圖形化編程教育與STEAM教育的關(guān)系

張晶 秦曾昌

STEAM是指科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）這5個(gè)學(xué)科的有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)學(xué)科間內(nèi)在聯(lián)系的教育（李雁冰，2016）。STEAM教育可被定義為以解決真實(shí)生活中的問(wèn)題為導(dǎo)向，以科學(xué)的概念和原理為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)的方法建模與分析，選擇相關(guān)的技術(shù)通過(guò)工程的方法，創(chuàng)造出兼具效用和人文價(jià)值的想法或產(chǎn)品的教育（孟延豹，李想，2018）。

圖形化編程是指通過(guò)圖形化的電子編程積木拖拽拼接編寫(xiě)動(dòng)畫(huà)、故事、仿真物理現(xiàn)象等交互性程序，比較適合8～12歲兒童，通常作為正規(guī)編程的入門(mén)。圖形化編程不僅能教會(huì)學(xué)生基礎(chǔ)的編程指令及結(jié)構(gòu)，更能創(chuàng)設(shè)探究設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)空間鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)自我想法，進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，以及在創(chuàng)作過(guò)程中鍛煉邏輯思維和培養(yǎng)問(wèn)題解決能力。圖形化編程的教學(xué)課程線(xiàn)上及線(xiàn)下教學(xué)皆有，其中線(xiàn)上教學(xué)為主流，具體形式多樣，一般采用45分鐘左右的視頻教學(xué)加真人教師輔導(dǎo)作品的模式。

STEAM教育與圖形化編程教育的聯(lián)系與區(qū)別

圖形化編程教育與STEAM教育共享概念。圖形化編程教育本身即為STEAM教育的一種，是基于科學(xué)知識(shí)及數(shù)理知識(shí)，以圖形化編程工具為主要技術(shù)手段，以編程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)為目標(biāo)的過(guò)程，本質(zhì)是以編程技術(shù)為核心的多學(xué)科的運(yùn)用。STEAM教育與圖形化編程教育共享培養(yǎng)方式。圖形化編程教學(xué)的過(guò)程主體有工程設(shè)計(jì)的思維，即以編程作品的工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)為線(xiàn)索，以產(chǎn)品的設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的過(guò)程，而STEAM教育的主要教學(xué)方式為基于問(wèn)題的教學(xué)、基于設(shè)計(jì)的教學(xué)及基于項(xiàng)目的教學(xué)（史顏君，2017）。也就是說(shuō)，圖形化編程的常見(jiàn)教學(xué)方式也屬于STEAM教學(xué)中有代表性的一種。圖形化編程教育的培養(yǎng)目標(biāo)與STEAM教育培養(yǎng)目標(biāo)具有一致性。圖形化編程教育能培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作思維、評(píng)判思維、創(chuàng)造性、問(wèn)題解決能力及算法思維（李幸等，2019），圖形化編程所培養(yǎng)的能力與STEAM教育是高度一致的。

但圖形化編程教育與STEAM教育相比又有其特殊點(diǎn)。

首先，圖形化編程教育雖本質(zhì)上為多學(xué)科的教育，但終究為以編程技術(shù)為核心、其他學(xué)科為輔助的多學(xué)科的學(xué)習(xí)方式。圖形化編程教育要最大程度地發(fā)揮其作用，應(yīng)豐富編程課程的趣味性及內(nèi)涵，在編程技術(shù)之外，應(yīng)多以情景化的模擬真實(shí)世界的問(wèn)題出發(fā)設(shè)計(jì)課程，豐富課程中的多學(xué)科背景知識(shí)，體現(xiàn)人文特色，才能最大程度地發(fā)揮圖形化編程教育作為STEAM教育的天然優(yōu)勢(shì)。也就是說(shuō)圖形化編程教育應(yīng)以STEAM教育理念為指導(dǎo)，豐富其多學(xué)科的內(nèi)涵。

