運用計算思維開發STEM課程

盧華

〔摘? ? 要〕? 人工智能的發展為中國基礎教育改革帶來了新的方向。本文探討了如何運用計算思維促進小學信息科技課程的開發和應用，從而幫助學生更科學地提高學習成績。

〔關鍵詞〕? STEM課程；信息科技；計算思維；開發與應用

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 15? ? 064-066

當前，隨著中國經濟的快速發展和社會不斷變化，教育改革和進步出現許多方向，如數字化轉型、人工智能教學、STEM課程教學等。本文主要對小學信息技術STEM課程的開發和應用進行了探索和分析。

一、STEM課程是什么？

（一）STEM課程的概念

STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四個學科首字母的縮寫，旨在培養學生的科技理工能力，鼓勵學生在理工方面的專業學習，為開創科學創新的新局面打下基礎。

（二）STEM課程重點

STEM課程側重于加強學生四個方面的教育：科學素養，即利用物理、化學、生命科學和地球科學的知識來理解自然并參與影響自然的過程；技術能力，是指使用、管理、理解和評估技術的能力；工程能力，是指對技術設計和開發過程的理解；數學素養，是指學生在不同情境下發現、表達、解釋和解決數學問題的能力。

二、STEM課程的教學特點

（一）開放性

STEM教育的教學特點在于其開放性，不僅能夠向學生傳達知識，而且主要目的是完成教學項目，鼓勵學生全面應用所學知識解決實際問題。此外，STEM課程強調實用性，要求學生在實踐中能夠解決具體問題，使他們對知識的深刻理解來自生活的不同方面。在出現問題時，學生不需要考慮應用哪門學科，而是將綜合的知識直接應用到解決方案中。通過這樣的思維練習，在學生的腦海中無形地打破了不同學科之間的障礙，擺脫傳統思維模式的束縛。

（二）應用性

傳統教育重在向學生傳達知識，而STEM課程的核心目標主要培養學生解決實際問題的能力。因此，學生應該將知識獲取與實踐作業相結合，而不是僅僅局限于課本上的知識。因為對知識的深刻理解來自生活的各個方面，所以他們能夠實際應用知識，而不僅僅局限于課本知識。在這一教學哲學框架內獲得的知識更加全面，符合小學科學課程改革對知識學習的要求。

三、計算思維的特點

計算思維是基于技巧，而非機械技巧的思維模式，是人而非計算機的思維模式，需要從抽象層面思考的一種內在思維能力。信息技術和計算思維是相通的，都是人們通過學習和訓練，通過與計算機聯系而掌握的能力，以及對內化能力的欣賞。但兩者也有最根本的不同：信息技術強調的是人本身運用電腦工具的能力，而計算思維則更側重于作為電腦科學家的人的思維能力。

四、計算思維與比較中的信息科技素養

培養學生的核心素養包括資訊意識、計算思維、數位學習與創新、資訊社會責任。這四個方面各有特點，同時又相互支撐、相互滲透，共同促進數字技能和學生技能水平的提高。教學理念的深刻轉變體現在課程名稱的變化上。突出技巧性的操作和知識點、技巧和能力的培養，使學生知其所以然，融會貫通；以技術為先導，強調對世界的認識，培養面對問題時分析問題和解決問題的能力。在技術的指導下，學生能夠得出結論并整合知識，提高適應性能力和創造力。

五、運用計算思維開發信息科技STEM課程

（一）教學理念更簡單，教學方法更多樣

STEM課程主要目的在于培養學生學以致用的能力。所以，教師必須熟練地運用電腦思維來教學。學生在學習復雜的學科知識時往往感到枯燥乏味，教師就可以用情景教學、講故事、提問題等多種教學方法來吸引學生的注意力。教師把枯燥乏味的課堂變成輕松愉快的學習環境，通過運用不同的教學方法，激發學生的學習興趣和熱情。最后，教師應該知行合一，讓學生學以致用。通過實際操作，學生可以親身體驗科學實驗的樂趣，從而在未來的學習和生活中產生更大的動力。例如，在動畫制作軟件的教學中，蒙版的應用是一種重要的動畫制作方法，教師應以幫助學生理解蒙版動畫原理、掌握蒙版動畫應用為教學目標。大多數學生已經掌握了動畫插值和形狀插值動畫，并對幀和圖層的概念有了很好的理解。基于這一基礎，我將教學任務情境化，并設計了一個場景，讓宇航員費俊龍、鄧清明、張陸在神舟十五號飛船成功發射后觀察地球的自轉，“地球自轉”動畫需要學生自己動手做出來。在這個背景下，我運用了地理學、信息技術、空間幾何學和繪畫等學科的知識來設計STEM教育項目。

（二）廣泛使用多種教學資源

在STEM培訓中，強調廣泛使用跨學科知識對學生綜合素質的提升至關重要。網絡為教師提供了豐富的資源，小學教師可以積極利用網絡資源，如收集科普視頻、科普動漫等豐富教學內容，以加深學生對知識的理解。另外，教師可以通過組織一些課外活動，如知識競賽、小游戲等，讓學生在活動中體會到知識的樂趣，從而促進學生的發展和提高，培養學生的信任感，以避免科學理論被認為是枯燥乏味的。在《認識畫圖》教學中，教師旨在幫助學生掌握操作技巧，能將“翻轉/旋轉”和“伸縮/扭轉”兩種指令靈活運用于繪圖軟件中，使之在調整形狀時更具美感。這樣的教學方式對學生審美能力的培養、操作技能的培養都有很大的幫助。在課堂教學中，教師可以先從幾何構成、色彩搭配等藝術角度，將圖形怎樣調整的問題向學生簡明扼要地講解，使之與審美習慣和圖形調整的整體思路更加吻合。然后，教師可以講解具體的操作指令，比如：在講解“翻轉/旋轉”指令時，可利用數學課上學生所學知識，簡單講解“水平翻”“垂直翻”“以一定角度翻”等概念，并通過操作實例演示這些操作所能達到的效果。此外，教師還可以在這方面向學生深入淺出地介紹其他軟件的不同圖形操作方法，以便于學生看清調整圖形的內容，具有更廣闊的視角。這樣的教學方法可以幫助學生更好地掌握操作技能，提升他們的審美能力，豐富他們的綜合素質。

