基于STEM教育對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程的研究

沈琛?王衛(wèi)和

摘要：程序設(shè)計(jì)類課程主要培養(yǎng)計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維和程序設(shè)計(jì)能力，這也是大學(xué)生所需要培養(yǎng)的最重要的專業(yè)能力之一。文章分析現(xiàn)有程序設(shè)計(jì)類課程的概況，分析了將STEM教育理念融入到程序設(shè)計(jì)類課程中的可能性，以C語言程序設(shè)計(jì)為例，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和反思。

關(guān)鍵詞：STEM；程序設(shè)計(jì)類課程

一、程序設(shè)計(jì)類課程概況

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，培養(yǎng)具有計(jì)算思維[1]、程序設(shè)計(jì)能力的信息技術(shù)人才，已成為社會(huì)的普遍需求。在這種形勢下，對(duì)高校的程序設(shè)計(jì)類課程教育又提出了新的要求，不僅僅需要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)軟件工具的使用，而是需要突出學(xué)生計(jì)算思維、信息素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力的培養(yǎng)。而現(xiàn)有的教學(xué)模式中還存在著不少問題和局限性：

重視語法知識(shí)和語句運(yùn)用的講授，忽視激發(fā)學(xué)生對(duì)問題求解的興趣。程序設(shè)計(jì)語言本身的知識(shí)點(diǎn)多、抽象且連貫性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分開進(jìn)行，在理論學(xué)生中雖然重視知識(shí)點(diǎn)的講解，但是忽視了對(duì)問題求解的引導(dǎo)和分析，因此在實(shí)驗(yàn)過程中往往不能對(duì)問題進(jìn)行分析，久而久之會(huì)對(duì)程序設(shè)計(jì)語言課程失去興趣。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式強(qiáng)調(diào)以教師為主導(dǎo)。程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)方式強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的科學(xué)性和系統(tǒng)性，重視在教學(xué)過程中的教師講授，往往忽略了學(xué)生自己解決問題的能力培養(yǎng)。

其實(shí)，程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)本質(zhì)并不是單一的為了學(xué)習(xí)某種知識(shí)或技能而教學(xué)，而是在學(xué)習(xí)過程中所掌握的思維方式和技術(shù)運(yùn)用，這才是教學(xué)的靈魂所在。因此，探討將最新的STEM教育理念融入到程序設(shè)計(jì)類課程中具有現(xiàn)實(shí)意義。

二、STEM教育融入到程序設(shè)計(jì)類課程的可能性分析

STEM教育[2]是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，英文首字母的縮略語，強(qiáng)調(diào)基于現(xiàn)實(shí)問題情境的跨學(xué)科式教育。編程作為STEM教育的一部分，正是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的思維方式。因此，STEM教育與程序設(shè)計(jì)類課程在多方面具有契合點(diǎn)，基于對(duì)兩者特點(diǎn)的分析，基于STEM教育的程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行以下改進(jìn)：

增加內(nèi)容綜合性。STEM教育是通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)，以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，具有學(xué)科融合的綜合性特點(diǎn)。因此，程序設(shè)計(jì)類課程的內(nèi)容也應(yīng)該體現(xiàn)綜合性，能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)編程技巧的同時(shí)獲得對(duì)各領(lǐng)域知識(shí)和技能的深入學(xué)習(xí)，能夠?qū)⒏拍钚灾R(shí)與現(xiàn)實(shí)問題相聯(lián)系，理解技術(shù)在整個(gè)工程設(shè)計(jì)中的作用。

增加內(nèi)容實(shí)踐性。STEM教育是先創(chuàng)造情境，以項(xiàng)目的形式進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生在項(xiàng)目中自己動(dòng)手實(shí)踐。程序設(shè)計(jì)類課程的內(nèi)容可以在綜合性的基礎(chǔ)上，多增加些實(shí)踐內(nèi)容，讓學(xué)生完成模型的設(shè)計(jì)和制作、動(dòng)手體驗(yàn)編程實(shí)驗(yàn)，以互動(dòng)有趣的方式呈現(xiàn)科學(xué)教學(xué)，幫助學(xué)生更好地進(jìn)入編程世界。

三、基于STEM教育對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)

該論文以C語言程序設(shè)計(jì)課程中的循環(huán)結(jié)構(gòu)教學(xué)為例，將STEM教學(xué)理念融入課堂進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。

（一）設(shè)計(jì)思路

本課將學(xué)生所感興趣的樂高機(jī)器人帶入課堂，教師演示機(jī)器人循環(huán)帶著小球回家的情境，然后教師提出疑問：機(jī)器人是怎么找到家的呢？激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后，教師以問題解決的教學(xué)模式，帶著學(xué)生一起去探究，一步一步循序漸進(jìn)地帶學(xué)生掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)知識(shí)，并讓學(xué)生體驗(yàn)機(jī)器人編程的新鮮感和成就感。

（二）教學(xué)實(shí)施

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，導(dǎo)入新課。教師通過演示樂高機(jī)器人能夠升舉小球并帶回家的過程，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析，機(jī)器人是由程序來進(jìn)行控制的，在帶小球回家的過程中，不停地重復(fù)行走來搜索到目標(biāo)，這種重復(fù)的算法步驟就是今天要學(xué)習(xí)的循環(huán)結(jié)構(gòu)。

2.讓學(xué)生在問題中不斷理解循環(huán)的概念。教師讓學(xué)生運(yùn)用以前學(xué)過的順序和分支結(jié)構(gòu)嘗試進(jìn)行編程，提出循環(huán)結(jié)構(gòu)和這兩種結(jié)構(gòu)有哪些不同，它是如何執(zhí)行的，繪制出循環(huán)結(jié)構(gòu)的流程圖，并分組進(jìn)行探討

3.布置學(xué)生實(shí)踐練習(xí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)。教師讓學(xué)生分別用順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，來實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人走四邊形和六邊形的兩個(gè)程序，通過對(duì)比歸納總結(jié)循環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以大大減少重復(fù)書寫的工作量，也通過難度呈梯度上升，讓學(xué)生更好地理解循環(huán)結(jié)鉤。

4.解決機(jī)器人帶小球回家問題。教師采用模塊化的編程方法引導(dǎo)學(xué)生一步步解決問題，并讓學(xué)生自主探索機(jī)器人帶小球回家的算法，讓學(xué)生親自動(dòng)手來實(shí)踐，自己檢查學(xué)習(xí)的成果，加深對(duì)知識(shí)的理解。引導(dǎo)學(xué)生通過課外查閱資料拓展眼界，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)編程和機(jī)器人知識(shí)。

三、研究反思

本文分析了程序設(shè)計(jì)類課程的概況，以C語言程序設(shè)計(jì)為例對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了梳理，但是不夠全面，也不夠深入，能對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)做出合理的論證。在今后的研究工作中，需要對(duì)大學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)習(xí)能力進(jìn)行更深入的理解，學(xué)無止境，教亦無止境，期望在后續(xù)的研究中能夠不斷完善教學(xué)設(shè)計(jì)，以便于該教育理念在程序設(shè)計(jì)類課程中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]高枚，龔沛曾，孫麗君.構(gòu)建多層次思維培養(yǎng)的C/C++程序設(shè)計(jì)教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（1）：81-83.

[2]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（04）：13-22.