基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的影響研究

李幸 張屹 黃靜 張敏 張巖 王玨

摘要：作為一種21世紀(jì)核心的復(fù)合能力，計(jì)算思維逐漸成為當(dāng)前信息技術(shù)教育領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。該文提出基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架。該框架以STEM學(xué)科內(nèi)容為核心，以基于設(shè)計(jì)的教學(xué)為基礎(chǔ)，實(shí)踐計(jì)算思維的基本概念與原則，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的復(fù)合型計(jì)算思維能力。該框架強(qiáng)調(diào)利用STEM融合計(jì)算（Computing）的基于設(shè)計(jì)的教學(xué)法幫助小學(xué)生解決模糊、弱構(gòu)的真實(shí)世界的復(fù)雜問(wèn)題。小學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)計(jì)算思維的基本概念與操作步驟，將真實(shí)的生活情境問(wèn)題進(jìn)行抽象與分解，轉(zhuǎn)換成可視化的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，在原型的基礎(chǔ)之上迭代調(diào)試、不斷完善，制作出解決實(shí)際問(wèn)題的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力。該文通過(guò)單組前后測(cè)實(shí)驗(yàn)，從問(wèn)題解決能力、創(chuàng)造力、批判思維、算法思維以及協(xié)作思維五個(gè)計(jì)算思維的子維度對(duì)武漢市某小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行調(diào)查。研究表明，基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)在問(wèn)題解決、批判思維、算法思維以及協(xié)作思維四個(gè)子維度上均提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。該研究詳細(xì)闡述和分析了基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)促進(jìn)計(jì)算思維的教學(xué)案例，以期為我國(guó)小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科的研究與教學(xué)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí);STEM+C;教學(xué)理論框架

中圖分類(lèi)號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

2018年1月，我國(guó)最新實(shí)施的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)正式將“計(jì)算思維”作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)[1]。國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）于2018年1 1月在學(xué)生教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中明確將計(jì)算思維作為K12學(xué)習(xí)者必不可少的技能之一[2]，2017年《地平線報(bào)告（基礎(chǔ)教育版）》指出，計(jì)算思維是當(dāng)今信息社會(huì)除閱讀、寫(xiě)作、計(jì)算之外任何公民應(yīng)熟練掌握的基本技能[3]。由此可見(jiàn)，計(jì)算思維對(duì)當(dāng)前高度信息化的智慧時(shí)代極其重要，如何培養(yǎng)計(jì)算思維成為教育工作者亟需深思的問(wèn)題。目前我國(guó)尚未出臺(tái)培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的國(guó)家政策，計(jì)算思維往往通過(guò)傳統(tǒng)的信息技術(shù)課得以培養(yǎng)[4]。而計(jì)算思維作為一種解決真實(shí)世界開(kāi)放式弱構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題的能力，是涵蓋算法思維、創(chuàng)造力、批判思維等多元能力的高階應(yīng)用型技能[5]，傳統(tǒng)的以編程等計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)習(xí)為主的信息技術(shù)課忽略真實(shí)生活情境，不重視技術(shù)與其他學(xué)科內(nèi)容的融合，計(jì)算思維因而失去其解決真實(shí)世界復(fù)雜問(wèn)題的內(nèi)核價(jià)值[6]。STEM教育則是培養(yǎng)計(jì)算思維的沃土，Weintrop教授于2016年指出STEM教育與計(jì)算思維的互惠關(guān)系，指出計(jì)算思維在幫助學(xué)習(xí)者解決真實(shí)生活中的復(fù)雜問(wèn)題的同時(shí)，習(xí)得學(xué)科知識(shí)與多元能力。計(jì)算思維在實(shí)踐計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和科學(xué)的概念與知識(shí)的基礎(chǔ)中互利共生[7]。因此，本研究的核心在于幫助學(xué)習(xí)者建立與真實(shí)問(wèn)題情境之間的聯(lián)系，在實(shí)踐中掌握STEM知識(shí)的同時(shí)，解決開(kāi)放、模糊、復(fù)雜的問(wèn)題。本研究的另一研究重點(diǎn)是STEM+C理論框架的構(gòu)建和教學(xué)模式的創(chuàng)新，以達(dá)成培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的目的。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）計(jì)算思維的定義與測(cè)評(píng)

