基于中小學(xué)STEM教育的探究與設(shè)計(jì)*
——以學(xué)習(xí)Python程序語(yǔ)言為例

謝永盛 張 超 王 璐 蘇 柏 苑井孝

(西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730124)

2017年《中國(guó)STEM教育白皮書(shū)》[1]的發(fā)布，標(biāo)志著中國(guó)STEM教育開(kāi)始走向全面、專(zhuān)業(yè)、成熟的發(fā)展道路。教師可通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式并伴有創(chuàng)設(shè)情境、多人協(xié)作、探究學(xué)習(xí)等教學(xué)手段開(kāi)展某個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)習(xí)者從生活中學(xué)習(xí)，將知識(shí)情景化，學(xué)會(huì)利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問(wèn)題，提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)[2]。山東省和浙江省于2017年相繼出臺(tái)了信息技術(shù)課程改革方案，在PYPL2019年8月份編程語(yǔ)言排行榜上，Python位居第一名，簡(jiǎn)單易學(xué)、豐富的資源庫(kù)、跨平臺(tái)、可擴(kuò)展成為了它的代名詞。

一、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

(一)創(chuàng)設(shè)情境，講解基礎(chǔ)概念

1.情境引入

小明同學(xué)周末想要乘公交車(chē)去博物館，他借助電子地圖查詢(xún)?nèi)ゲ┪镳^的公交路線，那么他會(huì)選用哪種乘車(chē)路線呢？再者，某人將自己的密碼忘記了，密碼可能是生日也可能是電話號(hào)碼。那么如果要解決上面的問(wèn)題，我們就要把問(wèn)題的所有可能解都一一列舉出來(lái)，并按照問(wèn)題要求的條件逐個(gè)判斷每個(gè)答案是否是正確的解，這就是枚舉算法。

STEM小貼士：從生活中發(fā)現(xiàn)科學(xué)，將知識(shí)情景化，這大大提高了學(xué)生對(duì)程序語(yǔ)言的學(xué)習(xí)興趣。

2.項(xiàng)目指導(dǎo)

枚舉算法又叫窮舉法，方法簡(jiǎn)單但很實(shí)用，十分適合初學(xué)者掌握理解。本項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)習(xí)小組可以參考以下活動(dòng)建議進(jìn)行合作學(xué)習(xí)和交流分享。

表1 “用枚舉算法尋找問(wèn)題多解”微項(xiàng)目活動(dòng)建議

(二)分組討論，尋找解決方案

按照項(xiàng)目所學(xué)內(nèi)容可分為三個(gè)模塊，即將同學(xué)們分成2個(gè)小組(視班級(jí)人數(shù)情況而定可分為4個(gè)小組)。每個(gè)小組主要負(fù)責(zé)一個(gè)模塊，但也要參與到其它小組負(fù)責(zé)的模塊內(nèi)容上來(lái)。

STEM小貼士：不同的小組根據(jù)自己負(fù)責(zé)的模塊內(nèi)容設(shè)計(jì)不同的解決方案，這有助于同學(xué)們養(yǎng)成善于發(fā)現(xiàn)、大膽實(shí)踐的良好編程習(xí)慣。

1.“拍7”游戲

A組同學(xué)將邀請(qǐng)其他小組共同參與到這個(gè)游戲中。游戲規(guī)則是：把從1開(kāi)始的自然數(shù)中含“7”的數(shù)標(biāo)作“明7”；把不含“7”且是“7”的倍數(shù)的數(shù)稱(chēng)作“暗7”。從1開(kāi)始輪流報(bào)數(shù)，輪到報(bào)“明7”或“暗7”的人，不能出聲，只拍一下手。

假設(shè)一起游戲的有33人，由A組的同學(xué)記錄3輪報(bào)數(shù)后拍手的數(shù)據(jù)。第一輪數(shù)據(jù)情況：7、14、17、21、27、28，小組成員分工完成第二、三輪的數(shù)據(jù)記錄。

2.稱(chēng)量食鹽

C組同學(xué)幫助實(shí)驗(yàn)室老師稱(chēng)量100克食鹽，現(xiàn)有足量的1克、2克、5克、10克砝碼，共允許取用40枚砝碼，要求每種砝碼至少使用一枚，共有多少種稱(chēng)量方案？

