面向計算思維培養(yǎng)的STEM工程設計教學模式及應用

周平紅 牛鈺琨 王康 張屹 李幸 上超望

摘要：計算思維是STEM問題解決中的一項關鍵能力，培養(yǎng)學生的計算思維已逐漸成為STEM教育的重要目標。然而當前如何在STEM工程設計教學中培養(yǎng)學生的計算思維，還有待深入探索。面向計算思維培養(yǎng)的STEM工程設計教學模式以計算思維、STEM學科內容知識以及教學法的整合為核心，通過工程設計發(fā)揮“系統(tǒng)流程”優(yōu)勢，將科學、技術與數(shù)學相關活動整合在一起，讓學生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中感知情境性問題，解決挑戰(zhàn)性任務。該模式在STEM課程“植物工廠”中的教學應用表明：將計算思維的概念與實踐融入STEM工程設計的各個環(huán)節(jié)，能顯著提升學生的STEM態(tài)度和計算思維能力，并且STEM態(tài)度對計算思維具有預測作用。未來，通過STEM教育發(fā)展計算思維將成為一種跨學科的思維實踐，基于證據(jù)的多元評價方式將有利于STEM教育中計算思維的培養(yǎng)。

關鍵詞：STEM教育；計算思維；工程設計；教學模式；STEM態(tài)度

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1009-5195（2022）01-0104-09 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2022.01.012

基金項目：華中師范大學國家教師發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新實驗基地建設研究項目“人工智能教育視域下教師跨學科教學創(chuàng)新與實踐研究”（CCNUTEIII 2021-20）；2018年度國家自然科學基金項目“促進小學生計算思維培養(yǎng)的跨學科STEM+C教學理論與實證研究”（71874066）。

作者簡介：周平紅，博士，副教授，華中師范大學人工智能教育學部（湖北武漢430079）；牛鈺琨（通訊作者），教師，淄博齊盛高級中學（山東淄博255000）；王康，博士研究生，湖北省武漢市教育科學研究院（湖北武漢430070）；張屹，博士，教授，博士生導師，華中師范大學人工智能教育學部（湖北武漢430079）；李幸，博士，講師，江漢大學教育學院（湖北武漢430056）；上超望，博士，教授，博士生導師，華中師范大學人工智能教育學部（湖北武漢430079）。

近年來，隨著人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等技術在眾多行業(yè)中展現(xiàn)出變革性力量，計算思維在教育領域，尤其是K-12階段教育中持續(xù)升溫。計算思維（Computational Thinking，CT）是一種思維方式，是利用計算科學的基本理念和方法，結合工程思維、數(shù)學思維等多種思維方式，進行問題求解、系統(tǒng)建構和人類行為理解的思維過程（陳鵬等，2018）。計算思維是STEM問題解決中的一項關鍵能力，培養(yǎng)學生的計算思維已逐漸成為STEM教育的重要目標（Swaid，2015；Lee et al.，2020），中國、美國、澳大利亞和芬蘭等國家已頒布相關政策并增加財政支出，將計算思維教學納入中小學STEM教育（Grover et al.，2013；Angeli et al.，2016；Wang et al.，2019）。然而當前雖然已有不少針對計算思維培養(yǎng)以及STEM教育的研究，但如何將計算思維培養(yǎng)整合到STEM教育的具體學科，仍需要更多實證研究的指導。工程是STEM教育集成的紐帶，工程設計是人們運用所學知識和方法，有目的地決策、設計、實施和評價，最終產(chǎn)出工程產(chǎn)品的過程。計算思維和工程設計具有相似性和協(xié)同效應（National Research Council，2010；2011；Shute et al.，2017）。計算思維如何嵌入STEM工程設計活動？有哪些方法可以培養(yǎng)學生在工程設計活動中的計算思維？學生STEM態(tài)度與計算思維之間的關系如何？這些問題都有待研究進行深入探討。