計(jì)算思維的概念眾說(shuō)紛紜。將學(xué)者們對(duì)計(jì)算思維的定義進(jìn)行歸納總結(jié)，分為三類(lèi)：第一類(lèi)是一般性定義，強(qiáng)調(diào)其能力屬性與思維活動(dòng)屬性。計(jì)算思維的定義最初由卡梅隆大學(xué)計(jì)算科學(xué)學(xué)院的周以真教授提出，她在2006年對(duì)計(jì)算思維的概念進(jìn)行界定： “計(jì)算思維是通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)中的概念、觀念與思維，結(jié)合數(shù)學(xué)思維與工程思維等多元思維的一種思維活動(dòng)”[8]。2018年國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）提出最新定義，即計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)（CS）的核心原理和實(shí)踐來(lái)解決模糊、復(fù)雜和開(kāi)放式問(wèn)題，是利用計(jì)算的力量設(shè)計(jì)解決方案。ISTE同時(shí)指出，計(jì)算思維作為一種復(fù)合型能力，包含協(xié)作思維、計(jì)算思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維、批判性思維以及問(wèn)題解決能力[9]。總之，一般性定義強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的復(fù)合能力屬性，即計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心原理與實(shí)踐，解決模糊、復(fù)雜和開(kāi)放性問(wèn)題的一種復(fù)合型能力。第二類(lèi)是操作性定義，強(qiáng)調(diào)其認(rèn)知過(guò)程性屬性。其操作性定義是在2011年由國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）與計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）提出的，共包含六個(gè)思維過(guò)程：（1）制定問(wèn)題并能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具幫助解決該問(wèn)題;（2）邏輯組織、分析數(shù)據(jù);（3）利用抽象重新呈現(xiàn)數(shù)據(jù);（4）利用算法思想（一系列有序的步驟）來(lái)支持自動(dòng)化的解決方案;（5）識(shí)別、分析并實(shí)施可能的解決方案，結(jié)合上述提到的步驟和資源，選出最有效的解決方案;（6）將該問(wèn)題的解決過(guò)程推廣遷移到更一般的問(wèn)題中‘10]。第三類(lèi)是計(jì)算思維的教育與課程定義，強(qiáng)調(diào)其概念、實(shí)踐與視角屬性。Cynthia Selbv和John Woollard提出計(jì)算思維包括算法思維、評(píng)估、分解、抽象和概括這五個(gè)要素[11]。Brennan與Resnick于2012年提出計(jì)算思維框架，將計(jì)算思維分成計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐與計(jì)算視角，計(jì)算概念有序列、循環(huán)、事件、并行、條件、運(yùn)算與數(shù)據(jù);計(jì)算實(shí)踐分為增量與迭代、測(cè)試與調(diào)試、重用與再混合、抽象與建模;計(jì)算視角則分為表達(dá)、連接與質(zhì)疑[12]。國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）則將其分成九大概念，分別為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、問(wèn)題分解、抽象、算法與過(guò)程、自動(dòng)化、模擬與并行處理[13]。綜上所述，計(jì)算思維的定義是多元的。在本研究中，從計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐而言，計(jì)算思維是包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、問(wèn)題分解、抽象、算法與過(guò)程、自動(dòng)化、模擬與并行處理等核心實(shí)踐。從學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)結(jié)果而言，計(jì)算思維是一種復(fù)合型能力，是融合協(xié)作思維、算法思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維、批判性思維以及問(wèn)題解決能力的一種21世紀(jì)新型能力。

計(jì)算思維的測(cè)評(píng)方式較為多元，從復(fù)合能力視域而言，主要測(cè)評(píng)圍繞計(jì)算思維所必需的復(fù)合能力?？衫米栽u(píng)量表問(wèn)卷調(diào)查的形式測(cè)評(píng)，Korkmaz、Qakir以及Ozden結(jié)合國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）發(fā)布的計(jì)算思維的定義，從創(chuàng)造力（Creativity）、問(wèn)題解決（Problem Solving）、算法思維（Algorithmic Thinking）、協(xié)作思維（CooperativeThinking）、批判思維（Critical Thinking）等五個(gè)能力維度測(cè)評(píng)計(jì)算思維能力[14]。研究通過(guò)探索性因子分析、驗(yàn)證性因子分析、項(xiàng)目差異性分析、內(nèi)部一致性系數(shù)和恒定性分析，對(duì)量表的效度和信度進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明，該量表是一種有效、可靠的測(cè)量工具，可測(cè)量學(xué)生的計(jì)算思維能力。

（二）基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)培養(yǎng)計(jì)算思維

STEM+C-詞源于2018美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的STEM+C項(xiàng)目，指科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、數(shù)學(xué)（M）與計(jì)算（Computing，C）深度融合的基礎(chǔ)教育項(xiàng)目[15]。STEM+C，是將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）.數(shù)學(xué)（Mathematics）有機(jī)地融為一體，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向的組織課程[16]，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維（ComputationalThinking）。STEM+C跨越了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，在解決復(fù)雜開(kāi)放性問(wèn)題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科與思維過(guò)程的深度融合促進(jìn)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力的發(fā)展。

眾多研究者們已經(jīng)意識(shí)到構(gòu)建計(jì)算思維的理論框架與教學(xué)模式的重要性。Dukeman.Caglar，&Shekhar提出C3STEM框架（Community-situated， Challenge-based， Collaborative LearningEnvironment），利用社區(qū)情境、基于挑戰(zhàn)、協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境的理論框架，探究在STEM課程中如何培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維[17]。其中，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式受到了研究者的普遍關(guān)注?；谠O(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design-based Learning，又稱(chēng)為DBL），由喬治亞技術(shù)學(xué)院Kolodner教授在2007年首次提出[18]。Kolodner教授提出基于設(shè)計(jì)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)促進(jìn)科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。Fortus教授則于2014年提出了一種單環(huán)迭代的基于設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，即基于設(shè)計(jì)的科學(xué)環(huán)（Design-based Science，縮寫(xiě)DBS），該模式共分為五步，（1）鑒別與定義情境;（2）背景研究;（3）開(kāi)發(fā)個(gè)人與集體觀念;（4）構(gòu)建產(chǎn)品;（5）反饋[19]，此后，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，更多學(xué)者強(qiáng)調(diào)利用基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)將STEM學(xué)科進(jìn)行深度融合。2015年，Ikseon Choi教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了系列STEM+C課程，該課程結(jié)合交通問(wèn)題、水資源問(wèn)題等真實(shí)的科學(xué)問(wèn)題，探究基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式，開(kāi)展培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)證研究[20]。

