提出以工程設計循環組織教學過程、以史密斯框架五要素創建支持學生運用計算思維的STEM教學活動設計框架。并以小學“船模”課程為例，進行具體的活動設計與實施。本研究采用單組前后測實驗，通過為期九周的跟蹤，同時輔以任務單，探究課程實施對小學生計算思維能力與計算思維實踐的影響。結果表明，課程教學對小學生計算思維能力有促進作用；認知網絡分析結果表明，課程實施推動了學生計算思維實踐，船模制作完成后，學生的算法思維有明顯發展且各要素連接更緊密。

關鍵詞：STEM課程；計算思維；工程設計循環；培養框架；船模

中圖分類號：G622.0 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）03-0038-10

引言

隨著信息技術的發展及其與人們生活的緊密結合，計算思維（Computational thinking）作為一種獨特的問題解決思維方式，已經成為數字化生存的一種必備能力和面向智能時代的創新能力構成要素。因此，培養學生的計算思維已成為高等教育和基礎教育的研究與實踐熱點，對計算思維的概念界定、構成要素、培養模式、多維評價等也已有了諸多討論。STEM課程以跨學科的方式實踐項目學習，其情境性、體驗性等特征成為培養計算思維的載體，使計算思維能夠在實踐情境中得到不斷發展。工程學作為促進STEM教育整合的有效方式[1]，通過工程項目來串聯各學科知識，創造性地解決復雜問題，亦是培養計算思維的有效場景。在新工科教育轉型的背景下，計算思維成為新工科人才所需具備的思維方式之一，以計算思維促成學習者在真實情境中專業知識的獲得與多元能力的發展是跨學科問題解決的重要引擎[2]。

工程設計作為新工程教育背景下STEM課程培養學生計算思維的主要方式，已有研究探索了基于工程設計的STEM教學對學生計算思維的作用。較之基于設計學習、問題驅動架構的“STEM+C”教學實踐，工程項目可以為學生提供不斷優化迭代的探索過程，在設計與探究中完成計算思維的培養與應用。然而，在工程項目設計中，如何更好地指向學生計算思維的培養目標，還需要在工程設計模式的基礎上加強落實對計算思維各要素的設計。喬伊斯·史密斯（Joyce Smith）等[3]提出的基于學科視角培養計算思維的框架（以下簡稱“史密斯框架”），為課程中創建支持學習者使用計算思維的STEM活動提供了設計要點，基于此框架的實踐將STEM活動作為實踐計算思維的載體，強調在活動設計時將計算思維實踐作為解決問題的工具整合到課程中。因此，本研究在已有基于工程設計的STEM活動基礎上，整合史密斯框架，探究工程項目中計算思維各要素的發展與實踐。

一、STEM背景下的計算思維教育

盡管目前對計算思維作為專業術語的討論尚未達成共識，但學校教育中一直隱含著計算思維的教育實踐，在不同的教育階段體現出不同的特質，培養目標從計算機科學家發展為信息時代的數字公民，課程載體也從編程教育到信息技術課程再到真實情境下的多學科、跨學科課程（如STEM課程）。這可以明顯看出計算思維已經成為一種學生必備的能力，并逐步內化為穩定的思維過程。

從理論發展來看，STEM背景下計算思維教育發展的兩個重要里程碑是：（1）戴維·溫特羅普（David Weintrop）在2015年提出了針對嵌入數學和科學學科課堂的計算思維框架，描述了計算思維在STEM學科中的應用，開發了CT-STEM技能分類。該技能分類清晰地展示了計算思維在數學和科學學科中的概念和實踐，回答了計算思維在數學和科學課堂上如何培養的問題。基于此框架，專業團隊在CT-STEM平臺上開發了60多門課程，涵蓋數學、生物、物理等多門學科。（2）2018年，研究者以培養勝任STEM工作者為目標，提出了史密斯框架，即通過理解復雜系統（CTF1）、用計算表示創新（CTF2）、利用計算能力和資源設計解決方案（CTF3）、對數據進行集體意義創造（CTF4）、理解行為的潛在后果（CTF5）五個要素，落實對計算思維抽象、分解、算法、仿真與建模等單個與整合技能的提升。隨后，《科學教育與技術雜志（Journal of Science Education and Technology）》中專設計算思維特刊，并呈現了諸多應用此框架的實踐案例。