一、相關研究綜述

1.計算思維相關研究

計算思維源于計算機科學學科，由周以真（Wing，2006）于2006年首次提出，是指利用計算機科學的基礎概念來解決問題、設計系統(tǒng)、理解人類行為等的思維和能力。計算思維不僅對計算機科學具有很高的價值，而且也是學生必須具備的基本素養(yǎng)和能力（Wing，2006；Duncan et al.，2015）。當前有關計算思維的研究大致可分為計算思維測評和計算思維培養(yǎng)兩方面。計算思維測評研究重點關注計算思維的表征以及計算思維測評的操作化。例如：白雪梅和顧小清（2019）以中學生為樣本收集數(shù)據(jù)并進行了計算思維量表的構建，為測量我國K12階段學生的計算思維水平提供了有效的工具?？聽柨爽斊潱↘orkmaz et al.，2007）從計算思維定義的視角出發(fā)，將計算思維測評的核心技能分為創(chuàng)造力、批判性思維、算法思維、問題解決、合作學習5個維度。布倫南等（Brennan et al.，2012）提出了計算思維的三個關鍵維度——計算概念（即與計算思維相關的內容知識，包括順序、循環(huán)、事件、條件、并行性、運算、數(shù)據(jù)）、計算實踐（即增量與迭代、測試與調試、重用和混合、抽象與模塊化）和計算觀點（即興趣、動機及態(tài)度等）。

計算思維培養(yǎng)研究重視計算思維課程體系的設計、開發(fā)及相應教學模式的應用。例如：汪紅兵等人（2014）比較分析了計算思維與程序課程中抽象和自動化的區(qū)別，開發(fā)了以計算思維為導向的C語言程序設計課程。崔等（Choi et al.，2016）結合環(huán)境、生活等與日常息息相關的問題，基于設計學習模式開發(fā)了一系列培養(yǎng)小學生計算思維的課程。李幸等（2019）構建了以STEM學科內容為核心，以培養(yǎng)學生復合型計算思維能力為目標的基于設計的STEM+C教學模式?？偟膩碚f，現(xiàn)有計算思維的培養(yǎng)研究一般依托于信息技術課、編程課或科學課，利用不同的工具（例如可視化編程、基于塊的編程和教育機器人）來培養(yǎng)計算思維。然而當前有關計算思維的定義和范圍尚未達成共識，如何培養(yǎng)和評價計算思維也尚不清楚，計算思維與具體學科如何整合也有待深入探討。

2.STEM教育與計算思維能力培養(yǎng)

STEM教育是一種通過整合不同學科來解決現(xiàn)實問題的跨學科方法（Breiner et al.，2012）。這種方法通過建立科學、技術、工程、數(shù)學之間的關系，引導個體解決與日常生活相關的問題，使個體能夠對自然現(xiàn)象進行整合、分析、解釋和評價。STEM教育有助于培養(yǎng)學生問題解決能力、邏輯思維、交流能力、批判性思維和媒介素養(yǎng)等。計算思維工具可以為STEM教育提供支持，尤其是數(shù)學、科學和工程的學習。然而，當前將計算思維融入STEM課程仍具有一定的挑戰(zhàn)性，原因是缺乏勝任的教師，因為一般教師不熟悉計算思維，不具備教授計算思維的知識和技能（Aydeniz，2018）。

同時，相較于數(shù)學和科學課程，STEM教育中的工程和技術受到的關注更少。隨著國際化進程的推進，越來越多的國家認識到工程與技術教育對于提高工業(yè)實力與綜合國力的重要性（National Academy of Engineering & National Research Council，2009）。2000年，美國國際技術與工程教育者協(xié)會（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）發(fā)布《技術素養(yǎng)標準：技術學習的內容》，提倡在K-12教育體系中融入工程實踐（ITEEA，2000）；2011年，該協(xié)會又發(fā)布《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》（National Research Council，2012），強調要將工程設計和科學探究活動相結合。2014年，美國國家評估委員會（National Assessment Governing Board，NAGB）首次將技術和工程素養(yǎng)作為其學術成就調查的目標之一（National Assessment Governing Board，2014）。何善亮（2019）對美國小學生《Science Fusion》教材進行了分析，發(fā)現(xiàn)該教材每一單元都嵌入了基于工程與技術的STEM專題活動設計。可見，工程與技術教育在課程、教學和評價等實踐層面上都越來越受到重視。