創新的教學策略與程序設計方法，缺一不可。整合式計算思維不僅改變了內容和工具，而且改變了教學的方式和途徑。在我們的研究課題中，我們對一系列的程序設計策略和方法進行了歸納和總結。首先，使用案例教學讓學生能夠獨立構建編程指令集。“程序化學習”主要涉及三個方面的知識內容：環境知識、語言知識和應用知識。語文規律本身的東西，才是語文學習的核心。傳統的編程教學主要采用標準化的方法，從基本的語句格式開始，詳細講解不同語句的各個元素，最后對語言規則舉一反三地介紹。與之相比，我們采用的是案例研究教學法，先仿照典型程序，歸納基本語句格式或解題基本規律，然后在程序設計教學中套用這些規律或方法，使同類問題得到解決。學生不僅能夠掌握編程語言的基本規則，還能夠將所學知識應用到實際問題中，從而更好地理解和掌握編程的核心概念。這種方法可以激發學生學習的興趣，提高他們的實際技能，并幫助他們更好地理解和掌握程序設計的關鍵要素。

目前，大多數中小學和高中使用源代碼編輯軟件進行編程教學。學生可以輕松創建游戲和編程產品，這些產品包含故事情節，只需拖動圖形。學生在“創建應用”的編程方法基礎上，完成學習編程的一項重要任務，不再僅僅是寫代碼，而是設計功能齊全的應用。

案例1：我的源代碼編輯繪圖程序。

教師展示了一個學生的源代碼編輯作業示例——“繪制一幅圖”。

在節目中體驗節目操作，思考人物，以及與之相對應的作用。

觀察主要動作的是畫筆工具，分析圖形腳本，并以直線連接的方式操作，與對應的腳本模組完成“連接”的過程。

兩人合作，一人負責保持現有實例程序不變，另一人負責將對應的指令從“PaintPen”工具元素中刪除，并對比分析每一條指令的效果。學生需要根據自己的意圖，在創建“繪圖”程序的過程中，對用戶與程序之間的交互方式，以及實現功能的途徑進行深入思考。知識與技能的學習被有機地融入設計意義非凡的“繪圖”程式之中。這樣，學生就不再只是一個消費者了，而變成一個技術的創造者。除此之外，學生還可以在其基礎上學習編程，甚至寫出更“累贅”的程序。這種教學策略的基本理念是利用、改變和創造。通過對模擬設計參數的改變，引導學生找到別人的解題方法，從而對技術的核心要點有進一步理解。在此基礎上，學生要試著在游戲中加入更多的功能，把學到的知識和技能運用到解決實際問題的過程中去，這樣學習起來才會更有樂趣。

案例2：畫組合圖形。

你能畫組合圖形嗎？初始角度是多少？畫這個圖形的命令是什么？畫完圖形后，圖形的位置在哪里？第二個形狀的起始位置在哪里？圖像的初始角度是多少？畫這個圖形的命令是什么？將復雜的組合形狀分解成兩個簡單的形狀——等邊三角形和四邊形，這樣學生在畫復雜形狀時，重點就能分開，難度就會降低，也更容易理解。這種分解方法有助于學生逐步掌握繪制復雜圖形的技巧，同時培養他們對圖形構成的整體認識和抽象思維能力，從而提高他們的邏輯思維和問題分解能力。這種教學方法不僅有助于學生掌握圖形繪制的基本技能，還能夠激發他們對圖形設計和創作的興趣，培養他們的創造力和想象力。通過模式構建培養正確的編程方法，對現代大型軟件系統的成功發展至關重要。在編程教學中，我們發現“個性化”方法更為嚴重，即使學生編寫了“大量”程序，他們仍然無法將其轉化為解決類似問題的過程。因此，我們主張模式構建，這涉及總結經驗和模式，以提供可轉移和推廣到更廣泛問題解決和應用的通用解決方案。通過模式構建，學生可以學會如何將抽象的編程概念與具體的問題場景相結合，從而更好地理解編程思維方法。

案例3：循環語句。

循環語句是編程中最有挑戰性的環節。主要是在使用圖形化編輯器編輯語句時，需要自己實現四個部分的循環。運用模式教授循環語句能夠幫助學生建立基本的模式，來解決循環結構問題：初始條件、循環條件、控制條件、循環體。在解決其他類似的問題時，學生只需要根據具體的題目，相應地修改這個基本模式對應的部分就可以了。模式架構下的編程學習，能幫助學生建立良好的編程思路和編程方式。

總之，隨著社會的不斷進步，國家對基礎教育的要求也在不斷提高。在給學生減負的同時，提高學生應用知識的能力變得格外重要。因此，本文就信息技術課程中計算思維在中小學階段的發展與運用進行了探討。簡單和高效是新時代基礎教育改革和發展的新方向，也是社會對人才的迫切需求。

參考文獻

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