在“STEM+項目”中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的實踐探究

程育艷

STEM教育強調(diào)跨學(xué)科的整合學(xué)習(xí)，尤其強調(diào)通過以工程為核心的設(shè)計和制造活動來解決生活中真實而有意義的問題。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授提出，計算思維是一個運用計算機科學(xué)基礎(chǔ)概念進行系統(tǒng)設(shè)計、解決問題與人類行為理解的過程。以上兩種闡述在真實問題解決方面具有一定的融通之處。為此，筆者嘗試在“STEM+項目”中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，現(xiàn)以“制作雨量器”項目中的“水循環(huán)”探究活動為例加以闡述。

一、背景介紹

STEM教育是融合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的教育，但不僅限于這四個領(lǐng)域。它倡導(dǎo)以項目式的學(xué)習(xí)方式融合多學(xué)科的內(nèi)容，解決真實環(huán)境下的實際問題。STEM強調(diào)通過課程融合幫助學(xué)生將不同課程中學(xué)到的知識融會貫通，并運用于實際生活，借此獲得綜合性發(fā)展。這對學(xué)生的成長和社會的發(fā)展都具有重要意義。

計算思維是計算機科學(xué)實踐的核心，是21世紀公民的一項基本素養(yǎng)。依據(jù)我國高中信息技術(shù)新課標中的界定，計算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。2016年，美國計算機科學(xué)協(xié)會（ACM）聯(lián)合其他部門發(fā)布了《K-12計算機科學(xué)框架》，提倡將計算機科學(xué)與數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)等多學(xué)科進行整合，通過STEM教育等方式，促進學(xué)科間的融合?？傊剿鳌癝TEM+項目”試圖為學(xué)生提供真實問題情境下的深入思考和探究實踐，學(xué)習(xí)問題解決的新方法，拓展計算思維的培養(yǎng)空間。

二、實例探究

1.項目描述

在“制作雨量器”的STEM項目中，學(xué)生首先要學(xué)習(xí)“雨的形成（以下簡稱水循環(huán)）”“風(fēng)向和雨”等基礎(chǔ)知識，再在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題——怎樣測量雨量（雨量器的作用）；定義問題與分析問題——雨量器的草圖設(shè)計；解決問題——雨量器的制作、測試、分享、改進及展示。這樣，學(xué)生在一個真實的項目情境中進行深入思考與探究性實踐，通過“發(fā)現(xiàn)問題—定義與分析問題—解決問題”的思維路徑展開探究式學(xué)習(xí)。僅以“水循環(huán)”為例，學(xué)生將通過“數(shù)據(jù)抽取—抽象模型—算法優(yōu)選—編程模擬”，經(jīng)歷一個計算思維的訓(xùn)練過程。

2.項目實踐

一是數(shù)據(jù)抽取。小組討論“雨從哪兒來，又到哪兒去”，并借助思維導(dǎo)圖梳理觀點、觀看微視頻“雨的形成”、在網(wǎng)上搜索資料等活動，了解相關(guān)信息并獲得數(shù)據(jù)，進而得出水的三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）、水循環(huán)的三個步驟（蒸發(fā)、冷凝、降水）、水循環(huán)的三種途徑（海陸間循環(huán)、陸地內(nèi)循環(huán)和海上內(nèi)循環(huán)），以及水循環(huán)的意義——維持地球上水的動態(tài)平衡、維持地球的熱量平衡、聯(lián)系海陸間的重要紐帶、塑造地表形態(tài)。

二是抽象模型。抽象作為計算思維的常用方法，是計算機科學(xué)教育主要培養(yǎng)的目標之一。抽象是將某一過程或某一信息集合簡化，只保留某些重要特征以便獲取計算方法；通過去除個別化屬性、提取公共要素來概括多種情境或事物，從而創(chuàng)建普適性方案。在實際學(xué)習(xí)與生活中，學(xué)生要運用抽象的方法提取事物的關(guān)鍵特征，并與其他事物建立關(guān)系，進而根據(jù)以往經(jīng)驗制訂合理的解決方案。在“水循環(huán)”活動中，教師引導(dǎo)學(xué)生借助思維可視化工具將隱性的知識顯性化，并抽象出模型。這樣，就能得到“水的三態(tài)循環(huán)”模型和“大自然中常見的水循環(huán)模式”。其中“水的三態(tài)循環(huán)”模型包括：水在液態(tài)下通過吸熱汽化變成氣態(tài)，或者通過放熱凝固成固態(tài)；水在氣態(tài)下通過放熱液化成液態(tài)，或者通過放熱凝華成固態(tài)；水在固態(tài)下通過吸熱熔化成液態(tài)，或者通過吸熱升華成氣態(tài)。