3.STEM態(tài)度與計算思維

STEM能力的關鍵要素包括STEM知識、STEM技能和STEM態(tài)度三個方面（Hu et al.，2018；Benek et al.，2019）。STEM態(tài)度可以定義為一個人對STEM的思考、感受和看法（S？rakaya et al.，2020）。學者們開發(fā)了不同維度的工具和量表用以測量學生的STEM態(tài)度。如孫立輝等人從數(shù)學、科學和技術三個維度開發(fā)了STEM態(tài)度量表，發(fā)現(xiàn)女生的STEM態(tài)度相較于男生更積極（Ching et al.，2019）。Unfried等人將STEM態(tài)度定義為自我期望（Self-Efficacy）和期望價值（Expectancy-Value Beliefs）的綜合，并利用問卷調查的方法探討了學生的STEM態(tài)度（Unfried et al.，2015）。然而當前STEM工程設計課程中學生的STEM態(tài)度以及其與計算思維培養(yǎng)的關系，尚缺乏相關探討。

二、整合計算思維的STEM工程設計教學模式

本研究借鑒美國國家工程院提出的工程設計流程，將工程設計總結為界定問題、提出解決方案、構建和測試模型、優(yōu)化方案和評價5個環(huán)節(jié)。同時，借鑒克羅多納（Kolodner et al.，2003）基于設計的雙循環(huán)探究模型，建構整合計算思維的STEM工程設計教學模式，如圖1所示。

該教學模式的核心是計算思維、STEM工程設計學科內容知識以及教學法三者的整合。工程設計（E）發(fā)揮自身“系統(tǒng)流程”的優(yōu)勢，同時將科學（S）、技術（T）與數(shù)學（M）相關活動整合在一起，讓學生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中感知情境性問題，解決挑戰(zhàn)性任務。“需要知道”即學生應該掌握的具體的學科領域知識和方法，“需要做”即學生在解決問題過程中應該開展的行動和操作問題，兩者是相互依賴的關系。

計算思維的培養(yǎng)整合在STEM工程設計開展的各個活動環(huán)節(jié)。第一，界定問題。該環(huán)節(jié)引導學生運用計算思維對STEM問題進行理解感知，包括考慮情境、明確目標，識別限制條件和考慮可行性。如圖1所示，這是一個循環(huán)迭代的過程。第二，提出解決方案。該環(huán)節(jié)為學生提供自我知識建構的機會，包括習得新知、探究與分享構想、提出解決方案和解釋方案等。在工程領域，任何問題都沒有唯一的正確答案，而是要求工程師利用探究思維和創(chuàng)造意識開發(fā)可能的解決方案（Dym et al.，2005）。所以在這一環(huán)節(jié)，教師是探究學習的促進者，提供教學支架，鼓勵學生參與頭腦風暴。值得注意的是，教師在引導學生形成解決方案的過程中，要使學生的解決方案盡量以一種能被信息處理代理有效執(zhí)行的形式表示出來。學生是探究學習的主體，基于對項目情境和內容的理解，通過小組分工協(xié)作制定可行的設計方案，以此進行知識建構，進而培養(yǎng)問題解決能力。第三，構建和測試模型。該環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學生的動手實踐能力，包括設計草圖、解釋設計、預測可能的結果和轉換成模型。學生從實踐經(jīng)驗中建構知識和意義，并通過實踐活動更深入地理解核心概念。因此應鼓勵學生通過試錯，在實踐中自然而然地發(fā)現(xiàn)和解決問題。第四，優(yōu)化方案。學生通過構建和測試模型再次審視設計方案，迭代優(yōu)化方案和完善模型。學生的設計方案與設計過程是相互融合的，當原型制作過程中遇到問題時，學生需要權衡和優(yōu)化，直至模型可以解決問題。第五，評價。包括審視方案、模型和分享交流。根據(jù)評價和反饋，教師反思課堂活動的設計，關注學生的全面發(fā)展。