基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)對(duì)真實(shí)世界的問(wèn)題解決能力、批判思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維均有顯著的提升作用[21]。學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過(guò)程，以及設(shè)計(jì)編程的過(guò)程，都是一種頭腦建構(gòu)新的關(guān)系與新的組合的過(guò)程，最終創(chuàng)造出新的觀念與產(chǎn)品[22]。學(xué)習(xí)者在數(shù)據(jù)收集與分析過(guò)程中，不斷形成與評(píng)估信息，通過(guò)質(zhì)疑，分析、評(píng)估事物最終形成想法[23]，最終建構(gòu)自己的知識(shí)，培養(yǎng)批判思維。在其后的編程、調(diào)試與修補(bǔ)程序的過(guò)程中，則對(duì)程序反復(fù)進(jìn)行思考“是怎樣”以及“為什么”，最終解決問(wèn)題。盡管基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)在不同文獻(xiàn)中對(duì)不同的能力提升均得以證實(shí)，但其學(xué)習(xí)效果測(cè)評(píng)往往聚焦于單個(gè)思維能力測(cè)評(píng)，對(duì)計(jì)算思維這種復(fù)合思維能力的效果測(cè)評(píng)的實(shí)證研究還相對(duì)不足[24]。同時(shí)，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式結(jié)合不同的學(xué)科內(nèi)容往往有不同的設(shè)計(jì)策略，而融合STEM+C的基于設(shè)計(jì)的教學(xué)模式與策略研究還有待加強(qiáng)[25]。

毋庸置疑，培養(yǎng)計(jì)算思維已成為信息化時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，目前我國(guó)培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教育還處于萌芽狀態(tài)，但如何培養(yǎng)計(jì)算思維，如何創(chuàng)新計(jì)算思維的教學(xué)模式是擺在當(dāng)前教育研究者面前的首要問(wèn)題[26]。基于此前在實(shí)驗(yàn)學(xué)校三年的相關(guān)研究工作，筆者團(tuán)隊(duì)提出基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架。研究問(wèn)題包含以下方面：基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架和教學(xué)模式是怎樣的？基于該模式的實(shí)踐教學(xué)是否引起學(xué)習(xí)者的復(fù)合計(jì)算思維能力的變化？如有變化，教學(xué)變化給我們帶來(lái)了哪些啟發(fā)？

三、基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架

基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架依托于合作小學(xué)STEM課程的開(kāi)發(fā)，是本研究團(tuán)隊(duì)之前開(kāi)發(fā)的STEM框架的進(jìn)一步發(fā)展[27]。如圖1所示，該框架以基于STEM+C的內(nèi)容作為目標(biāo)核心，左邊區(qū)域?yàn)榛谠O(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)雙環(huán)，左上環(huán)為學(xué)習(xí)環(huán)，以教師指導(dǎo)、學(xué)生自主協(xié)作學(xué)習(xí)為主;左下環(huán)為實(shí)踐環(huán)，即學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過(guò)程中進(jìn)行的實(shí)踐環(huán)節(jié)。左上環(huán)以DavidFortus提出的基于設(shè)計(jì)的教學(xué)流程作為理論依據(jù)，左下環(huán)以美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）提出的計(jì)算思維九大概念作為計(jì)算思維實(shí)踐的核心內(nèi)容，最終培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的復(fù)合型計(jì)算思維能力。

圖1中左邊區(qū)域?yàn)榛谠O(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)實(shí)踐雙環(huán)，將基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)與計(jì)算思維實(shí)踐縱向深度融合。該學(xué)習(xí)實(shí)踐雙環(huán)具有以下特征：（1）左上環(huán)是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的過(guò)程。實(shí)施按六個(gè)核心要素依次實(shí)施，并迭代循環(huán)。即：定義與鑒定真實(shí)的情境問(wèn)題，學(xué)習(xí)相關(guān)背景知識(shí)，通過(guò)頭腦風(fēng)暴設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的方案，通過(guò)算法編程構(gòu)建原型，迭代完善產(chǎn)品，評(píng)價(jià)反饋與分享展示;（2）左下環(huán)是計(jì)算思維的實(shí)踐過(guò)程。即依次開(kāi)展“問(wèn)題分解與抽象，數(shù)據(jù)收集與分析，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，分布演算，自動(dòng)化與模擬，并行處理”等計(jì)算思維的實(shí)踐活動(dòng);（3）上下環(huán)一一對(duì)應(yīng)，將計(jì)算思維的實(shí)踐重組優(yōu)化，融會(huì)貫通到基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過(guò)程中。學(xué)習(xí)者在定義真實(shí)的問(wèn)題情境中，將科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)編程知識(shí)與真實(shí)世界的問(wèn)題解決進(jìn)行整合。學(xué)習(xí)者在設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品的過(guò)程中，進(jìn)行計(jì)算思維實(shí)踐，明確真實(shí)社會(huì)情境、多學(xué)科知識(shí)與計(jì)算機(jī)編程之間的聯(lián)通關(guān)系。在算法編程的過(guò)程中，將真實(shí)世界的問(wèn)題進(jìn)行分解與抽象，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可視化語(yǔ)言。在迭代設(shè)計(jì)與改進(jìn)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與模擬，將計(jì)算機(jī)可視化語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題解決。

如圖1所示右邊區(qū)域?yàn)閷W(xué)習(xí)結(jié)果環(huán)，學(xué)習(xí)者習(xí)得STEM學(xué)科內(nèi)容，培養(yǎng)復(fù)合型計(jì)算思維能力。STEM教育融合計(jì)算思維是未來(lái)STEM+C課程設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)。Wilensky et al，Sengupta et al.以及Weintrop et al均指出計(jì)算思維與STEM教育融合的優(yōu)勢(shì)。歸納可分為三點(diǎn)：（1）兩者共享概念。計(jì)算思維（CT）本身即融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、科學(xué)以及數(shù)學(xué)的基本概念和實(shí)踐。它包括概念和實(shí)踐，例如問(wèn)題呈現(xiàn)、抽象、分解、模擬等。這些概念也是發(fā)展科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)的核心[28];（2）兩者互惠共生。運(yùn)用計(jì)算思維可豐富數(shù)學(xué)和科學(xué)概念的學(xué)習(xí)與演練，而運(yùn)用數(shù)學(xué)和科學(xué)的語(yǔ)境可進(jìn)一步豐富計(jì)算思維的學(xué)習(xí)[29]。（3）兩者共創(chuàng)意義情境。計(jì)算思維的概念與其他STEM內(nèi)容領(lǐng)域相結(jié)合，可共同營(yíng)造有意義的現(xiàn)實(shí)情境，提供真實(shí)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)促進(jìn)學(xué)習(xí)者知識(shí)的融會(huì)貫通[30];因而將計(jì)算思維融入到學(xué)科共性概念和實(shí)踐中，創(chuàng)設(shè)以科學(xué)和真實(shí)問(wèn)題情境，以工程設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)為STEM內(nèi)容的整合器和計(jì)算思維的催化劑，實(shí)現(xiàn)學(xué)科與學(xué)科內(nèi)容的跨越，從而培養(yǎng)計(jì)算思維。