其次，圖形化編程教育的問(wèn)題及情境，不一定為真實(shí)世界的處境或問(wèn)題，這與STEAM教育服務(wù)于現(xiàn)實(shí)生活的特征或有差異。圖形化編程教育主要為8～12歲兒童服務(wù)，這個(gè)年齡段的兒童想象力豐富但是現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，處于皮亞杰的“前運(yùn)算階段”，不能脫離具體形象進(jìn)行思維，圖形化編程作為教育工具恰好能給這個(gè)年齡段的兒童提供模擬及檢驗(yàn)現(xiàn)實(shí)世界的經(jīng)驗(yàn)，以及充分發(fā)揮想象力的虛擬場(chǎng)所，有助于孩子的創(chuàng)造力和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)。同時(shí)在考慮到圖形化編程的不受現(xiàn)實(shí)世界約束的優(yōu)點(diǎn)之外，圖形化編程教育也應(yīng)注意與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合，與科學(xué)規(guī)律結(jié)合，以科學(xué)和現(xiàn)實(shí)為準(zhǔn)繩，同時(shí)考慮與其他線(xiàn)下STEAM教育結(jié)合，彌補(bǔ)脫離現(xiàn)實(shí)性的不足。

STEAM圖形化編程能力的培養(yǎng)

STEAM教育與圖形化編程教育結(jié)合被研究證明可以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作思維、批判思維、創(chuàng)造力、問(wèn)題解決能力及算法思維，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了基于工程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐雙環(huán)。基于工程設(shè)計(jì)的編程學(xué)習(xí)環(huán)，是指學(xué)生的6個(gè)學(xué)習(xí)步驟，依次為：定義真實(shí)問(wèn)題情境，學(xué)習(xí)背景了解問(wèn)題，用頭腦風(fēng)暴設(shè)計(jì)方案，用編程算法構(gòu)建原型，迭代完善作品，以及對(duì)作品進(jìn)行分享評(píng)價(jià)。每個(gè)學(xué)習(xí)步驟分別對(duì)應(yīng)6個(gè)主要的實(shí)踐重點(diǎn)：抽象和分解問(wèn)題，收集和分析數(shù)據(jù)，多元化呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，分步推理演算，自動(dòng)化模擬，以及并行處理。通過(guò)這6個(gè)實(shí)踐步驟，學(xué)生的協(xié)作思維、批判思維、創(chuàng)造力、問(wèn)題解決能力及算法思維能得到綜合培養(yǎng)和提高（李幸等，2019）。上述研究主要針對(duì)線(xiàn)下圖形化編程教育的教學(xué)，但在我國(guó)圖形化編程教育多為線(xiàn)上教學(xué)，因此上述學(xué)習(xí)與實(shí)踐環(huán)都需要在線(xiàn)上教學(xué)環(huán)境下重新具體考慮其實(shí)踐細(xì)節(jié)，這也是本研究的著力之處，即探討在線(xiàn)上如何實(shí)現(xiàn)STEAM圖形化編程教學(xué)能力培養(yǎng)體系的落地。

線(xiàn)上圖形化編程課程多為視頻教學(xué)加真人教師點(diǎn)評(píng)或輔導(dǎo)（教師參與方式，多為點(diǎn)評(píng)作品及補(bǔ)充講解知識(shí)點(diǎn)），具有無(wú)法同時(shí)面對(duì)面信息溝通討論，以及具有明確的時(shí)限（15～45分鐘）等限制性因素，因此通過(guò)單純的線(xiàn)上的視頻教學(xué)無(wú)法覆蓋學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的6個(gè)步驟，如由于視頻時(shí)間有限，“學(xué)習(xí)背景了解問(wèn)題”“頭腦風(fēng)暴設(shè)計(jì)方案”等都難以在視頻及與教師的溝通中展現(xiàn)，學(xué)生也不能進(jìn)行“收集數(shù)據(jù)及分析數(shù)據(jù)”“多元呈現(xiàn)數(shù)據(jù)”等針對(duì)性操作，從而在能力培養(yǎng)上存在缺口。因此考慮通過(guò)添加課下作業(yè)補(bǔ)充線(xiàn)上教學(xué)的不足，通過(guò)線(xiàn)上線(xiàn)下聯(lián)動(dòng)補(bǔ)齊學(xué)習(xí)與實(shí)踐的諸環(huán)節(jié)與步驟，具體體現(xiàn)如表1所示。