三、以“植物工廠”為例的STEM課程教學設計與實施

1.學習者分析

“植物工廠”是一門基于設計的、注重綜合性和實踐性的STEM課程，授課對象是武漢市某小學六年級學生，具有較強的學習能力，具備了必要的科學知識，積累了一定的生活經(jīng)驗；有小組協(xié)作學習的經(jīng)驗，能夠相互幫助，進行群體建構，可以在課程中完成工程任務。

2.教學環(huán)境分析

該課程采用科學實驗室和多媒體網(wǎng)絡教室相結合的學習環(huán)境。學生在科學實驗室進行“植物工廠”的設計和迭代完善，在多媒體網(wǎng)絡教室習得軟硬件知識，基于Mind+編程軟件進行程序編寫和設備調試。科學實驗室和多媒體網(wǎng)絡教室均采用小組式的課桌排放方式，方便學生以小組為單位進行探究。

3.教學目標分析

“植物工廠”課程通過抽象分解植物生長的影響因素，確定植物工廠的功能；編程控制光照、溫度與濕度，確保植物工廠的運行；設計植物工廠方案圖，測試與實現(xiàn)植物工廠的功能。其學科核心知識、跨學科知識與計算思維培養(yǎng)目標的對應關系如表1所示。該課程共10課時，持續(xù)5周，每周兩個課時，每課時約1小時。該課程是一個設計與制作型主題課程，以工程設計為主線展開，目的在于讓學生實現(xiàn)一個自動化運行、無人管理的植物工廠的設計與制作。

4.教學實施

在本課例中，研究根據(jù)任務不同，將學生分為框架組、溫度組、光照組、濕度組四個主題組，分別針對植物工廠進行框架設計和溫度、光照、濕度的自動化控制探究。為了給學生創(chuàng)造迭代設計的體驗，促進小組內成員間的協(xié)作，研究加入良性競爭機制，將各主題組進一步劃分為A、B兩組，如溫度A組和溫度B組。最后，按照工程設計的5個環(huán)節(jié)開展教學（見圖2）。

（1）界定問題——確定植物工廠自動化的工程情境，初步將問題抽象與模塊化

界定問題是整個活動的開端，主要是引導學生對STEM工程情境的感知，喚起STEM前概念，引導學生發(fā)現(xiàn)問題并考慮問題的可行性，激發(fā)探究興趣。在此過程中學生需要對問題進行抽象與模塊化。

抽象與模塊化主要是對植物工廠構建問題進行抽象分解，確定實現(xiàn)植物工廠自動化的要素。植物工廠的自動化設計是一個復雜的過程。教師要設定植物工廠的情境，通過設置問題支架，幫助學生運用科學知識將工廠的核心部分分解為光照系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)和框架系統(tǒng)，并將植物工廠自動化運行的條件抽象為光照、濕度和溫度三個要素。

（2）提出解決方案——習得軟硬件知識，繪制工程設計圖，將問題進行增量與迭代

在工程設計的提出解決方案階段，學生參與頭腦風暴和創(chuàng)意策劃。在該過程中，學生需綜合運用抽象與模塊化、增量與迭代等計算思維。抽象即產(chǎn)生自動化控制設計的想法，表現(xiàn)在設計實時監(jiān)測植物工廠溫度、濕度和光照的報警燈模型，產(chǎn)生工程設計圖紙，并進行兩輪迭代完善。在概念表征過程中，學生還需參與模式識別，并在自己的模型中創(chuàng)造不同的模式。與界定問題中的“抽象與模塊化”不同，該環(huán)節(jié)的抽象與模塊化更加情境化和具體化。