從培養實踐來看，問題驅動的學習、基于設計的學習、工程設計是STEM課程中培養計算思維的主要教學模式。在此基礎上，亦有研究從計算思維的構成要素入手，對應STEM教育全過程進行案例設計與驗證。其中，工程設計作為一種學習、應用和連接STEM學科概念的手段，已有多項研究讓學習者整合STEM內容參與工程循證推理實踐，并在基于工程設計的STEM教學中培養計算思維。杰伊蘭·申（Ceylan Sen）等[4]、楊大治（Dazhi Yang）等[5]分別在機器人設計和橋梁工程項目中進行了基于工程設計的STEM活動的設計與實踐；周平紅等[6] 借鑒工程設計流程和基于設計的雙循環探究模型，構建了整合計算思維培養的STEM工程設計教學模式，并將其應用于“植物工廠”課程，從而在工程設計的各個活動環節中培養計算思維。在此過程中，如何讓學生在參與工程設計時有效地使用STEM概念知識是創新整合工程設計和STEM的關鍵，而如何設計活動實現對計算思維各要素的培養又是基于工程設計的STEM教學的實踐取向之一。

以上研究與實踐表明，STEM課程中計算思維的培養從信息技術學科到嵌入數學、科學學科，再發展至跨學科，并從解答如何培養的問題轉向強調表征計算思維在學科內的應用結果，采用的教學模式包括問題驅動學習、基于設計的學習、工程設計教學等。

二、面向計算思維培養的STEM工程設計活動

（一）STEM課程中整合計算思維培養的新思路

最早卡倫·布倫南（Karen Brennan）及其團隊[7]基于Scratch編程環境下的計算思維實踐，總結了三維培養框架，為相應課程設計提供了指導。隨后，有研究者在此框架的基礎上不斷擴充維度，但該框架的提出及維度的細化都是從編程角度出發的，易導致后續計算思維的培養絕大多數局限于編程環境，限制了課程設計；同時，該框架的提出源于課外社區的實踐，因此未能充分考慮課堂教學的諸多特點。戴維·溫特羅普團隊提出的計算思維培養框架緊貼數學和科學課堂，提供的案例也較為經典，表明計算思維的培養在課內逐漸走向“專業化”，且在計算思維之上關注學科特點。但其存在學科局限性，且未能表征計算思維與學習結合產生的結果。

史密斯提出的計算思維培養框架的5個要素都經過了STEM領域專業人員的認證，確保與STEM課程緊密聯系，為STEM課程中的計算思維培養提供了可實施的設計要點。同時，五大要素相輔相成，學習者在數據分析中可以理解系統各部分的關系，在改變變量的過程中發現不足、提出問題，而后利用算法和整合資源，設計并優化解決方案，之后在方案應用的過程中探究出現不同結果的原因，最后再次進行迭代，直至找出最優解。在此框架中，學習者通過體驗系統、理解系統，從而發現問題。這種方式更加符合STEM領域的真實情況——對計算思維的培養，由建模和仿真轉向理解復雜系統，從單純的情景問題抽象到用計算表示創新而產生新的想法，由算法、編程和軟件開發轉向利用計算和整合資源，從數據收集和分析轉向集體感知、理解后果并預測。值得注意的是，該框架中的“理解行為的潛在后果”這一維度適應了人工智能的迅速發展，可以幫助學生通過組合分析現有情況來預測未來事件的可能后果。

（二）STEM工程設計循環下計算思維培養的設計

1. 設計思路

以工程設計循環（engineering design process）組織教學過程，以史密斯框架五要素指導計算思維培養活動設計，解決當前創新整合工程設計與STEM教學、將計算思維各要素落實于STEM教學各階段兩個方面的問題。