如表1，圖形化編程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐的6個(gè)步驟被拆分為3個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施，某些步驟上會(huì)搭配多環(huán)節(jié)綜合實(shí)施。如在“學(xué)習(xí)背景、了解問(wèn)題”步驟的“收集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)”實(shí)踐步驟，可以放在課下作業(yè)中，提供給學(xué)生課下拓展的知識(shí)和方法。此外，教師在手機(jī)移動(dòng)端能收到學(xué)生的編程作品，可及時(shí)點(diǎn)評(píng)并提出修改及迭代的意見(jiàn)，并將好的作品進(jìn)行分享展示，促進(jìn)學(xué)生間的相互借鑒和學(xué)習(xí)，和課下作業(yè)一起完成學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的“迭代完善改良作品”及“評(píng)價(jià)反饋分享展示”等步驟，從而形成學(xué)習(xí)及實(shí)踐的良好搭配。

每個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)及實(shí)踐環(huán)節(jié)均能有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生的某些能力，由于缺乏線(xiàn)下面對(duì)面實(shí)時(shí)的行為示范及觀察點(diǎn)評(píng)反饋等優(yōu)勢(shì)，因此可借鑒班杜拉的社會(huì)學(xué)習(xí)理論，發(fā)揮典型行為的示范作用，促進(jìn)學(xué)生的觀察和模仿，在展示視頻中設(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)的典型行為的示范與課下作業(yè)的模仿練習(xí)。具體步驟為：根據(jù)能力特性匹配重點(diǎn)思維（行為）根據(jù)重點(diǎn)行為歸納最佳思維（行為）模式根據(jù)最佳行為匹配能力培養(yǎng)工具（見(jiàn)表2）。

線(xiàn)上圖形化編程教育與STEAM教育結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)

眾所周知，分科教育存在著分科教育的弊端，面對(duì)現(xiàn)在的知識(shí)大爆炸，近代以來(lái)的分科教育顯然不適合面對(duì)未來(lái)的教育，但是由于分科教學(xué)的便利及STEAM師資培訓(xùn)及教師隊(duì)伍的不足，STEAM教育推行仍舊困難重重。圖形化編程教育作為一門(mén)新興的教育成為STEAM教育實(shí)施的可行途徑：極度便利的編程平臺(tái)工具極大提升了學(xué)生動(dòng)手編程的積極性，激發(fā)學(xué)生的探索熱情，通過(guò)引導(dǎo)讓學(xué)生綜合利用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，也在分享便利的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同創(chuàng)新，充分實(shí)現(xiàn)合作學(xué)習(xí)。

在線(xiàn)圖形化編程教育，離不開(kāi)多學(xué)科的知識(shí)。好的編程作品，離不開(kāi)背后的多學(xué)科的支持。如設(shè)計(jì)一個(gè)古代名畫(huà)賞鑒的編程作品，在利用編程知識(shí)之外，還需要豐富的人文底蘊(yùn)。STEAM教育就是在孤立的學(xué)科中搭建溝通的橋梁，讓學(xué)生整合地認(rèn)識(shí)世界，把科學(xué)、技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)和技能的教學(xué)整合到STEAM的教學(xué)模式中，使零碎知識(shí)的學(xué)習(xí)變成相互聯(lián)系、相互統(tǒng)一的知識(shí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，因此避免了傳統(tǒng)教學(xué)中各學(xué)科知識(shí)割裂、不利于學(xué)生實(shí)際問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的弊端，讓學(xué)生培養(yǎng)跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)（葉兆寧，楊元魁，2015）。圖形化編程教育，天然是多學(xué)科的教育，為跨學(xué)科教育提供了具有天然優(yōu)勢(shì)的平臺(tái)，應(yīng)為多學(xué)科而學(xué)編程，為編程而學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)。