中小學(xué)計(jì)算思維教育：STEM課程的視角

【摘 要】

信息技術(shù)的快速發(fā)展與普及深刻改變著人們的行為方式與思維特征，計(jì)算思維成為中小學(xué)信息技術(shù)教育的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文通過概念分析法，從“信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域思想方法”和“計(jì)算思維+其他領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)新”兩個(gè)層次界定計(jì)算思維的應(yīng)用特征；通過比較計(jì)算思維教育與程序設(shè)計(jì)教育的差異，確定計(jì)算思維教育在“培養(yǎng)數(shù)字公民”“提升學(xué)科核心素養(yǎng)”“促使學(xué)生動(dòng)腦思考與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合”等方面的超越與發(fā)展；針對(duì)中小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展需要，提出指向計(jì)算思維教育的STEM課程設(shè)計(jì)策略與結(jié)構(gòu)框架，以案例方式進(jìn)行解釋和說明。

【關(guān)鍵詞】 計(jì)算思維；STEM課程；中小學(xué)信息技術(shù)教育；程序設(shè)計(jì)教育；數(shù)字公民；學(xué)科核心素養(yǎng)

【中圖分類號(hào)】 G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1009-458x（2018）2-0044-7

信息技術(shù)的快速發(fā)展創(chuàng)造出一個(gè)全新的社會(huì)生存環(huán)境，現(xiàn)實(shí)空間和虛擬空間的相互交織重塑了人們溝通交流的時(shí)間觀念與空間觀念，改變著人們的行為方式與思維特征。在這種全新的社會(huì)環(huán)境下，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，提高他們利用計(jì)算思維解決問題的能力，成為信息技術(shù)教育的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

一、計(jì)算思維：數(shù)字化生存的一項(xiàng)普適能力

近十年來，移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新技術(shù)的革新與普及，使得以“程序驅(qū)動(dòng)”為特征的信息技術(shù)工具廣泛應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域，其所隱含的“計(jì)算方法”也潛在地融入人們的實(shí)踐應(yīng)用中。隨著信息技術(shù)與人們生活結(jié)合得日趨緊密，計(jì)算思維作為一種獨(dú)特的解決問題的思維方式，正逐步走出其學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域，成為數(shù)字化生存的一種普適能力。

2006年，卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)周以真教授（Jeannette M. Wing）明確提出計(jì)算思維的概念，強(qiáng)調(diào)“計(jì)算思維代表著一種普遍的認(rèn)識(shí)和一項(xiàng)普適的技能”（Wing， 2006）。在隨后的研究中她指出，計(jì)算思維作為人們解決問題的一種思維方式，其主要特征表現(xiàn)為“抽象（abstraction）、分解（decomposition）、遞歸（recursive）和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)（automation）”。這些特征不僅可以幫助人們把復(fù)雜系統(tǒng)模型化，還可以幫助人們分析所獲取和生成的大數(shù)據(jù)，從中得到相應(yīng)的知識(shí)（Wing， 2008）。顯然，人們想實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)解決不同領(lǐng)域的問題（如生物、化學(xué)、經(jīng)濟(jì)等），就需要理解計(jì)算機(jī)解決問題的一般過程與方法，并能將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化成適合計(jì)算機(jī)解決的問題的形式。此外，還需要將這種思維方式與其他領(lǐng)域相結(jié)合，在創(chuàng)造性解決問題的過程中形成新的知識(shí)，促進(jìn)個(gè)人發(fā)展。

2010年，英國(guó)學(xué)者塞爾比和伍拉德（Selby & Woollard， 2010）通過文本分析方法比較關(guān)于計(jì)算思維概念的各種代表性觀點(diǎn)，給出計(jì)算思維的發(fā)展性定義。他們認(rèn)為計(jì)算思維作為人們?cè)诮鉀Q問題過程中綜合思考的能力，其特征主要表現(xiàn)為：①抽象（abstraction）出問題的一般原理；②把數(shù)據(jù)、過程或問題分解（decomposition）成小的、可管理的部分；③設(shè)計(jì)解決問題的算法（algorithmic design）；④評(píng)價(jià)解決問題的過程并能將解決問題的方法一般化。這些特征反映出人們利用數(shù)字化工具解決問題的一般過程與方法，同時(shí)強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)（或反思）對(duì)于培養(yǎng)人們信息技術(shù)應(yīng)用及遷移能力的重要性，以更好地將信息技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域之中。