工程設計循環主要包含提出問題、設計解決方案、創建原型、驗證和改進等階段，用以支持學生實現從需求到設計的發展過程。工程設計循環的教學模式既體現了“設計”，又突出了“探究”，符合STEM教育的要求。同時，工程設計循環的具體步驟為STEM活動中計算思維的培養提供了實踐場域。在真實環境中，學生以科學家或工程師的身份，通過現實與理想之間的差距，驅動主動探究，進而產生強烈的疑問和好奇心。學生進入工程項目設計后，將外在的好奇沖動（探究）轉化為尋找問題解決辦法（設計）。在這個過程中，學生整合資源、設計算法、調查分析，使用并發展計算思維技能，從而創建原型、完成設計。

對應工程設計循環的5個階段，參考史密斯框架提出的計算思維培養五要素，形成（如圖1所示）的教學活動設計思路，在實踐視角下落實對計算思維各要素的培養。①數據分析及可視化模擬：提供模擬系統供學生調試操作（如魚與浮游生物組成的模擬生態系統），基于可視化結果了解系統變化，從而發現系統中隱含的問題；②理解系統：學生根據模擬結果理解復雜系統，并產生“如果……會……”的思考，以根據情境提出問題；③抽象問題、分解步驟：學生簡化復雜系統情境而明確核心問題，并對所確定的問題進行細分，以形成系列子問題；④整合資源、分析算法、建立模型：獲得、整合適用于方案設計的相關資源，選擇合適的算法表示方法進行算法的設計與分析，對方案設計進行評估與優化；⑤感知結果：在模擬情境或真實情境下反復測試產品并觀察可能結果，體驗工程設計的循環與迭代。

2.活動設計框架

根據上述活動設計思路，本研究構建了指向計算思維發展的STEM教學活動設計框架（如圖2所示）。該框架依據工程設計循環將學習活動劃分為4個階段，在每個階段，教師和學生都有相應的角色和任務，設計意圖則呈現了設計要素的落實及對計算思維的培養作用。通過五要素的循環遞進、相互作用與師生活動的有序開展，最終實現學生計算思維的培養。

（1）提出問題。教師發布特定主題的學習任務，扮演“客戶”，明確項目需求；學生通過系統模擬感知問題情境，從中發現問題并確定需要解決的關鍵問題。此階段有助于對學生概括能力的培養與提升。

（2）設計解決方案。當明確關鍵問題之后，教師將進行多學科的知識講授，為學生提供各類課程學習資源，讓學生掌握與問題解決相關的背景知識。學生在厘清問題解決步驟的前后順序、先決條件的基礎上，協商算法，借助必要的建模工具建立模型并不斷修正算法。此階段有助于培養學生的算法設計能力、算法評估能力與資源整合能力。

（3）創建原型。在模型構建的基礎上，學生開展小組協作，使用工具與材料按照所確定的模型開展實物搭建。這是將解決方案具體實現的重要過程，在搭建過程中，要求學生不斷思考實施的效果并加以修正。該階段不僅可以增強學生的合作意識與創造性思維，更能幫助學生養成良好的操作習慣，使其在實踐探究的過程中提升科學思維能力。

（4）驗證與改進。該階段，學生要對照標準對產品的性能進行測試與驗證，再通過教師評價、組間互評和自我評價對作品進行評估。在此過程中，學生可以充分利用工程設計的迭代與循環，在批判與優化過程中提升評估與概括能力。

三、面向計算思維培養的小學“船模”課程實踐

（一）“船模”課程概述

“船模”課程通過開展一系列關于船模的理論學習與實踐研究，從船的基礎結構到船模制作，從外觀裝飾到動力搭建，幫助學生對船模及船模制作形成新的認識。該課程涉及科學（S）、技術（T）、工程（E）、數學（M）多學科知識，蘊含對計算思維的培養目標（見表1）。