(三)設(shè)計(jì)程序，分享運(yùn)行結(jié)果

老師感受到同學(xué)們的苦惱，便順著將枚舉算法再講解了一遍并通過(guò)Python程序語(yǔ)言給同學(xué)們以啟發(fā)。這個(gè)過(guò)程需要每個(gè)小組的參與，動(dòng)手敲代碼并將本小組的運(yùn)行結(jié)果通過(guò)教學(xué)平臺(tái)呈現(xiàn)給大家。

STEM小貼士：學(xué)生敲代碼的過(guò)程既鍛煉了動(dòng)手能力，又進(jìn)一步地感受邏輯思維解決問(wèn)題的魅力。

1.快速尋找有規(guī)律的數(shù)據(jù)——拍“7”游戲

(1)確定枚舉的對(duì)象、范圍和條件。假定報(bào)數(shù)達(dá)到100時(shí)游戲結(jié)束，根據(jù)“拍7”游戲的游戲規(guī)則，確定枚舉范圍是1-100的自然數(shù)，設(shè)定一個(gè)變量作為枚舉對(duì)象。枚舉1-100的程序基本結(jié)構(gòu)：n=100for i in range(1，n+1)。

在程序中，循環(huán)結(jié)構(gòu)通過(guò)range()函數(shù)控制枚舉范圍。接下來(lái)，通過(guò)增加判定條件以確定“明7”和“暗7”：“7”in str(i)or i%7==0。

(2)編寫(xiě)程序判斷“明7”和“暗7”。判斷“明7”的條件：1-100的自然數(shù)中含“7”的數(shù)即“明7”，需要利用選擇結(jié)構(gòu)語(yǔ)句添加限定條件，如圖3所示；判斷“暗7”的條件：1-100的自然數(shù)中能被7整除的數(shù)，增加條件即可同時(shí)判斷“明7”和“暗7”，需要利用if語(yǔ)句添加條件：if “7” in str(i)or i%7==0。

在程序中：%是取余運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為兩數(shù)相除所得的余數(shù)；借助邏輯運(yùn)算符“or”可以判斷多種情況。

STEM小貼士：數(shù)學(xué)是編程中學(xué)習(xí)邏輯算法的核心，將數(shù)學(xué)應(yīng)用到項(xiàng)目學(xué)習(xí)工程上是解決實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵。

2.一一列舉可行的解決方案——稱(chēng)量食鹽

(1)分析問(wèn)題，確定枚舉范圍。枚舉對(duì)象可以確定為4種質(zhì)量的砝碼。每種砝碼至少使用1枚，因此數(shù)量都不小于1，所取一種砝碼數(shù)量要小于等于40枚且質(zhì)量之和要小于等于100克，以下列出大概取值范圍。用a表示10克砝碼的枚數(shù)，大概取值范圍是1-10；用b表示5克砝碼的枚數(shù)，大概取值范圍是1-20；用c表示2克砝碼的枚數(shù)，大概取值范圍是1-40；用d表示1克砝碼的枚數(shù)，大概取值范圍是1-40。

(2)確定枚舉條件，設(shè)計(jì)枚舉程序。各種砝碼共計(jì)40枚，所以枚舉條件1為a+b+c+d==40；總質(zhì)量100克，所以枚舉條件2為10×a+5×b+2×c+d==100。程序如圖1所示。

(四)課堂小結(jié)，整合學(xué)習(xí)內(nèi)容

本節(jié)課教師通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開(kāi)展教學(xué)，借助“拍7”游戲和稱(chēng)量食鹽三個(gè)生活場(chǎng)景吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，融合數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)掌握了Python程序中的邏輯框架。借助STEM教育理念培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

二、教學(xué)反思與總結(jié)

在STEM教學(xué)理論的指導(dǎo)下，利用編程去優(yōu)化并解決生活中的問(wèn)題，讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的能力在實(shí)踐中得到更好的鍛煉，逐漸養(yǎng)成STEM素養(yǎng)。數(shù)字時(shí)代下的教育教學(xué)正是需要教師們不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，提升自己的教學(xué)設(shè)計(jì)能力，學(xué)會(huì)利用STEM素養(yǎng)去管理課堂、優(yōu)化課堂，讓師生均能獲得知識(shí)和能力提升的雙贏。

圖1 稱(chēng)量食鹽方案程序