2011年，美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society for Technology in Education， ISTE）和計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teacher Association， CSTA）在聯(lián)合研究的基礎(chǔ)上，從操作層面對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行界定，指出計(jì)算思維的特征主要表現(xiàn)在（但不限于）：①能針對(duì)具體問題構(gòu)想出利用計(jì)算機(jī)或相關(guān)工具解決問題的方案；②有邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；③通過抽象的方式（例如模型或模擬）表示數(shù)據(jù)；④通過算法形成自動(dòng)化解決方案；⑤針對(duì)達(dá)到目標(biāo)結(jié)果的效率和效能，判斷、分析和實(shí)施可行性方案；⑥將解決問題的過程一般化（generalization），并應(yīng)用于更寬泛的問題解決中（ISTE & CSTA， 2011）。從上述特征可以看出，在數(shù)字化環(huán)境下人們不僅需要具備計(jì)算思維方式，還要能將這種思維方式應(yīng)用于寬泛的問題解決之中，并能將這種解決問題的方式一般化。

綜上所述，計(jì)算思維的提出超越了傳統(tǒng)信息技術(shù)工具論的觀點(diǎn)，從強(qiáng)調(diào)“信息技術(shù)工具的普適性”發(fā)展到強(qiáng)調(diào)“信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域思想方法的普適性”，以幫助人們更好地理解與適應(yīng)信息社會(huì)；從強(qiáng)調(diào)“信息技術(shù)工具與其他領(lǐng)域結(jié)合的普適性”發(fā)展到強(qiáng)調(diào)“將信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域思想方法與其他領(lǐng)域結(jié)合的普適性”，幫助人們更好地創(chuàng)新與推進(jìn)信息社會(huì)發(fā)展?；谶@樣的理解，計(jì)算思維作為信息社會(huì)公民的一項(xiàng)普適性能力，其應(yīng)用特征主要表現(xiàn)為：

其一，掌握信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法，即在與信息相關(guān)的活動(dòng)中能夠采用數(shù)字化工具可處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用數(shù)字化工具可處理的方法設(shè)計(jì)解決問題的方案。

其二，將信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法與其他領(lǐng)域相結(jié)合，創(chuàng)新解決問題的模式，也可稱為“計(jì)算思維+”，即將信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法與其他領(lǐng)域的內(nèi)容相結(jié)合，使得人們發(fā)現(xiàn)和解決問題的方式從“基于觀察”到“基于實(shí)驗(yàn)”再到“基于數(shù)據(jù)”持續(xù)發(fā)展。

其三，依據(jù)學(xué)科領(lǐng)域思想方法合理選用信息技術(shù)工具，利用信息技術(shù)工具解決問題，并能實(shí)現(xiàn)這種解決問題能力的遷移。通過培養(yǎng)計(jì)算思維，人們不會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)工具發(fā)展或問題情境變化而“茫然無措”。

二、計(jì)算思維教育：

超越傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教育

當(dāng)信息技術(shù)工具廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘；顒?dòng)的方方面面時(shí)，計(jì)算思維走出了信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域，融入社會(huì)各領(lǐng)域問題解決之中。計(jì)算思維教育也就超越了傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教育，在聚焦計(jì)算思維自身特征的同時(shí)更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維解決問題的能力。

（一）計(jì)算思維教育旨在培養(yǎng)合格的“數(shù)字化公民”

早在1981年，蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)教育專家葉爾肖夫就提出“程序設(shè)計(jì)是第二文化”的觀點(diǎn)，他指出“人們生活在程序設(shè)計(jì)的世界里，善于還是不善于編排與執(zhí)行自己工作的程序是人們能不能有效地完成各種任務(wù)與能不能得到一種有條理生活的重要影響因素，而教計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)可以幫助人們從小培育一種程序設(shè)計(jì)意識(shí)與能力”（轉(zhuǎn)引自王吉慶， 2000， p.118）。但是，受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)功能條件的限制，這種觀點(diǎn)還局限于“人們要想吩咐計(jì)算機(jī)做事，就必須要懂一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言”（全國(guó)中學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心， 1991， p.50）的認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)教育希望像培養(yǎng)“程序員”那樣幫助學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)語言，以此實(shí)現(xiàn)人們與計(jì)算機(jī)的有效交流。