（二）面向計算思維培養的小學“船模”課程設計

1. 教學活動設計

“船模”課程是以設計與手工制作為主題的課程，參考圖2所示的活動設計框架，形成下頁圖3所示的“船模”課程教學活動。其中，“船體制作”“模型的推進與傳動”以及“船體美化”3個階段均以工程設計循環為主線展開。課程的教學步驟為：通過仿真模擬，讓學生理解船模系統的構成，抽象分解構造船模的主要步驟；學生設計、安裝主船體和甲板，組裝驅動裝置，構建船模基本構造；最后對其進行精加工，例如防水防潮處理，進一步完善船模。

在“船體制作”階段，學生基于船模模擬系統，在游戲中自由模擬船航行的情況，探究影響船航行狀況的因素：船的材料、驅動方式以及航向。結合模擬經驗，幫助學生了解船的基本構造，促進學生將直接經驗與將要進行的項目建立聯系，激發其學習興趣。在此基礎上，學生學習理論知識，查找資源，制訂初步方案，結合教師對CAD制圖軟件、比例尺等必要知識的講解，繪制主船體的設計圖。基于設計圖，激光切割模板，對照工程圖組裝主船體。

在“模型的推進與傳動”階段，學生記錄主船體內原件的安裝位置，并分組討論可行性；根據搜集的資料，安裝船模驅動裝置。教師需要補充相應學科和工具知識，幫助學生理解原理，引導學生思考船體設計時預留位置的用意。在充分學習思考之下，各小組確定安裝方案并完成驅動裝置的安裝。電路元件中預留了拓展接口，留給學生課后實踐，進一步完善船模。

在“船體美化”階段，考慮到課時及材料的限制，本次教學活動中，學生只需要設計安裝甲板，構成完整船模，其他材料將統一發放。此過程類似主船體的活動過程，其不同之處在于，學生是在基于之前完成的CAD圖和已經完成部分的船模基礎上來收集甲板的尺寸。學生先在紙上畫出船模的大致樣子，再測量尺寸，對比著完成甲板的CAD圖，進行切割后安裝在主船體中。

2. 課程實施環境

在本研究中，實踐環境為STEM教室，包括支持學生學習、設計與創造的協作空間，以及支持活動開展所需的工具和原材料，提供CAD制圖工具、手工工具、搭建材料等，確保學生順利進行船模的設計、搭建與實施。考慮到學習者是小學生，教師需要保證環境的安全性，確保尖銳工具（如剪刀、壁紙刀等）使用、電子線路連接的安全。

（三）研究設計與實踐

1. 研究對象

本研究的教學實驗對象是浙江省某小學參與俱樂部課程的三至六年級學生，其中，男生有25人（73.5%），女生有9人（26.5%）；三年級學生有13人（38.2%），四年級學生有8人（23.5%），五年級學生有10人（29.4%），六年級學生有3人（8.8%）。

2. 實施過程

課程實施9周（每周3課時，120分鐘）。實驗開始前，讓學生填寫計算思維量表（CTS）及Bebras計算思維能力測試，以了解參與者的計算思維能力起始水平。實驗過程通過船體制作（4課時）、模型的推進與傳動（2課時）及船體美化（2課時）3個工程設計循環展開，學生最終制作一艘仿真船模。課程實施結束后，學生完成計算思維量表和能力測試后測。授課教師D老師有20余年教齡，長期負責學校的信息技術課程以及模型類拓展課程的教學工作。

3.測量工具

選用的計算思維量表由厄茲根·科爾克馬茲（?zgen Korkmaz ）等[8]開發，白雪梅等[9]翻譯修訂。已有研究改編該問卷用以評價STEM課程中學生的計算思維變化[2] 。本研究選取量表中創造力、問題解決和協作思維3個維度中的題目。信度檢驗結果顯示，量表的Cronbach α系數為0.751；效度分析結果顯示，量表的KMO值為0.704，Bartlett球形度檢驗p值為0.000lt;0.05。表明該問卷具有較好的信效度。

