促進計算思維的C-STEAM教育項目式學習設計與實施

摘要：本文以銅壺滴漏主題為例，采用C-POTE模型設計并實施跨學科主題學習活動。實踐表明，本次學習活動有效整合了項目的“傳承”與“創新”，促進了學生計算思維的發展，增強了學生的文化認同和民族自信，為中華優秀傳統文化的教育方式創新提供了新的探索路徑。

關鍵詞：計算思維；C-STEAM教育；項目式學習；銅壺滴漏

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）06-0062-05

引言

《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》明確指出：義務教育課程需要優化課程內容結構，設立跨學科主題學習活動，加強學科間相互關聯。[1]然而，目前的跨學科主題學習缺乏具體的問題鏈和任務簇，難以實現學生全面發展的培養目標。基于此，詹澤慧等人在面向文化傳承的學科融合教育（C-STEAM）的基礎上，梳理了16個學科的跨學科主題學習的要求，提出“C-POTE”模型并進行有效論證。本文，筆者嘗試將計算思維的培養融入面向文化傳承的學科融合教育的項目式學習中，并以銅壺滴漏主題為例，采用C-POTE模型設計并實施項目教學，以更好地促進學生的計算思維發展，幫助學生深入了解中華優秀傳統文化。

文獻綜述

1.計算思維

周以真[2]提出，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。Korkmaz等人[3]根據ISTE計算思維理論框架，編制計算思維量表（Computational Thinking Scale，簡稱CTS），并對其進行修訂，使其適合測量K12階段學生的計算思維能力水平，得到廣泛認可。美國國際教育技術協會（ISTE）解讀計算思維是創造性思維、算法思維、批判性思維、問題解決能力、合作思維和溝通技能的共同體現。

2.面向文化傳承的學科融合教育（C-STEAM）與C-POTE模型

STEM教育有機融合了科學、技術、工程和數學等多學科知識，有助于利用跨學科知識解決生活中的真實情境問題。從STEM教育的演進歷程來看，人文藝術作為不可或缺的元素，被有效地融入到跨學科學習活動當中，使得STEM教育擴展為STEAM教育，幫助學生以更加多元化的視角去看待問題、解決問題。2016年，鄒曉東提出A-STEM的概念，將人文與科創進行深度融合，以便更好地培養面向未來的人才。陳忞等人在此基礎上深入分析了A-STEM的跨學科融合教育價值，認為人文藝術能夠自然地構成其他學科表達、表現與交流的基礎。[4]21世紀核心素養5C模型報告將“文化理解與傳承”作為核心，強調在實際行為層面踐行優秀文化所蘊含的人文精神與價值觀念。[5]詹澤慧等人在A-STEM和21世紀核心素養5C模型基礎上，提出了面向文化傳承的學科融合教育（C-STEAM），并細化其核心價值定位和分類框架[6]，同時，還在C-STEAM基礎上構建了以“概念群→問題鏈→目標層→任務簇→證據集”為核心的“C-POTE”模型[7]，強調學科大概念，注重問題鏈和任務簇的層層遞進，以有效開展跨學科主題學習活動。

綜上所述，C-STEAM將優秀傳統文化與學科教學深度融合，采用C-POTE模型將多學科主題內容融合起來，真正做到優秀傳統文化的傳承與創新，以培養學生的高階思維能力。

3.C-STEAM、C-POTE模型與計算思維的關系（如圖1）

C-STEAM強調面向文化傳承的跨學科主題學習，通過整合跨學科知識解決實際問題，是培養計算思維的重要途徑。同時，C-POTE模型主張以大概念為基礎、以核心素養為導向的跨學科教學思路，通過問題鏈和任務簇將多個學科知識串聯起來，采用項目形式解決實際問題。因此，強調運用計算機科學的基礎概念進行問題求解的計算思維可以幫助學生在C-STEAM項目中更好地學習，而C-POTE模型將為項目開展提供強有力的理論支撐。

促進計算思維的C-STEAM教育項目式學習案例研究

1.研究設計

（1）研究目的

銅壺滴漏是我國古代的一種計時器，其通過觀測漏水來計時，彌補了圭表、日晷等依賴日光的計時器的缺陷，體現了中國先進的古代科學技術和創新精神。本研究從計算思維視角出發，主要讓學生了解古代計時工具的演變，理解銅壺滴漏的構造原理，分析現有水鐘作品以及實驗誤差，探討可改進的地方，并在此基礎上結合信息科技進行文化制品的設計制作，讓學生學會通過觀察裝置的呈現效果，優化實驗結果，從而促進其計算思維的發展。