當(dāng)今，人們確實(shí)生活在葉爾肖夫所言“程序設(shè)計(jì)的世界”之中，信息技術(shù)的發(fā)展也突破了“程序設(shè)計(jì)是第二文化”的認(rèn)識(shí)。事實(shí)證明，生活在信息社會(huì)中的大多數(shù)人用不著編寫計(jì)算機(jī)程序，依然可以流暢地使用計(jì)算機(jī)，并能通過計(jì)算機(jī)解決問題。但是，我們也應(yīng)注意到自20世紀(jì)80年代以來，信息技術(shù)沿著個(gè)人計(jì)算機(jī)—網(wǎng)絡(luò)—大數(shù)據(jù)的脈絡(luò)持續(xù)發(fā)展，信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法也通過數(shù)字化工具深深影響到人們的生活、工作與學(xué)習(xí)。因此，數(shù)字時(shí)代的信息技術(shù)教育應(yīng)幫助學(xué)生掌握信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的一般方法，形成利用數(shù)字化工具解決問題的獨(dú)特思維和交往方式。而這種思維和交往方式也正是當(dāng)代信息社會(huì)每位公民必須具有的基本素養(yǎng)。計(jì)算思維教育不是把所有學(xué)生都培訓(xùn)成“程序員”，而是發(fā)展學(xué)生利用信息技術(shù)工具與學(xué)科方法解決問題的能力，使其成為合格的“數(shù)字化公民”。

（二）計(jì)算思維教育提升學(xué)生的“學(xué)科核心素養(yǎng)”

受“程序設(shè)計(jì)是第二文化”觀點(diǎn)的影響和計(jì)算機(jī)功能條件的局限，早期中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育內(nèi)容主要還是“程序設(shè)計(jì)語言”。例如，20世紀(jì)80年代初英國(guó)政府就制定了《微電子教育計(jì)劃》（The Microelectronics Education Programme），要求所有學(xué)生都接受新技術(shù)教育。在《微電子教育計(jì)劃》的指導(dǎo)下，一些中小學(xué)將計(jì)算機(jī)課作為選修課，安排11～12歲學(xué)生每周上2小時(shí)計(jì)算機(jī)課，主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)LOGO語言；15～16歲學(xué)生每周上4小時(shí)計(jì)算機(jī)課，學(xué)習(xí)BASIC語言（全國(guó)中學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心， 1991， p.50）。1983年，我國(guó)教育部（當(dāng)時(shí)稱“國(guó)家教委”）制定的《普通中學(xué)電子計(jì)算機(jī)選修課教學(xué)大綱（試行）》也要求學(xué)生掌握基本的BASIC語言，初步具備讀、寫程序和上機(jī)調(diào)試的能力（全國(guó)中學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心， 1991， p.298）。學(xué)習(xí)內(nèi)容除簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)基本工作原理以外，主要是BASIC程序設(shè)計(jì)語言。但是脫離了學(xué)生的生活情境，將枯燥的程序設(shè)計(jì)語言強(qiáng)加給沒有任何計(jì)算機(jī)應(yīng)用背景的中小學(xué)生，這不僅無法實(shí)現(xiàn)“程序設(shè)計(jì)”與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的對(duì)接，反而會(huì)因?yàn)閷?duì)機(jī)械的編碼步驟和大量編程術(shù)語的記憶而降低學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的興趣。