框架的核心為將計(jì)算思維的實(shí)踐融合到基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)中，利用學(xué)習(xí)與實(shí)踐的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維復(fù)合能力，即融合問(wèn)題解決能力、批判思維、創(chuàng)造力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力以及算法能力的復(fù)合能力。能力的培養(yǎng)體現(xiàn)在學(xué)習(xí)過(guò)程中，定義與鑒定情境問(wèn)題，對(duì)應(yīng)問(wèn)題分解與抽象，是問(wèn)題解決的核心部分;收集信息、獲取知識(shí)的過(guò)程是甄別信息，綜合分析信息的過(guò)程，是批判思維的重要部分;頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案，在呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程展現(xiàn)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力;其后，將真實(shí)世界中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成編程，通過(guò)編程的算法過(guò)程實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的原型，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的算法思維;通過(guò)迭代測(cè)試與修補(bǔ)，迭代完善產(chǎn)品，在該過(guò)程中體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)思維;最終學(xué)習(xí)者通過(guò)反饋，分享成果，體現(xiàn)協(xié)作思維。整個(gè)過(guò)程則是解決復(fù)雜真實(shí)世界問(wèn)題的能力，即計(jì)算思維能力。

四、基于設(shè)計(jì)的STEM+C課程《智慧小燈》教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于設(shè)計(jì)的STEM+C課程共有五單元，分別為會(huì)說(shuō)話(huà)的機(jī)器人、智能小燈，植物笑臉、風(fēng)能發(fā)電和智能交通。這里以“智慧小燈”為例進(jìn)行介紹。

（一）內(nèi)容與能力目標(biāo)分析

內(nèi)容方面以STEM+C學(xué)科內(nèi)容與計(jì)算思維實(shí)踐內(nèi)容為主。STEM+C學(xué)科內(nèi)容方面主要依托科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、數(shù)學(xué)（M）、計(jì)算機(jī)編程以及計(jì)算思維實(shí)踐（C）等內(nèi)容。科學(xué)學(xué)科主要學(xué)習(xí)科學(xué)概念知識(shí)，了解電阻、電流、回路以及傳感器;技術(shù)上主要了解信息化工具，如何利用云平臺(tái)檢索軟件分享作品等;工程方面主要了解工程制作的標(biāo)準(zhǔn)制定，例如了解智慧小燈的材料、標(biāo)準(zhǔn)與功能;數(shù)學(xué)學(xué)科主要了解數(shù)學(xué)概念與建模，例如加減運(yùn)算、計(jì)量單位的概念，以及繪制設(shè)計(jì)圖等;計(jì)算機(jī)編程方面主要了解編程概念，了解順序、循環(huán)、并行、事件、條件、運(yùn)算符等。計(jì)算思維實(shí)踐是過(guò)程性實(shí)踐，包括將智慧小燈問(wèn)題進(jìn)行分解抽象、收集與分析智慧小燈類(lèi)型與功能數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)圖呈現(xiàn)智慧小燈的類(lèi)型與功能數(shù)據(jù)、使用計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)智能小燈自動(dòng)化開(kāi)關(guān)變亮變暗以及小組并行分工協(xié)作，制作出智能小燈產(chǎn)品。

能力目標(biāo)方面以計(jì)算思維復(fù)合能力為核心，包括培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，解決生活中自動(dòng)化開(kāi)關(guān)燈、調(diào)節(jié)燈的明暗、聲音控制燈等真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題的能力;培養(yǎng)學(xué)生批判思維，通過(guò)推理和分析，調(diào)試數(shù)值，最終達(dá)到調(diào)節(jié)燈的明暗與控制燈的開(kāi)關(guān)等功能;培養(yǎng)學(xué)生算法思維，通過(guò)設(shè)置一系列的循環(huán)語(yǔ)句、事件語(yǔ)句以及條件語(yǔ)句等，最終實(shí)現(xiàn)燈的智能功能;培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力，創(chuàng)造多元智能燈的觀念與設(shè)計(jì)圖;培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作思維，通過(guò)組織、協(xié)調(diào)、分工以及相互反饋幫助，共同完成智慧小燈的制作。

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

“計(jì)算思維實(shí)踐”和“基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)”兩個(gè)過(guò)程的一一對(duì)應(yīng)是本研究中基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)之一，此外還著重利用主題打破不同學(xué)科間的壁壘。在基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架指導(dǎo)下，開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)。教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程如下頁(yè)圖2所示。

該教學(xué)在武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年級(jí)實(shí)施應(yīng)用，課堂以翻轉(zhuǎn)課堂的形式實(shí)施。

1.鑒定、理解問(wèn)題情境，初步形成問(wèn)題解決的能力

問(wèn)題解決的基本步驟為“理解問(wèn)題、設(shè)計(jì)計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃與回顧計(jì)劃”。計(jì)算思維的本質(zhì)即是利用計(jì)算機(jī)解決真實(shí)世界的復(fù)雜、弱構(gòu)的問(wèn)題。形成解決問(wèn)題能力的基礎(chǔ)是理解問(wèn)題。理解復(fù)雜問(wèn)題的思維步驟為對(duì)問(wèn)題進(jìn)行細(xì)化與深化，能對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行抽象與分解，學(xué)習(xí)者按照計(jì)劃分步實(shí)施解決方案，逐步通過(guò)計(jì)算機(jī)編程解決復(fù)雜的真實(shí)世界問(wèn)題。

