基于STEM的中小學(xué)信息技術(shù)編程課教學(xué)設(shè)計與研究

李靜 王嘉慶

摘? 要 基于STEM的中小學(xué)編程教學(xué)以學(xué)生為主體，以解決現(xiàn)實問題為主線，以培養(yǎng)和提升學(xué)生的編程技術(shù)與素養(yǎng)為基本目標，讓每個學(xué)生親自體驗思考和解決問題的過程，通過合作探究、實踐操作、展示交流等多種教學(xué)活動，促進知識的建構(gòu)與內(nèi)化，提升思維能力和解決現(xiàn)實中復(fù)雜問題的能力。

關(guān)鍵詞 STEM;信息技術(shù);編程課程;Scratch;信息素養(yǎng);計算科學(xué)素養(yǎng);思維導(dǎo)圖

中圖分類號：G623.58 G633.67? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）09-0116-03

0? 前言

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展對社會的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用，新一代信息技術(shù)作為國務(wù)院確定的七個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，正在引發(fā)新一輪的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的生產(chǎn)方式、商業(yè)模式和經(jīng)濟增長點。信息技術(shù)課對學(xué)生掌握現(xiàn)代信息技術(shù)知識，強化多學(xué)科知識融會貫通能力，提升自身綜合素質(zhì)，起到至關(guān)重要的作用。隨著社會對人才需求的不斷細化，以培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才為目的的STEM教育正逐步在全球普及推廣，一些發(fā)達國家陸續(xù)制定本國的STEM教育發(fā)展規(guī)劃，如美國最先將編程課程納入STEM教育體系，并給予財政專項資金支持。因此，我國中小學(xué)信息技術(shù)課要適應(yīng)STEM教育要求，積極開展編程課程，為未來培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才打下堅實基礎(chǔ)。

1? STEM教育的概念與特性

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，簡言之，STEM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教育，依靠多學(xué)科的協(xié)同，培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實問題的能力。STEM教育作為一種教學(xué)策略，具有跨學(xué)科性、趣味性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性等核心特征[1]，總體目標是通過符合STEM特性的教學(xué)活動，提升學(xué)生的思維能力和解決現(xiàn)實中復(fù)雜問題的能力。

2? 中小學(xué)信息技術(shù)課現(xiàn)狀與改革對策

目前，我國中小學(xué)信息技術(shù)課大多仍沿用傳統(tǒng)教學(xué)方式，忽略了對學(xué)生基本信息素養(yǎng)的培養(yǎng)。主要體現(xiàn)在：信息技術(shù)課的教學(xué)內(nèi)容過于簡單機械，不能適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀;課堂任務(wù)缺乏對現(xiàn)實問題的分析和解決，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;衡量教學(xué)效果的標準單一，限制了學(xué)生思維及能力的發(fā)展[2]。

2017年6月，中國教育科學(xué)研究院發(fā)布《中國STEM教育白皮書》，提出：STEM教育是面向所有學(xué)生的培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體[3]。2019年3月，教育部印發(fā)的《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點》中指出：推動在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能（AI）相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，推動大數(shù)據(jù)（Big Data）、虛擬現(xiàn)實（VR）等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用[4]。因此，中小學(xué)信息技術(shù)課應(yīng)積極適應(yīng)國家教育政策和STEM教育要求，針對小學(xué)高年級和中學(xué)階段的學(xué)生開設(shè)編程課，引導(dǎo)學(xué)生用編程思想來分析和解決問題，有針對性地培養(yǎng)學(xué)生前瞻性、全局性、系統(tǒng)性、靈活性的思維和解決實際問題的能力。

3? 編程課教學(xué)設(shè)計與實施

3.1? 編程教學(xué)的思路和目標

STEM教育的最終目標是解決現(xiàn)實問題?；赟TEM的中小學(xué)編程教學(xué)活動應(yīng)以學(xué)生為主體，以解決現(xiàn)實問題為主線，以培養(yǎng)和提升學(xué)生的編程技術(shù)與素養(yǎng)為基本目標，讓每個學(xué)生親自體驗思考和解決問題的過程，并通過一系列的教學(xué)活動，最終提升學(xué)生綜合思維能力和解決現(xiàn)實問題的能力。

3.2? 編程工具（語言）選擇

鑒于中小學(xué)生的特點，一些主流編程語言，諸如C++、JAVA、Python具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邏輯思維抽象等特點，不適合中小學(xué)生學(xué)習(xí)。麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實驗室開發(fā)的Scratch編程工具，可以讓學(xué)生在圖形化、模塊化的環(huán)境下，較輕松地理解程序設(shè)計的基本原理與思想，并在生動、活潑的情境中加以理解和掌握。目前，世界上一些發(fā)達國家已經(jīng)將Scratch納入編程入門課程系統(tǒng)。本文以Scratch編程教學(xué)作為研究對象，對Scratch編程教學(xué)進行剖析和設(shè)計。