近十年來，隨著新技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，學(xué)界對(duì)中小學(xué)信息技術(shù)教育有了新的認(rèn)識(shí)，更加強(qiáng)調(diào)數(shù)字時(shí)代學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的學(xué)科方法培養(yǎng)。2016年美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）針對(duì)數(shù)字時(shí)代學(xué)生發(fā)展需要，重新修訂了《面向?qū)W生的教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，其內(nèi)容增加了培養(yǎng)計(jì)算思維的要求，強(qiáng)調(diào)學(xué)生掌握“以數(shù)據(jù)分析、模型抽象、算法思考等方式確定利用技術(shù)工具解決問題的方案，通過分解問題、提取關(guān)鍵信息、形成理解復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵模型促進(jìn)問題解決”等利用信息技術(shù)解決問題的學(xué)科方法。2016年澳大利亞重新修訂《國(guó)家數(shù)字技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》，明確提出發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，要求學(xué)生“掌握組織數(shù)據(jù)、分解問題、解釋模型、設(shè)計(jì)和實(shí)施算法等方法，具備設(shè)計(jì)和實(shí)施解決問題的方案，利用數(shù)字化工具實(shí)施方案，解決問題的能力”（Australian Curriculum Assessment and Reporting Authority， 2015）。

可見，為更好地適應(yīng)信息社會(huì)，計(jì)算思維教育不再局限于“程序設(shè)計(jì)的編碼操練”，而更注重通過適合學(xué)生學(xué)習(xí)的方式（當(dāng)然，這些方式也包括程序設(shè)計(jì)和編碼學(xué)習(xí)）引導(dǎo)他們理解與掌握利用信息技術(shù)解決問題的學(xué)科方法，提高學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（三）計(jì)算思維教育是學(xué)生動(dòng)腦思考與動(dòng)手實(shí)踐的結(jié)合

從計(jì)算機(jī)的運(yùn)行來看，程序是由編程語言來表達(dá)的一組操作的指令或語句的序列，是計(jì)算機(jī)執(zhí)行算法的操作步驟。在程序設(shè)計(jì)教育中，計(jì)算機(jī)語言的基本語法和語句結(jié)構(gòu)就成為學(xué)生學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。例如：1986年美國(guó)加州《中學(xué)生計(jì)算機(jī)素養(yǎng)》教科書中的程序設(shè)計(jì)內(nèi)容就包括變量、計(jì)數(shù)、流程圖、初始化、判斷、輸入/輸出、循環(huán)、子程序、中斷等知識(shí)（Bitter， 1986 pp.194-198）。1987年，我國(guó)修訂的《普通中學(xué)電子計(jì)算機(jī)選修課教學(xué)大綱（試行）》在程序設(shè)計(jì)語言內(nèi)容中要求學(xué)生學(xué)習(xí)框圖、輸入/輸出、過程、條件分支、數(shù)據(jù)、循環(huán)、數(shù)組、圖形、函數(shù)等（全國(guó)中學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心， 1991， p.62）。為便于學(xué)生快速掌握程序設(shè)計(jì)的知識(shí)與技能，早期中小學(xué)計(jì)算機(jī)教科書大多以“編程知識(shí)講解”方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。事實(shí)上，忽視中小學(xué)生的認(rèn)知能力與學(xué)習(xí)風(fēng)格，像培訓(xùn)“程序員”那樣向中小學(xué)生灌輸程序設(shè)計(jì)知識(shí)，這不僅不利于學(xué)生理解相關(guān)內(nèi)容，反而會(huì)因?yàn)檫^度記憶一些語法知識(shí)而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

計(jì)算思維反映的是個(gè)體利用信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域思想方法解決問題的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維教育并不是要把學(xué)生培養(yǎng)成“信息技術(shù)專家”，而是希望他們像專家那樣去思考利用信息技術(shù)解決問題的方法與過程。從學(xué)習(xí)內(nèi)容來看，盡管“程序設(shè)計(jì)”依然是學(xué)生實(shí)現(xiàn)從“計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)”向“計(jì)算思維形成”過渡的重要橋梁，但是在通過這個(gè)“橋梁”的過程中，已不是簡(jiǎn)單地為實(shí)現(xiàn)“吩咐計(jì)算機(jī)做事”而學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，而是為理解“程序驅(qū)動(dòng)”下各類數(shù)字化工具完成任務(wù)的學(xué)科方法而去體驗(yàn)和使用程序設(shè)計(jì)?？梢?，在計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)中已不是單純地講授計(jì)算機(jī)語言的知識(shí)，而是更注重學(xué)生動(dòng)腦思考與動(dòng)手實(shí)踐的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)通過項(xiàng)目活動(dòng)還原學(xué)科思想方法的本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境中體驗(yàn)“程序驅(qū)動(dòng)”數(shù)字化工具解決問題的方法，從而內(nèi)化為一種適合數(shù)字化生存的思維方式。