具體實(shí)施：教師設(shè)定“智慧家居”的情境，將“什么是智慧家居”的問(wèn)題，分解為“什么是智慧家居中的智慧燈具”，聚焦“智慧家居中的智慧小燈”。本單元學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)置為在線學(xué)習(xí)課程。學(xué)生登錄在線課程。該單元首先介紹真實(shí)的問(wèn)題情境“智能家居在身邊”，隨后，老師為學(xué)生設(shè)計(jì)各種各樣的情境和相關(guān)問(wèn)題。例如，老師給學(xué)生展示了許多真實(shí)世界的圖片以及相應(yīng)的問(wèn)題。 “智慧家居最近在我們的日常生活中很普遍。智慧家居的基本特征是什么？”“如果奶奶年紀(jì)大了，走到燈的開(kāi)關(guān)旁不太方便，你可以幫她設(shè)計(jì)一個(gè)智慧燈，不用走過(guò)去就可以控制燈的開(kāi)關(guān)嗎？”。在這一過(guò)程中，教師通過(guò)設(shè)置問(wèn)題支架，幫助學(xué)生理解將真實(shí)世界的問(wèn)題抽象成“燈的調(diào)控問(wèn)題”，并將燈的調(diào)控問(wèn)題分解成設(shè)計(jì)問(wèn)題、計(jì)算機(jī)編程問(wèn)題、物理聯(lián)通問(wèn)題等問(wèn)題，逐步幫助學(xué)生深入理解問(wèn)題，初步形成問(wèn)題解決能力。

2.學(xué)習(xí)與收集相關(guān)知識(shí)，分析、評(píng)價(jià)并建構(gòu)知識(shí)體系，初步形成批判思維

批判思維的核心是“審視問(wèn)題、推斷假設(shè)、收集證據(jù)、分析推理、解釋評(píng)價(jià)”，該步驟主要實(shí)踐“審視問(wèn)題，推斷假設(shè)與收集證據(jù)”。

具體實(shí)施：該單元圍繞“如何設(shè)計(jì)與制作智慧小燈”的問(wèn)題隋境，介紹與之相關(guān)的知識(shí)。如背景知識(shí)： “物聯(lián)網(wǎng)”“智能家居”，設(shè)計(jì)制作材料相關(guān)知識(shí)： “電子傳感器” “聲傳感器” “光傳感器”的概念，Scratch編程相關(guān)知識(shí)：事件、控制、運(yùn)算等腳本，if...else，while等語(yǔ)句。對(duì)該知識(shí)內(nèi)容通過(guò)不同的方式呈現(xiàn)，例如，學(xué)生觀看“物聯(lián)網(wǎng)”視頻，了解如何用現(xiàn)代技術(shù)連接事物。新概念通常由視頻、動(dòng)畫(huà)、圖像和其他一些選定的材料來(lái)呈現(xiàn)。學(xué)生觀看視頻后，對(duì)在第一階段提出的問(wèn)題進(jìn)行審視，并通過(guò)回答問(wèn)題的過(guò)程中建構(gòu)假設(shè)，例如“聲音高于某個(gè)值或者低于某個(gè)值，燈會(huì)變亮或者變暗”，并完善“智慧小燈”的基本功能假設(shè)，收集證據(jù)，為創(chuàng)設(shè)智慧小燈的設(shè)計(jì)圖與制作智慧小燈做準(zhǔn)備。

3.開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)產(chǎn)品，促進(jìn)創(chuàng)造力

創(chuàng)造力是制作集美學(xué)、藝術(shù)性或功能性為一體的產(chǎn)品的過(guò)程。學(xué)生在設(shè)計(jì)智能小燈的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)基于自己經(jīng)驗(yàn)與想象力的設(shè)計(jì)圖，并且可以根據(jù)自己的想象力創(chuàng)造新的元素，添加新的功能。學(xué)生在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，積極進(jìn)行對(duì)我表達(dá)，應(yīng)用自身的思維以及想象力，設(shè)計(jì)集功能與美學(xué)為一體智能小燈。

具體實(shí)施：在背景知識(shí)學(xué)習(xí)后，如圖3所示，學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)屬于自己的智慧小燈。學(xué)生在課堂上向配對(duì)同伴同學(xué)展示他的設(shè)計(jì)或解決方案。然后他和同伴合作決定他們更喜歡兩個(gè)建議的解決方案中的哪一個(gè)，或者兩個(gè)同伴決定以某種方式組合解決方案，并對(duì)完成的設(shè)計(jì)圖打分評(píng)估。小組成員共同完成課前自主學(xué)習(xí)單，該任務(wù)單由四個(gè)問(wèn)題組成，為學(xué)生根據(jù)自己的想象力創(chuàng)造新的元素提供腳手架。 “我們的日常生活中有什么樣的常規(guī)智能燈？他們有什么特點(diǎn)？”;第二個(gè)問(wèn)題是寫(xiě)出在學(xué)習(xí)背景知識(shí)后，通過(guò)評(píng)價(jià)與分析產(chǎn)生的問(wèn)題;第三個(gè)問(wèn)題為核心問(wèn)題，設(shè)計(jì)智慧小燈并寫(xiě)出智慧小燈的功能和設(shè)計(jì)目的， “您想為您的智慧小屋設(shè)計(jì)什么樣的小燈？”寫(xiě)下你設(shè)計(jì)的智慧小燈的功能和特點(diǎn);第四個(gè)問(wèn)題是進(jìn)一步將設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題呈現(xiàn)。