3.3? Scratch課堂任務(wù)的開發(fā)和實施

編程課的教學(xué)應(yīng)以任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)為主線，因此，課堂編程任務(wù)的設(shè)計和實施是整個教學(xué)設(shè)計的核心。教師在課前應(yīng)做足準備工作，廣泛收集資料和案例，挖掘現(xiàn)實中可以通過編程來解決的問題，然后根據(jù)問題的特征和應(yīng)用場合，構(gòu)想適合學(xué)生特點的應(yīng)用場景。教師在對編程任務(wù)的開發(fā)和選取上，要體現(xiàn)出任務(wù)的可行性和有效性，既不能超過學(xué)生的整體認知水平，又要保證學(xué)生通過編程實踐提升多種能力。概括來講，Scratch編程課堂任務(wù)應(yīng)體現(xiàn)出STEM的跨學(xué)科性、趣味性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性等特性。Scratch課堂編程任務(wù)的開發(fā)和實施如圖1所示。

3.3.1? 跨學(xué)科性? Scratch課堂編程任務(wù)的選取應(yīng)源于生活實踐，任務(wù)可以是用程序來解決現(xiàn)實問題，也可以是用程序來做動畫、游戲，進行互動式的藝術(shù)創(chuàng)作。這些任務(wù)具有跨學(xué)科、跨專業(yè)、綜合性強等特點，幫助學(xué)生在完成任務(wù)的過程中不斷擴充知識面，訓(xùn)練創(chuàng)新能力和邏輯思維能力。

3.3.2? 趣味性? 編程教學(xué)內(nèi)容和形式的游戲化設(shè)計，可以增強編程教學(xué)的趣味性。游戲化學(xué)習(xí)起源于杜威的“做中學(xué)”思想，通過游戲和生活中的具體操作來獲取知識和生活經(jīng)驗。同時，游戲也契合中小學(xué)生的心理發(fā)展特征和認知特點，有利于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，取得困難問題、非結(jié)構(gòu)化問題的突破 [4]。

3.3.3? 情境性? 教師通過創(chuàng)設(shè)情境來提出Scratch編程任務(wù)，這樣能夠幫助學(xué)生快速與當(dāng)下的應(yīng)用需求進行對接，通過聚焦特定情境，使教學(xué)內(nèi)容由抽象轉(zhuǎn)為具體，通過具體情境下Scratch的設(shè)計與實現(xiàn)，使學(xué)生對編程知識與技能的掌握更有方向感，并較好地完成知識的遷移。

3.3.4? 協(xié)作性? 編程課的課堂任務(wù)具有跨學(xué)科性，對學(xué)生綜合能力要求較高，教師應(yīng)組織學(xué)生通過分組探討、技術(shù)交流、分工合作、小組互評等方式，共同完成程序的設(shè)計與實現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的分工意識與團隊協(xié)作能力。

3.3.5? 設(shè)計性? 程序作品的設(shè)計是學(xué)生對所學(xué)編程知識進行建構(gòu)的過程，主要步驟包括分析任務(wù)、設(shè)計算法、編寫程序、測試修改。學(xué)生通過作品設(shè)計的整個過程，可以有效促進知識的融合與遷移。

3.4? Scratch課堂教學(xué)流程設(shè)計

課堂開始，教師將問題通過情境再現(xiàn)的方式引入課堂并拋出編程任務(wù)，接下來可通過繪制思維導(dǎo)圖、分組探討等方式，幫助學(xué)生分析和理解編程任務(wù)。教師在設(shè)計Scratch教學(xué)內(nèi)容和課堂活動方面，結(jié)合中小學(xué)階段學(xué)生的身心發(fā)展特點，將教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式游戲化，以增強教學(xué)的趣味性和體驗性。整個教學(xué)過程和課堂活動的開展，教師應(yīng)有針對性地培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力，加強學(xué)生間的分工、合作與交流，引導(dǎo)學(xué)生對Scratch作品的分享與互評。本文設(shè)計的Scratch課堂教學(xué)流程分為三個階段：程序功能需求分析、算法設(shè)計與程序?qū)崿F(xiàn)、計算科學(xué)素養(yǎng)提升。Scratch教學(xué)流程如圖2所示。