三、計(jì)算思維教育：

基于STEM課程的實(shí)施

計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的一項(xiàng)核心素養(yǎng)，其教育內(nèi)容超越了傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的代碼編寫，更強(qiáng)調(diào)在情境中通過跨學(xué)科的方式培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)學(xué)科方法解決問題的能力。從課程組織來看，信息技術(shù)本身就融合了科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）等知識(shí)，是一門典型的STEM課程（UK Computing Research Committee， 2015）?；赟TEM課程是開展計(jì)算思維教育的重要方式。

（一）指向計(jì)算思維教育的STEM課程設(shè)計(jì)策略

STEM課程是以項(xiàng)目活動(dòng)的方式，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)，合作、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、解決問題的體驗(yàn)式課程（沙欣， 2016， p.3）。指向計(jì)算思維教育的STEM課程繼承了項(xiàng)目學(xué)習(xí)的特征，通過跨學(xué)科整合、基于學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)和建立學(xué)習(xí)支架等方式科學(xué)設(shè)計(jì)課程，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展。圖1是指向計(jì)算思維教育的STEM課程設(shè)計(jì)策略結(jié)構(gòu)圖。

圖1 指向計(jì)算思維教育的STEM課程設(shè)計(jì)策略

1. 基于項(xiàng)目的跨學(xué)科整合

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（project-based learning， PBL）是“以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心”的一種教學(xué)組織方式。調(diào)查研究顯示，體驗(yàn)式、實(shí)踐式和學(xué)生主導(dǎo)式的項(xiàng)目更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)STEM課程的熱情，項(xiàng)目學(xué)習(xí)逐漸成為STEM課程的通用教學(xué)方法（沙欣， 2016， p.33）。STEM全球教育聯(lián)合會(huì)（Global STEM Alliance， 2010）在STEM課程理論框架研究中提出：“STEM課程作為一種基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，其項(xiàng)目設(shè)計(jì)要體現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，把不同學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容整合在項(xiàng)目任務(wù)之中?！被诖?，指向計(jì)算思維教育的STEM課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)突出兩個(gè)關(guān)鍵特征：一是跨學(xué)科，項(xiàng)目學(xué)習(xí)的重點(diǎn)放在特定問題解決上，跨越學(xué)科界限，利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問題；二是整合性，按照各學(xué)科最基本的知識(shí)結(jié)構(gòu)，找到不同學(xué)科知識(shí)之間的連接點(diǎn)和整合點(diǎn)，將分散的學(xué)科知識(shí)以問題的方式邏輯結(jié)構(gòu)化，整合進(jìn)學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

2. 基于標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)

國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)是編寫教材、教學(xué)、評(píng)估和考試命題的根本依據(jù)。在教學(xué)實(shí)踐中，為提高STEM課程跨學(xué)科整合的“黏合度”，避免“為活動(dòng)而活動(dòng)的誤區(qū)”，美國(guó)馬里蘭州STEM教育助理蘭茲博士（Lantz， 2009）提出基于標(biāo)準(zhǔn)的STEM課程設(shè)計(jì)，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的學(xué)習(xí)要求，將各學(xué)科知識(shí)技能“錨入（anchor）”STEM課程內(nèi)容中。基于標(biāo)準(zhǔn)成為指向計(jì)算思維的STEM課程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要策略，主要表現(xiàn)在：其一，通過分析信息技術(shù)與其他學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，把STEM項(xiàng)目主題、活動(dòng)內(nèi)容、活動(dòng)過程和活動(dòng)評(píng)價(jià)“黏合”為一個(gè)學(xué)習(xí)整體；其二，將課程目標(biāo)細(xì)化為問題，梳理問題間的關(guān)系，形成問題鏈，以問題的方式將各學(xué)科知識(shí)和技能融入STEM項(xiàng)目中，提高STEM課程學(xué)習(xí)的深度與廣度。