三是算法優(yōu)選。結(jié)合抽象模型提取算法，在教師的引導(dǎo)下各小組自主設(shè)計完成小實驗。每個小組的實驗材料和實驗內(nèi)容略有不同，在此以其中一個小組的實驗為例。實驗材料包括：保鮮膜1張、大容器1個（保鮮盒）、熱水1杯、小容器1個（酸奶盒）、冰塊2～3塊。實驗主要步驟包括：將酸奶盒放入保鮮盒中心，開口朝上；往保鮮盒內(nèi)加入熱水，不能浸沒酸奶盒；用保鮮膜封住保鮮盒；將冰塊放在酸奶盒上方的保鮮膜上；觀察實驗現(xiàn)象。最后，每個小組要完整地寫出實驗報告。學(xué)生通過探究，不僅知道了如何借助水循環(huán)更好地回收水并進行再利用，還可以把這些知識和方法遷移到生活中。

四是編程模擬。首先，利用流程圖梳理“水的三態(tài)循環(huán)”程序。程序開始，水以液態(tài)的形式呈現(xiàn)在舞臺上，舞臺的一側(cè)有“升溫”“降溫”按鈕，單擊“升溫”按鈕，溫度值不斷上升，當高于100攝氏度時則變成氣態(tài)形式，單擊“降溫”按鈕，溫度值不斷下降，當?shù)陀?攝氏度時則變成固態(tài)形式。其次，編程模擬實現(xiàn)。使用Scratch編程需要確定三大要素，即舞臺、角色和腳本。在“水的三態(tài)循環(huán)”程序中，主要角色是液態(tài)水寶寶、固態(tài)水寶寶、氣態(tài)水寶寶，腳本語句中主要運用了循環(huán)語句、判斷語句及邏輯判斷。調(diào)用舞臺背景后，通過單擊“升溫”“降溫”按鈕控制溫度變化，模擬實現(xiàn)水的三態(tài)循環(huán)。

三、實踐反思

1.尋找STEM教育和編程教學(xué)融合的契機

筆者分析了《2017地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》中“技術(shù)促進教育的六大趨勢”，結(jié)合上海市閔行區(qū)七寶明強小學(xué)的STEM課程和編程課程開展的情況進行了梳理，旨在尋找STEM教育和編程教學(xué)融合的契機，最終對編程教學(xué)模塊作出校本化調(diào)整。根據(jù)學(xué)生的年齡特點，在編程教學(xué)中選用了Scratch軟件。Scratch是美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的一套開源程序，專門為八歲以上兒童設(shè)計。借助此軟件，主要是為了讓學(xué)生在編程過程中，提高邏輯思維能力、數(shù)字化文化創(chuàng)作能力和解決問題的能力并讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的樂趣。筆者在“制作雨量器”項目的“水循環(huán)”活動中將兩者進行了融合，收到了較好的效果。實踐證明，學(xué)生在真實問題情境中進行探究，運用編程輔助解決問題，有利于計算思維的培養(yǎng)。

2.借助思維可視化工具培養(yǎng)學(xué)生的計算思維

人與計算機溝通的方式是使用程序設(shè)計語言。每一種程序設(shè)計語言都有自己的指令、語法和符號，人們將這些指令按照一定的語法規(guī)則進行組合，完成所需功能，就是程序設(shè)計。借助流程圖梳理得出“水的三態(tài)循環(huán)”程序?qū)崿F(xiàn)的過程，較好地幫助學(xué)生理清了思路，最終通過程序模擬實現(xiàn)了生活中水的“三態(tài)循環(huán)”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。在“水循環(huán)”探究活動中借助了思維可視化工具，幫助學(xué)生將隱性知識顯性化，也有利于學(xué)生計算思維的發(fā)展。

（責(zé)任編輯 郭向和）