基于編程思維的小學(xué)STEAM課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘要：本文以校本課程“智能苗圃的制作”為例闡述了基于編程思維的小學(xué)STEAM課程的教學(xué)分析、具體教學(xué)流程，通過實(shí)例說明將編程思維融合到STEAM課程中，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中提供一種高效的技術(shù)手段及思維方式，將更有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力、運(yùn)用技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展以及復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：編程思維;STEAM課程

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2019）18-0073-04

STEAM代表科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics），但它并不是五者的簡單組合，而是一種新的教學(xué)方式或教學(xué)變革，STEAM是注重實(shí)踐的超學(xué)科教育理念，也是落實(shí)核心素養(yǎng)的體現(xiàn)，STEAM課程是讓學(xué)生自己動(dòng)手完成他們感興趣并且和他們生活相關(guān)的基于真實(shí)情境的項(xiàng)目，從項(xiàng)目探究的過程中學(xué)習(xí)各種學(xué)科以及跨學(xué)科的知識(shí)。編程思維是指“理解問題—找出路徑”的思維過程，它并不是簡單的編寫程序的方法技巧，而是一種高效的解決問題的工具或思維方式，將編程思維融合到STEAM課程中將更有助于高效地解決問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的抽象邏輯思維以及應(yīng)用技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

● 基于編程思維的小學(xué)STEAM課程教學(xué)分析

1.課程目標(biāo)分析

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正朝著精細(xì)化、智能化方向發(fā)展，這有利于降低人工成本，削減對(duì)抗病蟲害方面的成本，提升農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。在“智能苗圃的制作”課程中，學(xué)生通過學(xué)習(xí)建設(shè)一個(gè)智能苗圃，認(rèn)識(shí)各種常見的植物及對(duì)植物生長所需要的因素進(jìn)行分析，利用互動(dòng)教學(xué)軟件圖形化編程軟件與智能苗圃主題包，借助主控板、土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器以及無色透明亞克力板，搭建一套智能苗圃模型，進(jìn)行智能溫控、智能光控，智能灌溉系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)用編程控制智能苗圃內(nèi)植物生長條件，從而完成智能化培育植物的任務(wù)，加深對(duì)植物器官形態(tài)、生長條件等方面的理性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)一定的編程思維以及利用編程實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度等生長條件的控制。結(jié)合該門課程的主要內(nèi)容，借鑒李克東教授提出的STEM教學(xué)目標(biāo)的分解方法，將STEAM課程“智能苗圃的制作”的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下。

（1）目標(biāo)的總體描述

知識(shí)與技能目標(biāo)：①能夠根據(jù)工程目標(biāo)中需要解決的問題繪制流程圖;②能初步利用可視化編程軟件根據(jù)流程圖實(shí)現(xiàn)功能;③能初步利用主控板及所需傳感器組件結(jié)合智能苗圃模型進(jìn)行優(yōu)化測試;④能在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中掌握所涉及的各學(xué)科知識(shí)。

過程與方法目標(biāo)：①通過畫流程圖，培養(yǎng)良好的編程習(xí)慣;②通過編寫程序，提高科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力;③通過模型的搭建、測試、修正，優(yōu)化鍛煉動(dòng)手能力、觀察力和分析能力;④通過參與互動(dòng)交流和匯報(bào)，提升表達(dá)能力與合作能力。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：①通過學(xué)習(xí)和制作，培養(yǎng)善于分析、樂于思考的好習(xí)慣，培養(yǎng)科學(xué)的思維方法;②通過合作探究活動(dòng)，增強(qiáng)合作意識(shí)和探索、創(chuàng)新精神;③通過工程模型的設(shè)計(jì)和制作，培養(yǎng)新時(shí)代“工匠精神”。