3. 基于學(xué)習(xí)支架的探究過程

學(xué)習(xí)支架是對(duì)學(xué)生解決問題和建構(gòu)意義起輔助作用的概念框架。在解決問題的過程中，學(xué)習(xí)支架可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)認(rèn)知不斷由實(shí)際水平提升到潛在水平。因此，在指向計(jì)算思維的STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，為引導(dǎo)學(xué)生在原有學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上一步一步提升，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自我建構(gòu)，同樣需要在項(xiàng)目中融入一套促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的學(xué)習(xí)支架。設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)支架的要點(diǎn)是：其一，要與學(xué)生原有的與計(jì)算思維相關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)相吻合，提供的概念框架應(yīng)置于學(xué)習(xí)者的“最近發(fā)展區(qū)”，幫助學(xué)生在原有學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上進(jìn)一步開展學(xué)習(xí)；其二，學(xué)習(xí)支架也要反映有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者（如教師）所經(jīng)歷的計(jì)算思維過程，為學(xué)生利用學(xué)科方法解決問題提供支架點(diǎn)的反饋，幫助學(xué)生領(lǐng)悟其中的要素關(guān)系，促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展。

（二）指向計(jì)算思維教育的STEM課程設(shè)計(jì)框架

指向計(jì)算思維的STEM課程旨在通過項(xiàng)目活動(dòng)為學(xué)生提供“做中學(xué)、學(xué)中做”的活動(dòng)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生在探究問題的過程中發(fā)展計(jì)算思維，提高利用計(jì)算思維解決問題的能力。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)與內(nèi)容設(shè)計(jì)是STEM課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。STEM課程專家埃爾多安（Niyazi Erdogan）針對(duì)STEM課程學(xué)習(xí)過程，提出STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)的四個(gè)要素，即：①投入，明確項(xiàng)目學(xué)習(xí)的目標(biāo)和過程； ②管理，確定項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方法和策略；③產(chǎn)生，形成學(xué)生項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方案并取得結(jié)果；④評(píng)估，對(duì)學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)（沙欣， 2016， p.35）。美國(guó)跨學(xué)科整合專家萊莉（Riley， 2012， p.13）在案例研究的過程中提出STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)容框架，包括明確項(xiàng)目主題、梳理核心問題、說明關(guān)鍵技能、設(shè)計(jì)學(xué)生項(xiàng)目活動(dòng)進(jìn)程、提供相關(guān)活動(dòng)支持、組織活動(dòng)評(píng)價(jià)等內(nèi)容。兩者分別從實(shí)施過程和內(nèi)容組織兩方面分析了STEM項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，都強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目目標(biāo)、過程、結(jié)果與評(píng)價(jià)等內(nèi)容。借鑒已有研究成果，指向計(jì)算思維教育的STEM項(xiàng)目框架主要包括項(xiàng)目主題、項(xiàng)目目標(biāo)、項(xiàng)目過程、項(xiàng)目資源和項(xiàng)目評(píng)價(jià)等內(nèi)容。圖2是指向計(jì)算思維教育的STEM課程框架圖。

圖2 指向計(jì)算思維教育的STEM課程框架

（1）明確項(xiàng)目主題，描述活動(dòng)情境。分析學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和活動(dòng)興趣，按照計(jì)算思維等跨學(xué)科知識(shí)技能學(xué)習(xí)需要，確定適合學(xué)生開展的項(xiàng)目主題，通過活動(dòng)情境描述激發(fā)學(xué)生探究項(xiàng)目的欲望。

（2）界定項(xiàng)目目標(biāo)，聚焦學(xué)習(xí)問題。列舉項(xiàng)目活動(dòng)中所涉及的包括計(jì)算思維培養(yǎng)在內(nèi)的多學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，確定項(xiàng)目活動(dòng)后學(xué)生應(yīng)知、應(yīng)會(huì)、應(yīng)用的學(xué)習(xí)結(jié)果，確定達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的問題鏈。