選用的Bebras計算思維能力測試（2020年）是通過一系列現實生活中的情景問題來測量學生對抽象、分解、算法、評估和概括這5方面計算思維能力的掌握程度。該測試共10題，均為選擇題，并僅有唯一正確答案。題目劃分為3種難度：簡單（第1～5題，10分/題）、中等（第6～9題，15分/題）和高等（第10題，20分/題）。

學生的船模制作過程，也是其運用計算思維解決問題的過程，能夠反映出學生的計算思維實踐水平。本研究在每個工程設計后提供評價反饋單，用于記錄學生的過程性數據。評價單中的問題映射活動設計要素，透過此反饋文本能反映出學生在活動中的計算思維發展情況。

4.數據分析方法

采用配對樣本t檢驗分析參與者在課程前后的計算思維能力變化；采用認知網絡分析（Epistemic Network Analysis，簡稱ENA）方法分析學生在實踐過程中計算思維的發展情況。

ENA過程中，根據計算思維的五個要素建立學生反饋文本編碼框架（見表2）。通過將任務評價單中的手寫評語逐條錄入Excel中，共得到332條有效反饋話語。依據編碼框架，每行話語均對應編碼框架中的五個維度，研究者對每一行話語采取二進制編碼，即判斷該話語是否包含五個維度，一句話可以標記一個或多個維度。為消除編碼時摻雜的主觀因素，所有對話記錄由兩名研究者獨立編碼，分析結果顯示（Kappa=0.808），兩個編碼具有較強的一致性。所有會話數據編碼后，將每一個維度的縱向編碼進行二進制求和，若某位同學將一個點重復說兩遍，也就意味著他在某個維度上重復理解了兩次，最終只需要記錄1次。隨后，將累加好的編碼導入ENA工具，可自動完成轉換、降維等步驟，并生成相應的模型。

（四）數據分析結果

1. 計算思維能力分析

配對樣本t檢驗結果顯示（見表3），在開展“船模”課程后，學生的創造力、問題解決和協作思維均有不同程度的提升，其中在創造力和問題解決維度上存在顯著性差異（t=-3.74，p＜0.01；t=-5.18，p＜0.001）。此外，學生計算思維測試后測得分高于前測，且存在顯著差異（t=-9.87，plt;0.001）。這表明課程的實施對于提升學生的計算思維能力產生了積極效果。

2.計算思維認知網絡分析

根據文本編碼數據，將“船體制作”設為第一階段，將后兩個工程設計循環設為第二階段，采用ENA工具生成了兩個階段對應的認知網絡圖（如圖4所示）。為了從統計學意義上了解不同階段學生認知網絡結果的差異，采用t檢驗對X維度和Y維度的組間差異進行分析。結果發現（見表4），兩組認知網絡在X維度上存在顯著差異（第一階段M=0.65，第二階段M=-0.70，t=-9.95，plt;0.05，Cohen’s d =2.62），在Y維度上不存在顯著性差異，第一階段元素節點的連接在X軸正方向上更強，第二階段節點間的連接在X軸負方向上更強，說明學生在兩個階段有著不同的計算思維發展水平。

已知兩階段在X維度上存在顯著差異，將認知網絡圖進行疊減呈現，以分析兩個階段中學生計算思維在各維度的表現。如果兩組存在元素間連線的重疊，最終呈現出來的是連接較強組的顏色，并且線條粗細都會相互疊減。分析發現：第一階段中，抽象、分解、評估與概括兩兩要素之間建立了較強的聯系，算法思維與其他要素之間未有明顯的相關鏈接，說明第一階段學生對制作船模的工具、資源還在摸索階段，影響了制訂具體解決方案過程中算法思維的應用。第二階段的認知網絡圖中，算法思維與其他要素的連接加強，表明隨著經驗的加深與學習內容的不斷深化，學生的算法思維得到了發展，5個要素之間的聯系更為緊密。同時，兩個階段的疊減圖也顯示出學生的算法思維在第二階段發展更突出。可見，課程的實施提升了學生的計算思維實踐水平。