（2）STEAM教學(xué)目標(biāo)分項(xiàng)描述

科學(xué)知識(shí)（S）：了解植物的分類，了解植物受光、溫度、水等生長條件的控制，了解苗圃種植事項(xiàng)。

技術(shù)知識(shí)（T）：運(yùn)用編程思維解決實(shí)際問題，用可視化編程軟件類似Scratch根據(jù)流程圖實(shí)現(xiàn)智能光控、溫控、灌溉系統(tǒng)。

工程知識(shí)（E）：制訂項(xiàng)目計(jì)劃，根據(jù)工程目標(biāo)繪制流程圖，智能苗圃模型的搭建穩(wěn)固性檢測。

藝術(shù)知識(shí)（A）：智能苗圃模型的美觀，種植區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖的設(shè)計(jì)。

數(shù)學(xué)知識(shí)（M）：數(shù)值的轉(zhuǎn)換公式，判斷條件的使用，材料價(jià)格、性能選擇，傳感器原理。

2.課程學(xué)情分析

本課例是校本教材STEAM課程“智能苗圃”活動(dòng)六的內(nèi)容，在結(jié)合前節(jié)課搭建好智能苗圃框架基本模型的基礎(chǔ)上小組合作完成智能苗圃的制作，本課程的學(xué)習(xí)是在基于云平臺(tái)的智慧課室環(huán)境下進(jìn)行，因此對(duì)學(xué)生的信息素養(yǎng)要求比較高。六年級(jí)學(xué)生的邏輯思維正逐步從經(jīng)驗(yàn)型向理論型發(fā)展，觀察能力、記憶能力和想象能力也隨之發(fā)展，同時(shí)還普遍具有求知欲高、模仿能力強(qiáng)，思維多依賴于具體直觀形象的特點(diǎn)。他們已經(jīng)具備操作網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的基本技能，能夠在教師的指導(dǎo)下完成云平臺(tái)中相關(guān)資源的下載和工具的使用，有一定的搜索分析資源的能力。另外，他們已經(jīng)學(xué)會(huì)用圖形化編程軟件進(jìn)行簡單的程序編寫，了解了畫流程圖的方法，嘗試過用主控板測試傳感器，初步具備程序編寫并借助傳感器解決常見問題的綜合能力。

3.課程設(shè)計(jì)分析

教學(xué)設(shè)計(jì)理念：根據(jù)所確定的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，結(jié)合筆者所在學(xué)校的智慧教室環(huán)境條件，本課程遵循STEAM教育理念、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理念和創(chuàng)客教育理念，強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)情境項(xiàng)目中的動(dòng)手實(shí)踐和探索喚醒學(xué)生與生俱來的創(chuàng)造力潛能，尤其重視對(duì)學(xué)生解決問題的能力培養(yǎng)，使學(xué)生具有將創(chuàng)新觀念轉(zhuǎn)化為具體成果的能力，對(duì)項(xiàng)目的選擇也讓學(xué)生更早和更深入地面對(duì)和解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，使學(xué)生具有應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)的能力。

教學(xué)流程：課程的教學(xué)活動(dòng)主要基于云平臺(tái)Aischool，從“課前—課中—課后”進(jìn)行學(xué)習(xí)，課前通過在網(wǎng)絡(luò)空間探索問題、交流設(shè)想、選擇資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，為課中的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，課中由“創(chuàng)設(shè)情境，提出問題—分享設(shè)計(jì)，合作探究—解決問題，模型制作—合作討論，模型優(yōu)化—展示分享，總結(jié)提升”5個(gè)環(huán)節(jié)14個(gè)教學(xué)活動(dòng)組成，將編程思維融入課程教學(xué)中，讓學(xué)生在解決工程問題的過程中動(dòng)手、動(dòng)腦，主動(dòng)參與學(xué)習(xí)過程，激發(fā)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)助中相互幫助、相互啟發(fā)，共同商討完成學(xué)習(xí)和工程任務(wù)，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