增量與迭代主要是將STEM情境下產(chǎn)生的問題具體化，對探究過程中產(chǎn)生的多種構思進行篩選和優(yōu)化。例如，針對固定加熱器的材料問題，溫度組展開探討。學生1：“用陶瓷?！睂W生2：“溫度過高，陶瓷會裂開。”學生3：“用鐵?！睂W生2：“鐵導熱快，鐵的溫度過高會損壞加熱器?！?/p>

（3）構建和測試模型——構建植物工廠裝置原型，并對原型進行測試和調試

對設計方案優(yōu)化后，各組分別進行植物工廠的原型實現(xiàn)。采用小組合作的形式，利用膠槍、燈帶、絕緣手套等工具搭建模型，利用傳感器和可視化編程軟件模擬實現(xiàn)功能。在該過程，學生主要會用到測試與調試、重用和混合等計算思維。在構建和測試模型時，學生需要對設計方案進行實踐及評估，通過測試與調試識別出先前導致特定目標出現(xiàn)錯誤的原因。當學生無法找出問題時，由教師協(xié)助解決。

重用和混合表現(xiàn)在學生多次使用控制傳感器的代碼，借助USB接口聯(lián)通傳感器和計算機，利用可視化編程軟件實現(xiàn)光照、溫度和濕度的檢測，解決問題。學生在此過程中會體驗順序、循環(huán)、事件、條件、并行性、運算和數(shù)據(jù)等計算思維概念，如表2所示。

（4）優(yōu)化方案——觀察檢測數(shù)據(jù)，迭代測試功能，提供試錯與反思的機會

在優(yōu)化方案時，學生參與了測試與調試、增量與迭代的計算思維實踐。當學生評估設計時，測試與調試是排除故障、優(yōu)化方案的重要方式。在植物工廠搭建后的一周內，學生需要經(jīng)常到科學教室觀察并記錄數(shù)據(jù)。增量與迭代表現(xiàn)在模型搭建完成后，學生進行數(shù)據(jù)檢測和分析，若檢測數(shù)據(jù)存在問題，則需進一步思考分析原因。該階段強調學生通過綜合運用環(huán)境中的各種資源完成自我建構。

（5）評價——分享反思模型，進一步測試和調試完成植物工廠裝置

開展成果展示分享活動，促進全班同學一起反思。教師通過點評學生作品，引導學生的思維發(fā)展。在這個過程中，學生參與了測試與調試的計算思維實踐。最終設計完成的植物工廠裝置如圖3所示。

四、教學效果測評

1.數(shù)據(jù)收集

研究采用問卷調查法和訪談法，從學生的STEM態(tài)度變化和計算思維能力發(fā)展兩個方面驗證教學的有效性。STEM態(tài)度問卷改編自馬奧尼的STEM態(tài)度量表（Mahoney，2010），包括意識、價值、能力感知和傾向4個子維度，每個維度各7道題目，共28道題目。計算思維測量問卷改編自柯爾克瑪茲等人開發(fā)的計算思維量表（Korkmaz et al.，2017），共21道題目。問卷均采用李克特五級量表形式，利用SPSS計算出STEM態(tài)度測量問卷、計算思維測量問卷的信度（克隆巴赫α系數(shù)）分別為0.930、0.914，表明問卷具有良好的信度。

2.數(shù)據(jù)分析

（1）學生的STEM態(tài)度

前后測配對樣本T檢驗結果表明，經(jīng)過STEM工程設計學習后，學生的STEM態(tài)度有所提升（M前測= 4.34，M后測=4.84，t=-6.49，p=0.000<0.05），在 STEM課程的意識、價值、能力感知和傾向上的均值均有所提升，如表3所示。其中，能力感知維度提升最為明顯，表明該課程難度適中，通過課程學習提高了學生解決工程問題的信心和決心?？梢?，STEM工程設計具有問題解決導向，可以在課堂中調動學生的參與感，從而提升學生的STEM態(tài)度。

