計(jì)算機(jī)科學(xué)教育有效助力STEM教育實(shí)踐

李軍

【摘要】STEM教育通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作、批判性思維、技術(shù)運(yùn)用綜合能力，培養(yǎng)核心素養(yǎng)的最好載體，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)任務(wù)中，通過動(dòng)手實(shí)踐學(xué)習(xí)，日益受到各國重視。但目前而言，計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，特別是計(jì)算思維的培養(yǎng)，在STEM教育中的作用卻仍未得到足夠的重視。本文通過計(jì)算思維能力培養(yǎng)和STEM能力培養(yǎng)的比較，發(fā)現(xiàn)它們都有助于發(fā)展相似能力。因此，重視和落實(shí)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，培養(yǎng)計(jì)算思維將有效助力STEM教育實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)科學(xué)；計(jì)算思維；STEM教育；學(xué)科融合

毫無疑問，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不僅影響了我們的工作和生活方式，也影響了我們的思維和學(xué)習(xí)方式。思維模式和學(xué)習(xí)過程已經(jīng)從一種單向知識(shí)傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N互動(dòng)動(dòng)態(tài)體驗(yàn)。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師在課堂上的角色被視為知識(shí)的唯一傳授者，而學(xué)生的角色則是被動(dòng)的接受者。如今，我們的學(xué)習(xí)者不再是被動(dòng)等待被教導(dǎo)的學(xué)習(xí)者，他們想要掌控自己的學(xué)習(xí)過程，學(xué)習(xí)者必須處于學(xué)習(xí)體驗(yàn)的中心。學(xué)習(xí)將成為一種知識(shí)重構(gòu)，而僅僅是知識(shí)的傳遞。當(dāng)學(xué)習(xí)者通過在他們實(shí)際參與現(xiàn)實(shí)生活中問題解決或制造一件藝術(shù)品的實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，學(xué)習(xí)就會(huì)發(fā)生。

這種思維和學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變可能是近年來STEM教育和兒童編程教學(xué)都獲得了廣泛關(guān)注的原因之一。2015年，教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中首次提出了“探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”。雖然STEM教育的定義中包括了技術(shù)，但就當(dāng)下而言，計(jì)算機(jī)科學(xué)仍是“STEM”中無聲的“主角”，尚未引起足夠的重視。雖然信息技術(shù)課程已經(jīng)在我國中小學(xué)得到開設(shè)，但大部分地區(qū)的信息技術(shù)課程側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生使用辦公、繪圖、音視頻編輯、動(dòng)畫制作等軟件的使用技能，而忽視了編程教學(xué)，計(jì)算思維的培養(yǎng)。因此，有必要充分認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)、科學(xué)以及工程和技術(shù)之間的緊密聯(lián)系，進(jìn)而用來支持和促進(jìn)兒童在這些學(xué)科的學(xué)習(xí)。這為教育工作者提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，使他們能夠整合各種活動(dòng)，支持學(xué)習(xí)者發(fā)展他們多學(xué)科的知識(shí)和技能。

“STEM”一詞是由美國國家科學(xué)基金會(huì)于2001年提出的，STEM 是科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）的英文首字母縮略語。到目前為止，對(duì)STEM教育仍未有一個(gè)公認(rèn)的定義，各個(gè)國家和地區(qū)及組織對(duì)其理解都不盡相同。近年來，STEM教育也出現(xiàn)了許多不同的擴(kuò)張，例如，STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)）、STREM（科學(xué)、技術(shù)、機(jī)器人、工程和數(shù)學(xué)）、eSTEM（環(huán)境、科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）等等。但數(shù)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子、通信和機(jī)械工程被確定為主要STEM學(xué)科。STEM教育旨在通過基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，將不同課程學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，并能運(yùn)用于實(shí)際生活中問題的解決。重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、問題解決、邏輯推理、技術(shù)、溝通、協(xié)作，自學(xué)和創(chuàng)新能力 。