（2）研究對象

為了更好地體現研究的可靠性以及分析數據的科學性，本研究以Z市某中學八年級學生為研究對象，采用隨機抽樣的方法隨機抽取15名學生組建C-STEAM教育項目學習小組，開展為期4周的項目實踐。

（3）研究工具

計算思維量表（CTS）、學習任務單、學習評價表。

2.研究實施

本研究以義務教育信息科技八年級“物聯網實踐與探索”中的跨學科主題的設計制作類為例，選取銅壺滴漏項目，引導學生運用跨學科知識解決復雜問題。

（1）深入文化內涵理解，明確概念群

學生通過基礎閱讀和文化觀摩等活動，構建對古代計時工具技術和文化內涵的進一步認識。教師將圭表、日晷、刻漏、水運儀象臺等幾類古代計時工具的相關圖文和視頻資料分發給不同小組，引導學生理解計時工具的構造原理和優缺點，讓學生對古代的計時技術演變有更直觀的感受，從而確定跨學科主題——“認識和改造銅壺滴漏”。同時，幫助學生組織歷史、數學、物理和信息科技等學科相關知識內容，借助大概念生成圖示，厘清項目活動中涉及的一級學科大概念，并在學科交叉的基礎上生成二級跨學科大概念，最終概括形成三級跨學科大概念，即時間可以通過多種方式測量，具體如圖2所示。

（2）體驗文化情境感知，形成問題鏈

本階段包括四個學習活動，即創設情境、提出問題、形成小組、明確任務。在創設情境環節，教師提出“光陰為什么叫光陰”“‘一寸光陰一寸金’這句話中為什么光陰以‘寸’計”“時辰指什么”等問題，引發學生的思考。在提出問題環節，教師通過圖片、視頻等資料向學生展示中國古代計時的多種工具和方法，引發學生對古代科技的文化認同，并引導學生圍繞其提出更多新問題，如“這些計時工具的結構是怎樣的”“它們是如何計時的”“它們各有什么優缺點”。在形成小組環節，學生可進行異質分組，有效保證項目的正常開展。在明確任務環節，一是了解古代各種計時工具的結構原理、優缺點等，以及古今計時法的關系和換算方式；二是了解其他的水鐘作品制作過程，分析其實驗誤差，探討可改進的地方，并利用身邊的材料，借助Arduino制作出改良版水鐘。

（3）引導文化特征探究，制訂目標層

本項目選取由元代廣州工匠所制的銅壺滴漏為探究和創作主題，讓學生探究銅壺滴漏的特征。首先，教師展示銅壺滴漏圖片，引導學生提出問題，如“銅壺滴漏裝置的計時原理”“銅壺滴漏裝置為何需要三個銅壺（日壺、月壺、星壺）來出水”，學生結合物理常識，通過簡易實驗，理解銅壺滴漏的基本結構需求，并填寫學案。接著，教師展示其他學生的滴漏作品，引導學生思考在實驗中可能導致誤差的原因，并思考是否可以利用傳感器、編程技術進行創新改進（形成初步的設計想法）。

例如，就“如何記錄時間t與水位高度h兩個變量之間的關系”這一問題而言，在改進裝置前，通過秒表計時，每間隔一定時間（如一分鐘）畫一條刻度線，標記水位高度。在實際操作中，觀察秒表到達某一時刻與畫下刻度線這兩項動作之間可能有一定的時間差，而畫下的刻度線與那一時刻實際的水位高度也可能存在偏差。在改進裝置后，利用超聲波傳感器采集水位高度數據，并將計時任務交由程序去完成，通過程序計算時間t和水位高度h之間的函數關系，再通過函數關系和h值推出t值，借助Arduino套件中的電子屏，實時顯示t值，如圖3所示。

（4）實現文化制品創作，設計任務簇

本階段通過讓學生進行文化制品的設計與創作，培養其動手操作能力。

首先，測試超聲波傳感器。教師引導學生編寫Mind+程序，在受水裝置中注水，實時觀察串口監視器回傳的h_test值（傳感器與水平面的距離），檢驗HC-SR04超聲波傳感器精確度，發現h_test值并不準確。教師介紹HC-SR04超聲波傳感器的測距原理，學生根據原理分析誤差原因：受水瓶口太小，超聲波的發射探頭發出的信號先到達了瓶口邊緣，而不是到達瓶中的水面，測到的是超聲波傳感器瓶口邊緣的距離，而不是到水面的距離。因此，需改進受水裝置，讓超聲波傳感器能直接探測到水面。教師引導學生畫圖并利用數學知識分析出受水裝置應該盡量矮而寬才能滿足該需求。