3.4.1? 程序功能需求分析階段? 課堂開始，教師一方面要通過創(chuàng)設(shè)有趣的情境來吸引學(xué)生的注意力，另一方面要通過情境來引出課程主題和任務(wù)。引出課程主題和任務(wù)后，教師要展示思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生通過自主思考、分組探討等形式來明確課堂任務(wù)中的程序功能需求。在該階段，教師可以根據(jù)學(xué)生對任務(wù)的理解深度，有針對性地對任務(wù)進行分解和細化，組織學(xué)生匯報任務(wù)探究成果，分享任務(wù)解決思路，幫助學(xué)生梳理任務(wù)和問題，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、定義問題、分析問題的能力。

3.4.2? 算法設(shè)計與程序?qū)崿F(xiàn)階段? 這個階段的基本教學(xué)目標是培養(yǎng)和提升學(xué)生的編程技術(shù)與素養(yǎng)。教師將課堂的主動權(quán)交給學(xué)生，教師的主要職責(zé)是為學(xué)生提供編程技術(shù)的引導(dǎo)和支持，幫助學(xué)生了解程序設(shè)計、編譯和運行的基本原理。在上一步分析思維導(dǎo)圖中，學(xué)生已經(jīng)初步構(gòu)想出程序的雛形，在接下來的過程中需要按照思維導(dǎo)圖整理設(shè)計思路，畫出算法流程圖，然后根據(jù)流程圖，在Scratch中進行拖拽搭建程序，并完成對程序的功能調(diào)試和性能測試。Scratch程序作品完成后，教師組織學(xué)生以小組討論的方式，分享搭建腳本、編程過程中遇到的各種技術(shù)問題，并在小組內(nèi)評選出優(yōu)秀作品。討論結(jié)束后，教師負責(zé)營造適合交流和分享的課堂氛圍，每個小組推薦兩到三個作品在課堂展示。

3.4.3? 計算科學(xué)素養(yǎng)提升階段? 該階段目標是通過多元評價體系和知識的遷移活動，提升學(xué)生的計算科學(xué)素養(yǎng)。根據(jù)STEM教育理論，評價標準不再以單獨的任務(wù)完成度來評價學(xué)生的能力水平，而是通過不同視角，采用多種形成性評價方式判斷學(xué)生的知識和能力水平，重視學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力，打破學(xué)科之間的界限，實現(xiàn)教育的根本目標 [5]。首先，教師組織學(xué)生對展出作品進行討論和評價，讓每個學(xué)生在這個活動中取長補短。其次，要求每個學(xué)生填寫作品自評表，該表主要包括學(xué)生對自己軟件作品的功能、性能、可靠性、技術(shù)運用、改進思路等方面的評價和總結(jié)。最后，教師根據(jù)編程任務(wù)的特點，依據(jù)學(xué)生操作過程、解答問題口頭表達、故障與問題分析、實驗資源管理等方面對學(xué)生進行多元評價。教師在完成評價總結(jié)后，結(jié)合本堂課的任務(wù)特點和重難點，布置課下作業(yè)，促進學(xué)生對知識的遷移和升華。

通過Scratch課堂教學(xué)中的這幾個階段，學(xué)生對軟件作品的設(shè)計流程、關(guān)鍵技術(shù)、評測手段進行全面認識和總結(jié)，訓(xùn)練提出問題、定義問題、分析問題的能力，培養(yǎng)程序設(shè)計過程中的邏輯與算法思維，鍛煉評估和交流信息的能力，增強運用編程技術(shù)解決實踐問題的能力，不斷提升計算科學(xué)素養(yǎng)。

4? 結(jié)語

本文結(jié)合STEM教育理念，對中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科的編程課進行研究，提出基于STEM教育特性的中小學(xué)編程課的教學(xué)設(shè)計思路和方法。文中闡述的教學(xué)思路和方法，以編程任務(wù)的開發(fā)和實施為主線，引導(dǎo)學(xué)生用程序設(shè)計來解決現(xiàn)實中的問題，將跨學(xué)科問題的解決與編程實踐緊密結(jié)合起來，鼓勵學(xué)生自主完成知識框架的建構(gòu)，提升解決實際問題的能力。本文是一次中小學(xué)編程教學(xué)的實踐性探索，希望借此引起廣大教育工作者對中小學(xué)信息技術(shù)課教學(xué)和改革的關(guān)注與深入研究?！?/p>

參考文獻

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.

[2]楊浩杰.以STEM教育理念為載體構(gòu)建高中信息技術(shù)課堂教學(xué)新模式[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（15）：88-90.

[3]教育部辦公廳關(guān)于印發(fā)《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點》的通知[A/OL].（2019-03-01）[2020-07-31].

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[4]朱萌.STEM理念下Scratch游戲與數(shù)學(xué)融合的學(xué)習(xí)模式研究[D].浙江：溫州大學(xué)，2019：15-16.

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