4.聯(lián)通物理與信息世界，利用Scratch構(gòu)建原型，促進(jìn)算法思維培養(yǎng)

算法思維包括對(duì)功能分析、數(shù)據(jù)組織、算法以及程序進(jìn)行一般化以及參數(shù)化的過(guò)程。學(xué)生在編程的過(guò)程中，利用流程圖或者思維導(dǎo)圖畫(huà)出一系列有序步驟達(dá)到最終解決問(wèn)題的目的。

具體實(shí)施：學(xué)生將傳感器聯(lián)通小燈，利用傳感器上的USB接口聯(lián)通計(jì)算機(jī)，利用Scratch編程實(shí)現(xiàn)智慧小燈的基本功能，將現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。利用算法思維，遵循一定的步驟開(kāi)展編程實(shí)現(xiàn)智慧小燈三種基本功能，即光控、聲控以及滑竿控智慧小燈。應(yīng)用if..else語(yǔ)-句創(chuàng)建條件，允許agent按照指令執(zhí)行（例如，如果光傳感器值<（某值），則設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速（某值））。學(xué)習(xí)者按照一定的順序組織程序以及其中的算法，例如，if- else語(yǔ)句遵循邏輯路徑，當(dāng)電位器傳感器值>（某值），則設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速（某值），否則設(shè)置電機(jī)停止。學(xué)習(xí)者利用可視化Scratch編程，構(gòu)建基本的光控、聲控、滑竿控三種智慧小燈。光控小燈的編程代碼如圖3所示。

5.迭代測(cè)試智慧小燈，完善產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者批判思維

批判思維的核心是“審視問(wèn)題、推斷假設(shè)、收集證據(jù)、分析推理、解釋評(píng)價(jià)”，前期已經(jīng)實(shí)踐了“審視問(wèn)題，推斷假設(shè)與收集證據(jù)”。在這一階段，學(xué)生更注重“分析推理與解釋評(píng)價(jià)”。學(xué)生在測(cè)試與調(diào)試程序的時(shí)候，不斷的修正自己的假設(shè)，分析評(píng)估可能的解決方案。在測(cè)試智能小燈的時(shí)候，學(xué)生假設(shè)不同情境下的燈是否可以實(shí)現(xiàn)其功能，并反復(fù)測(cè)試修正、評(píng)估和審視自己的假設(shè)，分析推理出最優(yōu)的答案，并解釋評(píng)價(jià)。

具體實(shí)施：學(xué)習(xí)者確保程序是否可以實(shí)現(xiàn)智慧小燈的基本功能，即利用光線傳感器是否可以實(shí)現(xiàn)不同程度的光可控制打開(kāi)馬達(dá)，從而打開(kāi)燈;是否可以滑動(dòng)滑竿，滑桿滑動(dòng)到什么程度可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈以及燈的亮暗功能，以及利用聲音實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)燈的功能等。學(xué)生通過(guò)分析程序，以及分析傳感器的測(cè)量值不斷調(diào)試程序。在調(diào)試程序的過(guò)程中，學(xué)生也不斷的評(píng)估分析數(shù)值的內(nèi)涵與意義，提升批判思維。在反復(fù)迭代測(cè)試的過(guò)程中，提升設(shè)計(jì)思維。同時(shí)，在評(píng)估分析數(shù)值的過(guò)程中，也是對(duì)數(shù)學(xué)數(shù)值大小概念的深化。在推測(cè)數(shù)值意義的同時(shí)，也加深了對(duì)科學(xué)概念電流、電阻、環(huán)路的理解。學(xué)生可以反復(fù)通過(guò)觀察傳感器的反應(yīng)來(lái)反復(fù)調(diào)整和測(cè)試數(shù)值。

6.分享與評(píng)價(jià)產(chǎn)品，在交流過(guò)程中，提升協(xié)作思維

協(xié)作學(xué)習(xí)的形式多元，可通過(guò)分工協(xié)作完成共同的設(shè)計(jì)主題，結(jié)成伙伴關(guān)系對(duì)問(wèn)題進(jìn)行討論協(xié)商，以及同伴之間提供評(píng)價(jià)反饋從而提供思路與靈感等方式開(kāi)展協(xié)作學(xué)習(xí)，從而提升協(xié)作思維。

具體實(shí)施：學(xué)生以小組為單位，協(xié)作設(shè)計(jì)制作以Scratch編程聯(lián)結(jié)傳感器從而聯(lián)結(jié)真實(shí)世界為重點(diǎn)的智慧作品。在分享與展示的過(guò)程中，學(xué)生將自身的需求、對(duì)生活的觀察、審美以及對(duì)多元學(xué)科知識(shí)和計(jì)算思維的實(shí)踐融入到智慧小燈設(shè)計(jì)圖、Scratch程序以及結(jié)合審美與功能為一體的智慧小燈中，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中分工協(xié)作共同完成智慧小燈的設(shè)計(jì)、并對(duì)智慧小燈的功能與程序設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)商討論，并與同伴評(píng)價(jià)智慧小燈產(chǎn)品。在多元協(xié)作中，提升協(xié)作思維。

五、基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)效果測(cè)評(píng)