（3）設(shè)計(jì)項(xiàng)目過程，細(xì)化活動(dòng)任務(wù)。描述學(xué)生開展項(xiàng)目活動(dòng)經(jīng)歷的關(guān)鍵步驟，將學(xué)習(xí)支架置于項(xiàng)目活動(dòng)過程中，通過學(xué)習(xí)支架引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷高水平的思維過程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

（4）提供項(xiàng)目資源，支持活動(dòng)實(shí)施。按照項(xiàng)目活動(dòng)需要，為學(xué)生提供解決問題可能需要的學(xué)習(xí)資源，如項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)用到的軟件工具、跨學(xué)科學(xué)習(xí)資料等，支持學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目活動(dòng)。

（5）開發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)工具，確定評(píng)價(jià)方式。按照項(xiàng)目活動(dòng)結(jié)果，開發(fā)針對(duì)活動(dòng)作品的評(píng)價(jià)工具，如小組活動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、作品評(píng)價(jià)量表等，用以對(duì)學(xué)生的活動(dòng)過程和結(jié)果給出一個(gè)準(zhǔn)確判斷，促進(jìn)學(xué)生更好地反思和改進(jìn)。

四、計(jì)算思維教育：

一個(gè)基于STEM課程的項(xiàng)目案例

指向計(jì)算思維教育的STEM課程是把“學(xué)計(jì)算思維”與“用計(jì)算思維”結(jié)合起來，通過項(xiàng)目活動(dòng)的方式發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，提高他們綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)的能力。下面提供了一個(gè)指向計(jì)算思維教育的STEM課程項(xiàng)目案例。

（一）案例背景

“計(jì)算思維與食物鏈”是融合了信息技術(shù)、科學(xué)等學(xué)科的STEM項(xiàng)目，反映了四年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)特征和學(xué)習(xí)需要。在利用信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法和工具解決食物鏈問題的活動(dòng)中，學(xué)生一方面可以體驗(yàn)計(jì)算思維在解決問題中的作用，如應(yīng)用抽象方法表達(dá)數(shù)據(jù)、利用技術(shù)工具自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)方案等；另一方面可以通過“計(jì)算思維+食物鏈”方式理解和預(yù)測(cè)不同情境下食物鏈的發(fā)展變化，感受一種新的食物鏈學(xué)習(xí)方法；最后通過Scratch作品反映自己對(duì)食物鏈的理解和探究程度。

（二）案例簡(jiǎn)綱①

1. 項(xiàng)目主題

計(jì)算思維與食物鏈。

2. 項(xiàng)目目標(biāo)

學(xué)生能夠用Scratch語言創(chuàng)設(shè)一個(gè)動(dòng)畫情境，表示一個(gè)真實(shí)食物鏈的發(fā)展特征。

該項(xiàng)目活動(dòng)反映的課程標(biāo)準(zhǔn)要求：

（1）信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算思維能力要求：①通過抽象的方式（如模型、模擬）表示數(shù)據(jù)；②設(shè)計(jì)算法形成自動(dòng)化解決問題的方案；③總結(jié)這種解決問題的方法，遷移至更寬泛的問題解決之中。

（2）科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求：4年級(jí)學(xué)生生命科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3. 項(xiàng)目過程

按照項(xiàng)目任務(wù)，活動(dòng)過程包括頭腦風(fēng)暴、問題討論、動(dòng)畫演示、分組拓展等環(huán)節(jié)。通過這些活動(dòng)，學(xué)生能體驗(yàn)和應(yīng)用計(jì)算思維認(rèn)識(shí)食物鏈的特征。項(xiàng)目活動(dòng)過程如表1所示。