（2）學生的計算思維

如表4所示，在經(jīng)過STEM工程設計教學后，學生的計算思維有所提升（M前測=4.50，M后測= 4.95，t=-6.25，p=0.000<0.05）?？梢?，學生在STEM工程設計課程中，參與了計算思維實踐，提升了其合作探究，發(fā)現(xiàn)、提出并解決問題，多維度、批判性地審視問題的能力。

（3）學生STEM態(tài)度對計算思維的影響

依據(jù)學生前測中STEM態(tài)度的得分，將學生分成高態(tài)度組、中態(tài)度組和低態(tài)度組，分別對高態(tài)度組、中態(tài)度組和低態(tài)度組學生的計算思維進行分析，如表5所示。

從整體來看，三組學生具有不同水平的計算思維，且STEM態(tài)度越好的學生具有更高水平的計算思維（M高態(tài)度組=4.86，M中態(tài)度組=4.72，M低態(tài)度組= 4.59）。STEM態(tài)度和計算思維的Pearson相關系數(shù)為0.650，表明二者存在一定程度的顯著正相關。原因可能是對STEM學習更自信、更感興趣的學生，更容易找到問題的解決方式，產(chǎn)生更多的想法，認知負荷更?。欢鴮τ赟TEM學習不太感興趣的學生遇到問題容易出現(xiàn)退縮的行為。此外，多重比較結果顯示，高態(tài)度組與低態(tài)度組的計算思維水平存在顯著差異，其他小組之間差異不顯著。這可能由于高態(tài)度組的學生付出的努力更多，而低態(tài)度組的學生存在“搭便車”現(xiàn)象。

表6顯示了以計算思維為因變量、STEM態(tài)度為自變量進行線性回歸分析的結果，發(fā)現(xiàn)STEM態(tài)度對計算思維產(chǎn)生顯著影響（p=0.000<0.05）。從方差解釋比例來看，STEM態(tài)度解釋了計算思維方差變化的42.2%，表明STEM態(tài)度對計算思維能力有預測作用。

五、結論與討論

1.主要研究結論

本研究探索了STEM工程設計教學中學生計算思維能力的培養(yǎng)，以及學生STEM態(tài)度與計算思維的關系。研究發(fā)現(xiàn)：

第一，STEM工程設計活動在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)中與數(shù)學、科學、技術學科進行了跨學科整合。STEM工程設計教學模式讓學生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中解決挑戰(zhàn)性任務，學生體驗了科學探究流程、技術實踐活動和數(shù)學邏輯思維訓練，通過自動化培育植物工廠設計活動，建立了各學科間的有效關聯(lián)，從而確保了STEM活動的順利完成。此次STEM工程設計課程既有設計與制作環(huán)節(jié)，又涉及到編程操作，通過情境設置和任務分工，幫助學生從中獲得了自我同一性。這與學者認為STEM課程應聚焦制作過程中科學、技術、工程和數(shù)學知識的運用的觀點是一致的（楊開城等，2020）。同時，課程促進了學生STEM學習興趣以及對未來從事數(shù)學、科學、信息技術、工程設計相關工作信心的增長。由此可知，學校STEM教育實踐的重點應是在提出概念框架的基礎上，審視和設計恰當?shù)膶W習過程、活動的順序和組合，處理好活動之間的多層關系，根據(jù)主題的性質進行設計、構建和測試的過程。

第二，STEM教育和計算思維實踐可以相互促進。本研究發(fā)現(xiàn)STEM工程設計是發(fā)展學生計算思維的重要載體，計算思維的培養(yǎng)能夠映射到工程設計活動中。首先，學生在界定問題時，初步將問題抽象與模塊化；然后，通過抽象與模塊化、增量與迭代的計算思維實踐，提出解決方案；再次，通過測試和調試、重用和混合、增量與迭代等計算思維實踐，構建和測試模型、優(yōu)化方案；最后，分享反思模型，進一步測試和調試完成植物工廠裝置?？傊?，學生在工程實踐中可以將編程和計算建模的學習與數(shù)學和科學結合起來?？梢?，將計算思維融入STEM教學，既可以加深學生對學科的理解，同時也有助于促進學生計算思維實踐和技能的發(fā)展。