STEM教育讓學(xué)生有機(jī)會(huì)在不同的情境中研究一個(gè)想法，并將學(xué)習(xí)與各學(xué)科有機(jī)聯(lián)系起來。這種有目的學(xué)習(xí)整合不能僅僅被看作是跨課程學(xué)習(xí)，因?yàn)樗髮W(xué)習(xí)者使用更高層次的策略來促進(jìn)他們的創(chuàng)造性和批判性思維，以解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。他們需要能夠利用自己的認(rèn)知資源，通過綜合實(shí)踐活動(dòng)組織、遷移、應(yīng)用和評(píng)估他們?cè)诓煌瑢W(xué)科的知識(shí)和技能。此外，他們需要有能力掌控他們的學(xué)習(xí)過程，在這個(gè)過程中，僅僅掌握技能是不夠的，學(xué)生在解決問題時(shí)，需要理解這些概念，成為技能方面的專家，然后知道何時(shí)以及何時(shí)將這些技能應(yīng)用于新的情況。

計(jì)算機(jī)科學(xué)是研究計(jì)算機(jī)和計(jì)算過程是如何工作的，以及它們是如何設(shè)計(jì)的。計(jì)算機(jī)科學(xué)家創(chuàng)造了將信息和抽象轉(zhuǎn)化為復(fù)雜模型系統(tǒng)的算法。對(duì)于一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家來說，最重要的技能是解決問題，這包括確定問題，創(chuàng)造性地思考解決方案，以及設(shè)計(jì)一個(gè)清晰的解決方案。在創(chuàng)建程序和解決問題時(shí)，他們還使用諸如邏輯推理、問題分解、編碼、測試、調(diào)試等方法。這些技能和方法的結(jié)合形成了另一種更高層次的技能，即計(jì)算思維。

卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)周以真教授將計(jì)算思維定義為：“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”。這是基于邏輯思維、算法思維和遞歸思維的能力，計(jì)算思維涉及到算法、抽象、迭代和概括等計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)。它還包括邏輯推理、問題分解、測試、調(diào)試和可視化技巧。發(fā)展這些技能使學(xué)生能夠在計(jì)算機(jī)及其他學(xué)科和日常生活中分析和解決問題。在建構(gòu)主義教學(xué)方法的支持下，兒童與數(shù)字工具的互動(dòng)為他們提供了一個(gè)發(fā)展計(jì)算思維的環(huán)境，因?yàn)樗鼮閷?shí)踐和發(fā)展元認(rèn)知、解決問題和推理技能提供了空間。

通過比較計(jì)算思維和STEM技能，我們可以發(fā)現(xiàn)它們都有助于發(fā)展相似的能力。我們將邏輯推理、批判性思維、創(chuàng)造性、溝通、合作和解決問題定義為STEM技能。這些技能也是計(jì)算思維的基礎(chǔ)。邏輯思維是計(jì)算思維的重要組成部分。這一切都是用規(guī)則來解決問題。當(dāng)我們?cè)谟?jì)算中思考邏輯時(shí)，我們實(shí)際上是在談?wù)撨壿嬎季S和推理。如果我們給兩個(gè)不同的孩子提出一個(gè)同樣的問題，他們可能會(huì)用兩種不同的方式來解決這個(gè)問題。他們會(huì)以不同的方式理解問題，提出不同的問題，并使用不同的策略來解決問題。因此，我們無法讓這兩個(gè)孩子以同樣的方式進(jìn)行編程。所以我們很難預(yù)測他們的解決方案或他們可能選擇的方法。

學(xué)生通過設(shè)計(jì)解決方案、編碼、測試代碼來嘗試解決問題。他們學(xué)會(huì)把復(fù)雜的問題分解成小的、可管理的部分，這樣他們就能更容易地解決這些問題。他們認(rèn)識(shí)到一系列問題的共同模式，并為類似的問題設(shè)計(jì)共同的解決方案。