表1 項(xiàng)目活動(dòng)過程

[活動(dòng) 活動(dòng)內(nèi)容 計(jì)算思維 頭腦風(fēng)暴 討論在食物鏈中草、兔子和鷹的關(guān)系，說明其中太陽與細(xì)菌分解的作用 抽象：畫出這些生物在食物鏈中的結(jié)構(gòu)圖 問題討論 針對(duì)問題（例如，如果讓生態(tài)系統(tǒng)更復(fù)雜些需要增加什么物種），討論哪些因素會(huì)改變草、兔子和鷹三者關(guān)系的平衡 動(dòng)畫演示 每位學(xué)生用Scratch軟件創(chuàng)設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫情境，能顯示兔子吃草、鷹抓兔子這一食物鏈場(chǎng)景，反映出個(gè)人對(duì)食物鏈的理解 模型與模擬：學(xué)生的作品能模擬食物鏈 分組拓展 學(xué)生分組利用Scratch軟件創(chuàng)設(shè)一個(gè)加入其他因素后對(duì)食物鏈產(chǎn)生影響的預(yù)期場(chǎng)景，用以預(yù)測(cè)相關(guān)因素的變化對(duì)食物鏈的影響 系統(tǒng)化：利用“計(jì)算思維+食物鏈”能對(duì)更復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行更深入的探究 ]

4. 項(xiàng)目資源

相關(guān)項(xiàng)目資源包括有關(guān)食物鏈與習(xí)性的網(wǎng)站、食物鏈交互游戲的網(wǎng)站和Scratch支持網(wǎng)站。

5. 項(xiàng)目評(píng)價(jià)

作品1：學(xué)生創(chuàng)設(shè)的場(chǎng)景要能模擬不同級(jí)別的食物鏈。

作品2：學(xué)生要?jiǎng)?chuàng)設(shè)和保存多個(gè)場(chǎng)景，以顯示出生態(tài)系統(tǒng)中食物競(jìng)爭(zhēng)的元素。

教師提供學(xué)習(xí)作品評(píng)價(jià)量表（略）。

（三）案例說明

“計(jì)算思維與食物鏈”STEM項(xiàng)目包括項(xiàng)目主題、項(xiàng)目目標(biāo)、項(xiàng)目活動(dòng)、項(xiàng)目資源和項(xiàng)目評(píng)價(jià)五部分。項(xiàng)目主題的設(shè)計(jì)反映了四年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)內(nèi)容；項(xiàng)目目標(biāo)基于信息技術(shù)和科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)要求進(jìn)行界定；項(xiàng)目活動(dòng)融合科學(xué)和技術(shù)的內(nèi)容，并將核心概念以支架的方式滲透到學(xué)習(xí)過程中；項(xiàng)目資源提供了學(xué)生在探究過程中可能需要的資源網(wǎng)站；項(xiàng)目評(píng)價(jià)給出了學(xué)習(xí)作品的要求和評(píng)價(jià)量表，讓學(xué)生明白他們的最終學(xué)習(xí)結(jié)果是什么和需要達(dá)到什么程度。在活動(dòng)過程中，學(xué)生既可以感受應(yīng)用信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域方法解決問題的過程，也可以體驗(yàn)“計(jì)算思維+食物鏈”探究方式的意義，并能采用這種方式深入開展食物鏈研究。

五、結(jié)語

當(dāng)以“程序驅(qū)動(dòng)”為特征的信息技術(shù)工具滲透到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域并改變?nèi)藗兊膶W(xué)習(xí)、生活和工作方式時(shí)，計(jì)算思維就成為人們的一種普適性能力。計(jì)算思維教育作為中小學(xué)一項(xiàng)重要的教育內(nèi)容，并不是要求每個(gè)學(xué)生都能應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，而是要培養(yǎng)他們理解信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法，并將這種方法合理應(yīng)用于新領(lǐng)域中的能力，因此計(jì)算思維教育就超越了傳統(tǒng)的代碼操練式學(xué)習(xí)?；赟TEM課程的計(jì)算思維教育課程希冀通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，為學(xué)生提供體驗(yàn)計(jì)算思維、應(yīng)用計(jì)算思維、實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與其他領(lǐng)域相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，發(fā)展學(xué)生在數(shù)字化環(huán)境中的適應(yīng)力和創(chuàng)新力。

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收稿日期：2017-08-24

定稿日期：2017-09-30

作者簡(jiǎn)介：李鋒，博士，副研究員，華東師范大學(xué)開放教育學(xué)院（200062）。

責(zé)任編輯 單 玲