（一）研究對(duì)象

本研究的研究對(duì)象為武漢某小學(xué)四年級(jí)參與該課程的46名小學(xué)生，其中男生22人.女生24人。選用自陳式《計(jì)算思維能力量表》為測(cè)量工具，采用單組前后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探討基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的影響。 （二）測(cè)量工具 問(wèn)卷改編自O(shè)zgen Korkmaz開(kāi)發(fā)的計(jì)算思維量表（Computational Thinking Scale，CTSy31J。該問(wèn)卷從創(chuàng)造力（Creativity）、批判思維（Critical Thinking）、問(wèn)題解決（Ptoblem Solving）、算法思維（Algorithmic Thinking）、協(xié)作思維（Cooperative Thinking）五個(gè)子維度調(diào)查學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維復(fù)合能力。每個(gè)維度分別有7、6、4、5、5道題，共27道題目，Korkmaz通過(guò)探索性因子分析、驗(yàn)證性因子分析以及項(xiàng)目研究等進(jìn)行分析，內(nèi)部一致性系數(shù)高，穩(wěn)定性分析可靠。問(wèn)卷采用李克特五級(jí)量表。對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行翻譯和本土化后，對(duì)信度進(jìn)行測(cè)量。創(chuàng)造力、算法思維、問(wèn)題解決、協(xié)作思維和批判思維五個(gè)維度上Cronbach的Alpha值分別為0.85、0.86、0.82、0.80、0.72。該研究中五個(gè)維度Cronbach的Alpha均在0.7以上，表明該問(wèn)卷具有較好的信度。學(xué)生在學(xué)習(xí)智慧小燈為主要內(nèi)容的三個(gè)單元的STEM+C課程前后分別填寫(xiě)計(jì)算思維前測(cè)問(wèn)卷和計(jì)算思維后測(cè)問(wèn)卷。

（三）數(shù)據(jù)分析

對(duì)STEM+C課程前后分發(fā)的問(wèn)卷回收并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果如下：

1.經(jīng)過(guò)基于設(shè)計(jì)的STEM+C學(xué)習(xí)后，學(xué)生的計(jì)算思維能力在創(chuàng)造力、算法思維、協(xié)作思維、批判性思維以及問(wèn)題解決維度上均值均有提升。如圖4所示。

圖4顯示，學(xué)生整體計(jì)算思維能力本身就較高，創(chuàng)造力、算法思維、協(xié)作思維、批判性思維以及問(wèn)題解決維度上均值分別為3.99，4.27，3.60，3.92以及4.08，可能由于該小學(xué)近三年來(lái)開(kāi)設(shè)多元社團(tuán)課、機(jī)器人課程以及創(chuàng)客課程等。在開(kāi)展STEM+C課程后，學(xué)生在創(chuàng)造力、算法思維、協(xié)作思維、批判性思維以及問(wèn)題解決維度上有不同程度的提升?？梢?jiàn)，STEM+C課程的學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)造的能力、按照步驟有序解決問(wèn)題的能力、協(xié)作解決問(wèn)題的能力以及辨證看待問(wèn)題，批判性分析評(píng)估問(wèn)題的能力。

2.經(jīng)過(guò)基于設(shè)計(jì)的STEM+C學(xué)習(xí)后，學(xué)生在算法思維、協(xié)作思維、批判思維以及問(wèn)題解決維度四個(gè)維度上存在顯著性差異，在創(chuàng)造力維度上無(wú)顯著性差異，同時(shí)，在協(xié)作思維維度上效應(yīng)量較小。數(shù)據(jù)結(jié)果如下表所示。

本研究對(duì)小學(xué)四年級(jí)學(xué)生在學(xué)習(xí)前后的計(jì)算思維能力進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果表明：在經(jīng)過(guò)“智慧小燈”課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生的計(jì)算思維在算法思維、協(xié)作學(xué)習(xí)、批判思維、以及問(wèn)題解決維度上有所提升。在算法維度上，學(xué)生具有更強(qiáng)的算法能力感知“我相信我可以很容易的找到數(shù)字之間的關(guān)系”（m前測(cè)=4.27，m后測(cè)=4.56.t=-2.62）。學(xué)生在調(diào)試錯(cuò)誤的過(guò)程中，不斷審視可能的問(wèn)題，做出假設(shè)，大膽嘗試，不斷推理與分析，提出不同的解決方案，并在多個(gè)可能的解決方案中尋找最優(yōu)方案或準(zhǔn)確的解決措施，在這一過(guò)程中，培養(yǎng)批判思維。例如，在調(diào)試程序環(huán)節(jié)，C同學(xué)說(shuō)道“寫(xiě)程序的時(shí)候，我想要的燈是一個(gè)天黑了就可以亮的燈，所以我要知道哪個(gè)值是表示天黑。我猜可能是30”。從協(xié)作思維維度來(lái)看，學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)能力感知得到增強(qiáng)，認(rèn)為“我喜歡和我的小組伙伴一起體驗(yàn)合作學(xué)習(xí)”“我喜歡在合作學(xué)習(xí)中與伙伴們一起解決問(wèn)題”（m前測(cè)=3.60，m后測(cè)=3 .93.t=-2.18）。在批判思維的維度上，學(xué)生批判思維顯著提升， “我在做出決定時(shí)，會(huì)對(duì)幾個(gè)選擇進(jìn)行比較篩選”顯著增加（m刖測(cè)=3.92，m后測(cè)=4.30，t=-2.11）。在問(wèn)題解決維度上，學(xué)生的問(wèn)題解決能力的感知顯著增加（m前測(cè)=4.08，m后測(cè)=4.39，t=-3.73）。學(xué)生積極解決真實(shí)生活問(wèn)題的行為貫穿始終。

另外，研究者趨于認(rèn)為合理使用假設(shè)顯著性檢驗(yàn)，輔以效應(yīng)量，能改進(jìn)評(píng)估結(jié)果[32]。心理學(xué)家Ferguson于2009年提出，效應(yīng)量小、中、大的標(biāo)準(zhǔn)分別為0.04、0.25、0.64[33]。一般社會(huì)科學(xué)類(lèi)研究，效應(yīng)量中等及以上為佳。從效應(yīng)量大小來(lái)看，創(chuàng)造力、算法思維、批判思維以及問(wèn)題解決方面效應(yīng)量中等，而協(xié)作思維方面效應(yīng)量較小，協(xié)作思維的培養(yǎng)方式有待改進(jìn)。