計(jì)算思維在STEM教育實(shí)踐中所凸顯的優(yōu)勢(shì)有：

1.創(chuàng)造力。在編程時(shí)，學(xué)生用他們的設(shè)計(jì)、制作、想象和可視化技巧來創(chuàng)造出解決真實(shí)問題的方法。他們從設(shè)計(jì)開始，然后制作，最后評(píng)估他們和他們的伙伴的工作。創(chuàng)造力包括嘗試原創(chuàng)的想法，而不僅僅是抄襲代碼和指令。例如，當(dāng)使用Scratch程序創(chuàng)建游戲時(shí)，學(xué)生設(shè)計(jì)他們的精靈，創(chuàng)建他們的背景，并給他們的角色設(shè)計(jì)一系列動(dòng)作。

2.合作。根據(jù)蘇聯(lián)心理學(xué)家維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論，合作學(xué)習(xí)、交流互動(dòng)是學(xué)習(xí)和發(fā)展的核心。團(tuán)隊(duì)合作解決問題是非常有用的，特別是在處理復(fù)雜問題時(shí)，因?yàn)楹⒆觽兛梢杂懻摳鞣N可能的解決辦法?！靶〗M合作”被許多學(xué)校廣泛使用，孩子們通過用共享的計(jì)算機(jī)編寫代碼，也為兒童分享和慶祝他們的工作成果提供了機(jī)會(huì)。

3.溝通。溝通是一項(xiàng)非常重要的技能，能夠準(zhǔn)確表達(dá)你的想法，并有效地與他人溝通。在編程時(shí)，孩子們有機(jī)會(huì)共同探討他們正在解決的問題、所做的事情。他們向別人提出建議，提出問題，進(jìn)行討論等等。

計(jì)算機(jī)科學(xué)可以促進(jìn)STEM教育的發(fā)展，因?yàn)檫@兩個(gè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)都遵循類似的途徑。例如，解決問題的能力對(duì)于STEM的學(xué)習(xí)是至關(guān)重要的，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)不可或缺的一部分。在數(shù)學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中，學(xué)生開始通過理解問題來解決問題；他們?cè)O(shè)計(jì)了一種解決方法，并將其應(yīng)用于解決問題，在必要時(shí)使用計(jì)算機(jī)或計(jì)算器等工具輔助解決。最后，對(duì)他們的解決方案進(jìn)行評(píng)估。同樣地，在科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，孩子們從提出問題開始，他們思考解決問題的方法，并通過測試他們的想法來研究不同的解決方案。最后，當(dāng)他們完成調(diào)查后，通過討論并得出結(jié)論并分享他們所做的事情。在編程中，學(xué)習(xí)者首先要理解任務(wù)和他們需要完成的任務(wù)，換句話說，就是問題。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)算法來實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)，然后編寫代碼給計(jì)算機(jī)執(zhí)行解決方案。

他們測試代碼以確保其工作正常，并在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行調(diào)試。他們與朋友分享他們的計(jì)劃，并討論他們的解決方案的有效性。在許多方面，編程可以被看作是應(yīng)用數(shù)學(xué)和科學(xué)，因?yàn)樗鼮閷W(xué)習(xí)者提供了一個(gè)使用迭代方法解決問題的環(huán)境。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)可以被看作是STEM的一門學(xué)科。

作為發(fā)展最快的STEM領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)科學(xué)為教師提供了打開課程的機(jī)會(huì)，并為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)平臺(tái)，讓他們通過親自動(dòng)手的項(xiàng)目來構(gòu)建自己的知識(shí)體系。加強(qiáng)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，培養(yǎng)計(jì)算思維，將有效助力STEM教育實(shí)踐。雖然這并不是一項(xiàng)容易的任務(wù)，它需要我們從整體上改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法。學(xué)校課程的設(shè)置需要有足夠的靈活性，以便通過綜合實(shí)踐活動(dòng)項(xiàng)目來適應(yīng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)。教師也需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)體系有深入的理解，以設(shè)計(jì)出合理、高效的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)目。他們需要了解自己和學(xué)生在這一學(xué)習(xí)周期中的作用，并讓學(xué)生參與課程設(shè)計(jì)過程。精心設(shè)計(jì)的任務(wù)不僅為不同學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)提供了空間，也為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)連接跨學(xué)科知識(shí)以實(shí)現(xiàn)更深層次學(xué)習(xí)的空間。