四、結論與討論

（一）基于工程設計的STEM活動促進計算思維的發展

本研究在STEM課程中的“船體制作”“模型的推進與傳動”以及“船體美化”3個階段均以工程設計循環不斷強化計算思維實踐，提升學生的計算思維能力。學生在“探究”和“設計”的雙重驅動下，體驗跨學科知識應用，實踐計算思維技能，從而完成船模制作安裝。從ENA分析結果來看，在活動推進過程中，算法思維與分解、抽象、概括和評估的連接逐漸加強。同時，計算思維量表與測試的前后測也都證實學生的計算思維能力得到有效提升。這一研究結論與周平紅等[6]利用此模式培養計算思維的實踐結果一致，同時也有效支持了學者提出的使用工程設計循環組織STEM教育活動能有效培養高階思維的觀點[10-11]。

（二）基于工程設計的STEM學習活動中五要素的落實促進計算思維實踐發展

深耕“STEM+CT”領域需要更扎實的培養框架來指導設計實踐。本研究結果表明，依據史密斯框架五要素設計的STEM工程設計活動可以為學生提供真實的實踐機會，激發他們對手工類課程的操作熱情，并通過積極的合作交流完成作品制作，從而有效地培養他們的計算思維能力。在每階段活動開始時，引導學生調動使用概括技能，通過積累模擬經驗來識別系統各部分之間的關系。爾后，依據學習項目需求，抽象描述所聚焦的問題，分解解決問題的步驟，此時學生需要用到抽象、分解兩大計算思維技能。在設計解決方案的過程中，學生需要合理利用資源，并精準安排安裝順序及位置，在反復策劃中，算法思維會被重復利用，進而通過比較得到最佳方案。最后，學生體會新模型構建的系統，并對成果再次識別、評估，對整個項目進行全面評價。如此往復3個循環，結合計算思維發展軌跡及測試結果發現，第二階段中算法思維和其他維度的連接加強，說明本階段學生注重算法思維的應用以系統設計解決方案，而算法思維與評估能力的加強預示著學生糾錯迭代能力的提升。總的來說，整合五要素的STEM工程設計活動使得學生的計算思維實踐成為項目完成的必經之路，并且運用計算思維技能水到渠成。

（三）不足與展望

本研究針對工程設計與STEM創新整合以及在此過程中落實計算思維構成要素的培養問題，構建了面向計算思維培養的STEM工程設計活動框架，并在小學“船模”課程中進行了應用。實踐證明，該框架具有可行性和較好的實際效果。然而，本研究仍有一定不足：由于課程實踐周期較短，高階思維能力提升需要較長時間才能顯現，因此下一步研究需進行長期教學實踐以驗證效果。同時，本研究所構建的設計框架的適用性有待在未來實踐中持續優化和完善。

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（責任編輯 李強）

Research and Practice of Engineering Design Based STEM Teaching Approach on Students’ Computational Thinking

Guan Jueqi， Wang Wenzhuo， Lan Tingting

（College of Education， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang， China 321004）

Abstract： STEM curriculum is an important carrier to cultivate students’ computational thinking， which in turn can facilitate the development of students’ multiple abilities in real-life situations. In the context of new engineering education， this study proposes to organize the teaching process with the engineering design cycle and create a framework for designing STEM teaching activities to support students’ computational thinking with the five elements of Smith’s framework. The design and implementation of the activity is based on the example of the elementary school “Ship Model” course. A pre-text and post-test experiment with a nine-week follow-up is utilized， supplemented by a task list， to explore the impact of curriculum implementation on elementary students’ computational thinking skills and practices. The results of the data show that the curriculum stimulates students’ computational thinking ability; the results of the cognitive network analysis show that the implementation of the curriculum promotes students’ computational thinking practice， and that students’ algorithmic thinking develops significantly and the connection of elements is stronger after the completion of the ship modeling.

Key words： STEM curriculum; Computational thinking; Engineering design cycle; Cultivation framework; Ship modeling