六、總結(jié)與思考

筆者所在團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于設(shè)計(jì)的STEM+C理論框架與教學(xué)模式，實(shí)施教學(xué)活動(dòng)并開(kāi)展實(shí)證研究驗(yàn)證其效果。該教學(xué)著重利用真實(shí)的問(wèn)題情境，將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行抽象與分解，學(xué)生設(shè)計(jì)真實(shí)世界的產(chǎn)品以及虛擬世界的產(chǎn)品內(nèi)核，將真實(shí)世界產(chǎn)品內(nèi)核用可視化的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表征，制作出原型的基礎(chǔ)上，利用迭代調(diào)試不斷完善制作出解決多元實(shí)際問(wèn)題的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品的過(guò)程中，學(xué)習(xí)者習(xí)得知識(shí)概念以及培養(yǎng)復(fù)合型計(jì)算思維能力。研究采用單組前后測(cè)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究法，從問(wèn)題解決能力、創(chuàng)造力、批判思維、算法思維以及協(xié)作思維五個(gè)計(jì)算思維的子維度調(diào)查武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力。研究表明，基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)在問(wèn)題解決、批判思維、算法思維以及協(xié)作思維四個(gè)子維度上均提升，在創(chuàng)造力上沒(méi)有顯著差異，在協(xié)作思維上效應(yīng)量較小。該教學(xué)案例有值得借鑒與反思的地方。

（一）設(shè)計(jì)螺旋式深入的真實(shí)、模糊、復(fù)雜和開(kāi)放的問(wèn)題情境，為問(wèn)題解決能力的提高提供溫床

在本研究中，問(wèn)題解決相對(duì)而言是提升較為顯著的子維度。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，真實(shí)的問(wèn)題情境給學(xué)生更多臨場(chǎng)體驗(yàn)，同時(shí)，開(kāi)放、復(fù)雜的問(wèn)題將STEM學(xué)科內(nèi)容有效串聯(lián)，模糊、弱構(gòu)的問(wèn)題則適合將問(wèn)題迭代優(yōu)化，從而形成有機(jī)整體。問(wèn)題對(duì)于STEM教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施效果具有重要影響[34]。STEM+C教學(xué)模式的第一步即核心是設(shè)計(jì)情境問(wèn)題，將其作為切入點(diǎn)，融合STEM學(xué)科內(nèi)容，提出多維度的任務(wù)單。真實(shí)、復(fù)雜開(kāi)放的問(wèn)題融入培養(yǎng)學(xué)生思維過(guò)程的任務(wù)單，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成問(wèn)題的抽象與分解，采集與分析，可視化呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)編程制作雛形，迭代改善，最終形成解決復(fù)雜開(kāi)放問(wèn)題的能力。

（二）探究多元教學(xué)策略，搭建靈活的腳手架，改進(jìn)培養(yǎng)協(xié)作思維和創(chuàng)造思維的方式

在本研究中，創(chuàng)造力是無(wú)顯著性差異的子維度。究其原因，在教學(xué)策略與腳手架搭建上缺乏一定的靈活性。靈活的腳手架創(chuàng)設(shè)則是為科學(xué)孕育提供溫床，例如，在問(wèn)題情境設(shè)置的過(guò)程中，設(shè)置更為靈活、多元的問(wèn)題情境，給予學(xué)生靈活的創(chuàng)造空間;在設(shè)計(jì)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者繪畫(huà)思維導(dǎo)圖、流程圖、設(shè)計(jì)圖等多種形式的模式圖，幫助學(xué)習(xí)者開(kāi)展更多創(chuàng)造多元作品的機(jī)會(huì)，這與不少學(xué)者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多種思維工具解決問(wèn)題的想法不謀而合[35];同時(shí)，協(xié)作思維的效應(yīng)量較小。在協(xié)作學(xué)習(xí)過(guò)程中，依然存在同伴“搭便車(chē)”，成員有爭(zhēng)執(zhí)時(shí)缺乏溝通技巧等問(wèn)題，盡管在教學(xué)過(guò)程中采用了一對(duì)一同伴協(xié)作，頭腦風(fēng)暴、同伴互評(píng)等協(xié)作學(xué)習(xí)策略，但在搭建腳手架方面可能還存在不足，例如，協(xié)作學(xué)習(xí)任務(wù)單的設(shè)定上有待斟酌，不斷改進(jìn)協(xié)作學(xué)習(xí)的策略與方式還任重道遠(yuǎn)。

本研究依托項(xiàng)目組與武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)開(kāi)展合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目開(kāi)展STEM+C教學(xué)促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的轉(zhuǎn)變，以期促進(jìn)學(xué)生二十一世紀(jì)核心能力的培養(yǎng)。但是該研究還存在一定的不足，關(guān)于課程的前期設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)條件下教師的實(shí)施還有待進(jìn)一步完善。對(duì)構(gòu)建的框架的適用度還需結(jié)合不同的主題開(kāi)展更廣泛的研究。本研究?jī)H通過(guò)單組前后測(cè)進(jìn)行了效果的驗(yàn)證，未來(lái)還將采用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

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作者簡(jiǎn)介：

李幸：在讀博士，研究方向?yàn)镾rEM教育、計(jì)算思維、智慧教育、數(shù)字化教學(xué)設(shè)計(jì)（lixing1130@mails.cmu.edu.m）。

張屹：教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)學(xué)習(xí)與智慧教育、STEM教育、教育信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、教育信息化測(cè)評(píng)與發(fā)展戰(zhàn)略（zhangyi@mai1.ccnu.edu.cn）。