課程環(huán)境：本節(jié)課是在智慧課室環(huán)境下授課，通過對(duì)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間Aischool平臺(tái)課前學(xué)習(xí)的診斷，進(jìn)行相關(guān)微課、文檔、課件、導(dǎo)學(xué)案等資源的推送，課中主要技術(shù)應(yīng)用有電子書包平臺(tái)、微課、PPT課件、資源包、吉星微錄儀、圖形化編程軟件等，提供給學(xué)生網(wǎng)絡(luò)資源查找、微課學(xué)習(xí)、作品實(shí)時(shí)共享、交流評(píng)價(jià)、分組研討等學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主個(gè)性化的學(xué)習(xí)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)“智能苗圃”課程教學(xué)結(jié)構(gòu)流程圖，如圖1所示。

● 基于編程思維的小學(xué)STEAM課程教學(xué)流程

1.課前：探索問題，交流設(shè)想

課前學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間進(jìn)行自學(xué)，提交作品，交流評(píng)價(jià)。課前環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主個(gè)性化的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以相互學(xué)習(xí)，加深對(duì)智能苗圃的認(rèn)識(shí);教師能了解學(xué)情，為課堂開展針對(duì)性的學(xué)習(xí)探究做準(zhǔn)備，也能更好地推送資源。

2.課中：創(chuàng)設(shè)情境，提出、分析、解決問題

環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師播放國內(nèi)外優(yōu)秀的智能苗圃的微視頻，讓學(xué)生談?dòng)^后感，激發(fā)學(xué)生的問題探究興趣，引發(fā)學(xué)生思考，提出利用技術(shù)解決農(nóng)業(yè)遇到的問題的想法，再根據(jù)學(xué)校真實(shí)情境確定項(xiàng)目主題：將學(xué)校的農(nóng)業(yè)科普基地打造為智能苗圃。

環(huán)節(jié)2：分享設(shè)計(jì)，合作探究

教師展示學(xué)習(xí)空間點(diǎn)贊高的智能苗圃構(gòu)想設(shè)計(jì)圖，讓學(xué)生上臺(tái)借助一體機(jī)展示小組作品，同時(shí)讓學(xué)生分享智能苗圃設(shè)計(jì)方案的工程目標(biāo)，科學(xué)教師講解智能苗圃種植注意事項(xiàng)，目的在于利用空間數(shù)據(jù)推薦優(yōu)秀作品進(jìn)行分享，提高學(xué)生對(duì)智能苗圃的認(rèn)識(shí)，為解決問題打下基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)3：解決問題，模型制作

本環(huán)節(jié)是本課的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是學(xué)生運(yùn)用編程思維解決生活中實(shí)際問題的體現(xiàn)，學(xué)生在加深對(duì)智能苗圃了解的基礎(chǔ)上，通過編程去實(shí)現(xiàn)智能苗圃的制作。這一環(huán)節(jié)，教師布置任務(wù)一“制作模型”，并提出任務(wù)要求：①根據(jù)分工表進(jìn)行小組分工，佩戴工作證。②根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用教師推送的導(dǎo)學(xué)案、微課資源，分工合作完成智能苗圃的制作。③編程完成后進(jìn)行作品測試，并將調(diào)試情況記錄到檢測表中便于及時(shí)解決問題。④測試成功后錄視頻上傳到Aischool學(xué)習(xí)空間存檔，用于觀摩學(xué)習(xí)。

學(xué)生根據(jù)任務(wù)的要求分工合作編寫程序，搭建電子元件，完善植物分享卡、種植區(qū)規(guī)劃，完成程序編寫并連接實(shí)物模型進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，并填寫測試記錄表，完成后將視頻上傳空間。本環(huán)節(jié)設(shè)置了通過推送學(xué)習(xí)資源輔助解決學(xué)生在制作過程中遇到的問題;把作品錄制視頻上傳到空間，方便同伴之間互相學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)，也保存了學(xué)習(xí)的成果，為后續(xù)學(xué)習(xí)提供了方便。本環(huán)節(jié)的學(xué)生活動(dòng)表如下頁圖2所示。