接著，各組學生通過繪制草圖來設計裝置，并確定所需材料、策劃制作步驟。在備好材料后，學生搭建滴漏裝置、分解問題、設計算法、編寫程序。在實驗驗證階段，可以通過I2C液晶顯示屏第一行顯示系統計算出的水流時間，第二行顯示通過水面高度變化量與系數相乘得到的時間。運行程序，對比兩行時間數據，數據越接近，即說明該滴漏裝置計時越準確。

在測試過程中，學生會發現一些問題，教師需要適時幫助學生分析其原因，并對程序進行優化，如表1所示。

（5）聚焦教學評一體化，收集證據集

在完成創作后，各組進行作品展示。學生可選擇合適的多媒體手段展示小組作品，如通過在線平臺進行作品展覽和交流分享。教師引導學生為作品評分，并思考其中難以避免的誤差因素。

3.研究結果與分析

（1）C-STEAM教育項目式學習能夠有效促進計算思維的發展

為了檢驗學生在項目式學習前后計算思維能力有無差異，本研究采用配對樣本t檢驗進行論證。結果顯示，在學生完成項目式學習后計算思維能力的均值要高于項目式學習前計算思維能力的均值，且存在顯著性（p＜0.05），如下頁表2所示。由此可見，C-STEAM教育項目式學習采用C-POTE模型設計并實施跨學科主題學習活動，能夠有效促進學生計算思維的發展。

（2）C-POTE模型的教學過程能夠充分體現出計算思維

為了更加全面地了解項目實施的效果，本研究對學生的學習任務單和學習評價表進行分析，并且對部分學生進行深入訪談。首先，從學習任務單的填寫情況來看，大部分學生表示項目分析和項目規劃的能力最為重要，需要在項目開始時分析項目目標及其可行性，規劃項目實施方案，并且針對給定的任務進行分解，明確需要解決的關鍵問題。從學習評價表的填寫情況來看，（在PPT匯報層面）學生對銅壺滴漏的文化理解較好，能夠反映出學生深入了解過銅壺滴漏的優秀傳統文化；（在文化制品制作層面）學生對滴漏裝置的制作具備一定的創新意識；（在實驗層面）學生對滴漏裝置測試、實驗數據記錄和制品迭代均有較高評價。其次，從訪談結果來看，當學生被問到“如何記錄時間t與水位高度h兩個變量之間的關系”時回答說：“可以結合智能設備來檢測水位變化，如傳感器能夠實時傳輸數據，能夠將水位高度呈現出來。”由此可見，學生能夠從問題中思考解決方案，并且從傳感器的角度思考遷移與創新，體現出計算思維在現實生活中的意義。

結語

C-STEAM教育項目式學習是一種面向文化傳承的跨學科主題學習活動，立足學生心智發展水平，融合信息科技各模塊內容，創設真實情境，充分激發學生參與活動的興趣和創新動力，充分體現活動的綜合性和實踐性。研究表明，本項目采用C-POTE模型能有效推進項目教學，有助于促進學生的計算思維發展，增強文化認同和民族自信。后期，本研究將進一步開展效果驗證，并將其應用于更多面向文化傳承的項目教學當中，更好地做到優秀傳統文化的傳承與創新。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于印發義務教育課程方案和課程標準（2022年版）的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[2]Jeannette J M. Computational Thinking[J].Communications of the ACM， 2006（03）：33-35.

[3]Korkmaz O，Cakir R， Ozden M Y. A validity and reliability study of the computational thinking scales （CTS）[J].Computers in Human Behavior，2017：558-569.

[4]陳忞，陳珍國.A-STEM：跨學科融合教育價值重構[J].教育發展研究，2019（06）：15-22.

[5]本刊綜合.“文化理解與傳承”是21世紀核心素養的核心[J].福建教育，2019（10）：10-11.

[6]詹澤慧，李克東，林芷華，等.面向文化傳承的學科融合教育（C-STEAM）：6C模式與實踐案例[J].現代遠程教育研究，2020（02）：29-38.

[7]詹澤慧，季瑜，賴雨彤.新課標導向下跨學科主題學習如何開展：基本思路與操作模型[J].現代遠程教育研究，2023（01）：49-58.