第三，改善學生STEM態(tài)度有助于提升學生的計算思維。計算思維是一個包含多個組件的思維框架，而STEM融合了不同學科的跨學科方法。已有研究表明，STEM態(tài)度對計算思維有顯著影響（S？rakaya et al.，2020），本文的研究結論也支持了這一觀點。因此，教師應在計算思維融入的STEM課堂中，通過改善學生的STEM態(tài)度，進而增強計算思維。

2.討論與思考

本研究驗證了STEM教育與計算思維的關系，通過STEM工程設計教學提升了學生的計算思維能力。筆者認為：

第一，未來通過STEM教育發(fā)展計算思維將成為一種跨學科的思維實踐。目前的研究有兩種可能的路徑：一是將計算思維作為一種跨學科的思維，發(fā)展將計算思維與STEM特定學科內容學習相結合的方法。另外一種方法是將計算思維作為不同STEM學科的自然集成，將STEM內容學習從傳統(tǒng)的學科形式重新概念化，轉向基于計算的STEM內容學習。

第二，基于證據(jù)的多元評價方式有利于STEM教育中計算思維能力的培養(yǎng)。計算思維作為應用于STEM領域的綜合思維技能，對它的評價需要先明確其結構體系，理解和識別其核心要素，從而為評價提供依據(jù)。當前不少學者認為STEM教學中應具有證據(jù)意識（余勝泉等，2019），本研究在STEM教育活動設計中融入計算思維的核心評價要素，將學生作為評價的主體，注重學生的學習過程，收集學生迭代修改的作品，通過量表、開放性題目等多種方式進行相關評價，提高了評價的準確性。采用多元評價方式評估計算思維過程（Allsop，2019；Basu et al.，2020），收集學生思維發(fā)展過程中的證據(jù)，這是未來STEM教育中應該改革和發(fā)展的重點。

本研究也存在不足。雖然為了減少誤差，研究實施過程中采用組間競爭、組內協(xié)作的方式開展教學，溫度組、濕度組、光照組和框架組也分別設置了兩個組進行對比。但由于條件的限制，研究采用單組前后測實驗研究法，缺乏對照組。且僅通過課堂觀察和教學設計分析學生計算思維實踐，從問卷調查的角度對學生的計算思維和STEM態(tài)度進行分析，如何從基于證據(jù)的評價角度對學習者計算思維能力進行綜合評價有待進一步探討。

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The Teaching Mode of STEM-Integrated Engineering Design and Its Application Oriented to the Cultivation of Computational Thinking

ZHOU Pinghong， NIU Yukun， WANG Kang， ZHANG Yi， LI Xing， SHANG Chaowang

Abstract： Computational thinking （CT） is a crucial competence in problem solving-based STEM education， and cultivating studentsCT skills has gradually become an important goal of STEM education. However， how to facilitate studentsCT skills in engineering design based STEM education remains to be further explored. The CT cultivation-oriented STEM-integrated engineering design teaching mode centers on the integration of CT， STEM subject content knowledge and teaching method， gives full play to the advantages of“system process”through engineering design， and integrates science， technology and mathematics related activities together. Through the“need to know”and“need to do”cycle， students are allowed to perceive the situational problems， and eventually solve the challenging tasks. The teaching application of this mode in STEM curriculum“Plant Factory”shows that integrating the concept and practice of CT into STEM-integrated engineering design can significantly improve studentsSTEM attitude and CT competence. In addition， STEM attitude has a predictive effect on CT skills. In the future， the development of CT through STEM education will become an interdisciplinary thinking practice， and evidence-based multiple evaluation will be conducive to the cultivation of CT in STEM education.

Keywords： STEM Education； Computational Thinking； Engineering Design； Teaching Mode； STEM Attitude