環(huán)節(jié)4：合作討論，模型優(yōu)化

在初步完成模型制作測試的基礎(chǔ)上，教師布置智能苗圃制作任務(wù)二“評(píng)價(jià)作品，合作討論”。教師提出任務(wù)要求：觀察學(xué)習(xí)空間中別的小組作品或?qū)嵉赜^看作品，討論其優(yōu)點(diǎn)與不足，同時(shí)討論自己小組作品需要改進(jìn)的地方，并將討論結(jié)果記錄到智能苗圃討論交流活動(dòng)表中。學(xué)生欣賞作品后，教師引導(dǎo)其進(jìn)行交流匯報(bào)，匯報(bào)內(nèi)容主要包括學(xué)生互評(píng)及教師點(diǎn)評(píng)的結(jié)果，如教師引導(dǎo)學(xué)生去評(píng)價(jià)其他小組的優(yōu)勢與不足，提出的改進(jìn)建議，以及制作過程中遇到的問題，是怎么解決的，交流匯報(bào)后根據(jù)小組匯總的解決辦法教師布置任務(wù)三“智能苗圃的優(yōu)化”。本環(huán)節(jié)設(shè)置了優(yōu)化作品再次上傳空間，開展互動(dòng)交流和點(diǎn)評(píng)，這樣就提高了學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)了同伴之間的互助互學(xué)。

環(huán)節(jié)5：展示分享，總結(jié)提升

學(xué)生作品優(yōu)化完成后，按小組進(jìn)行匯報(bào)展示作品，小組成員按自己的分工匯報(bào)各自在項(xiàng)目中的成果，之后利用可視化思維工具PMIQ圖小結(jié)學(xué)習(xí)收獲，提出問題。最后，教師歸納總結(jié)，其中包括課程知識(shí)點(diǎn)的回顧、智能苗圃制作的步驟是什么、工程項(xiàng)目的實(shí)施流程，最后引申到“新時(shí)代工匠精神”的重要性。

3.課后：完善創(chuàng)作，拓展提升

課中學(xué)習(xí)時(shí)間有限，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間能夠打破時(shí)間空間的界限，將學(xué)習(xí)延伸到課外，學(xué)生課后有充分的時(shí)間去欣賞其他小組上傳的作品，并在空間進(jìn)行自評(píng)與互評(píng)，新的想法也可以繼續(xù)在空間交流分享，從而深化互動(dòng)和交流，提高作品的質(zhì)量，促進(jìn)可持續(xù)的學(xué)習(xí)。

● 總結(jié)

本課程主要以STEAM教育理念、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)理念、創(chuàng)客學(xué)習(xí)理念為指導(dǎo)，將工程活動(dòng)融入課程，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中運(yùn)用編程思維解決學(xué)生生活中的問題，打破學(xué)科疆域，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的融合，通過對(duì)學(xué)科素養(yǎng)的綜合應(yīng)用解決實(shí)際問題，同時(shí)培養(yǎng)綜合性人才。具體表現(xiàn)在：

①技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新。本課程合理應(yīng)用技術(shù)作品共享，互動(dòng)評(píng)價(jià)，以項(xiàng)目為主導(dǎo)，用圖形化編程軟件將跨學(xué)科知識(shí)深度融合，突破教學(xué)重難點(diǎn)。另外，創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)開展線上線下教與學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)流程重組，進(jìn)行教學(xué)改革創(chuàng)新。

②能力培養(yǎng)創(chuàng)新。用編程的思維解決生活中的問題，將編程思維融合到STEAM課程中將更有助于高效地解決問題，有助于學(xué)生抽象邏輯思維的培養(yǎng)以及應(yīng)用技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問題能力的培養(yǎng)。同時(shí)注重滲透培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)合作和領(lǐng)導(dǎo)力、動(dòng)手能力、計(jì)劃與執(zhí)行項(xiàng)目的能力。

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作者簡介：胡蓉，廣東省廣州市越秀區(qū)云山小學(xué)教師，研究生學(xué)歷。