基于STEM理念的高中信息技術(shù)課程設(shè)計(jì)

廉文如 寧曉芳 張明明

摘? 要 高中信息技術(shù)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，以幫助其更好地適應(yīng)未來(lái)信息社會(huì)。STEM教育注重通過(guò)跨學(xué)科教育培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中的問(wèn)題解決能力和實(shí)踐能力，有利于高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。以“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”為例，從設(shè)計(jì)思路、內(nèi)容設(shè)計(jì)和課例設(shè)計(jì)三方面對(duì)融入STEM教育理念的課程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞 STEM教育;高中信息技術(shù);學(xué)科核心素養(yǎng);課程設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）11-0081-03

1? STEM教育與信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)

我國(guó)核心素養(yǎng)的發(fā)展起步較晚。2016年9月發(fā)布的《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》明確了學(xué)生應(yīng)具備的必備品格和關(guān)鍵能力。2017年發(fā)布各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，其中《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)為信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任。

為了應(yīng)對(duì)社會(huì)對(duì)綜合型人才培養(yǎng)的要求，STEM教育理念受到廣泛關(guān)注。2010年左右，STEM教育理念傳入我國(guó)，并因其培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題和創(chuàng)新等適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的能力素養(yǎng)而逐漸受到重視。STEM教育鼓勵(lì)學(xué)生將多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合以解決真實(shí)問(wèn)題，盡可能多地獲得各學(xué)科知識(shí)并內(nèi)化為自身能力[1]。信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)通常以學(xué)生已有學(xué)習(xí)和生活經(jīng)驗(yàn)為切入點(diǎn)，在使用信息技術(shù)解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，增強(qiáng)其信息社會(huì)責(zé)任。

2? STEM教育理念下的“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”內(nèi)容分析

2.1? 從課程標(biāo)準(zhǔn)的角度分析

根據(jù)新課標(biāo)要求，“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”部分要求在之前學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，可以使用算法程序解決真實(shí)生活問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中深入體會(huì)真實(shí)問(wèn)題抽象化的過(guò)程，了解算法的特征，掌握算法編程的應(yīng)用與優(yōu)化。

2.2? 從教材內(nèi)容組織的角度分析

2.2.1? 培養(yǎng)學(xué)生算法解決問(wèn)題的思維? “算法與程序?qū)崿F(xiàn)”以問(wèn)題為主線(xiàn)，要求學(xué)生可以使用編程解決;理解窮舉法和排序法等基本算法思想;能夠掌握解析法、遞歸的算法思想，能夠用數(shù)學(xué)模型幫助問(wèn)題的解決。

2.2.2? 培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)? 在STEM視角下的“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”教學(xué)中，學(xué)生從真實(shí)的問(wèn)題情境出發(fā)，通過(guò)搜集資料、分析問(wèn)題、討論解決方案以及方案的實(shí)施等整個(gè)過(guò)程中，積極參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，充分思考并在問(wèn)題解決中發(fā)揮自身能力。學(xué)生在思考交流、動(dòng)手實(shí)踐中習(xí)得各種知識(shí)、技能，學(xué)會(huì)多學(xué)科知識(shí)內(nèi)容的遷移應(yīng)用。

3? STEM教育理念下的“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1? 設(shè)計(jì)思路

3.1.1? 設(shè)計(jì)課程內(nèi)容? 信息技術(shù)課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中能夠有效處理數(shù)據(jù)信息、熟練使用信息技術(shù)軟件，培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。在信息技術(shù)課程中，程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容難度較大且抽象。從學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平來(lái)看，信息技術(shù)課程內(nèi)容應(yīng)結(jié)合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)和生活情境[2]，讓學(xué)生體會(huì)使用編程解決問(wèn)題的簡(jiǎn)便快捷。通過(guò)程序設(shè)計(jì)的過(guò)程，提升學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)，體會(huì)計(jì)算機(jī)、人與社會(huì)的關(guān)系。

3.1.2? 設(shè)計(jì)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)? 信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容多與當(dāng)前社會(huì)所需技術(shù)相關(guān)，如之前學(xué)習(xí)的Word、Flash等技術(shù)軟件，目前熱議的掌控板、3D打印等內(nèi)容。在信息技術(shù)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)方面，以學(xué)生思維培養(yǎng)為目標(biāo)，以技術(shù)工具的教學(xué)為依托，進(jìn)行課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”中，可以以編程軟件的使用為基礎(chǔ)，以問(wèn)題解決的實(shí)踐探究為中心環(huán)節(jié)，以學(xué)科核心素養(yǎng)為根本目標(biāo)，進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計(jì)。

3.2? 內(nèi)容設(shè)計(jì)

在“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”中共六節(jié)內(nèi)容，前兩節(jié)為算法方法的講授，中間三節(jié)為基本算法程序的講解，還有一個(gè)綜合活動(dòng)的內(nèi)容。各小節(jié)內(nèi)容首先通過(guò)真實(shí)問(wèn)題的內(nèi)容分析、設(shè)計(jì)算法、編寫(xiě)程序和調(diào)試程序得到問(wèn)題解決，提出本節(jié)所學(xué)內(nèi)容的概念和基本思路等，最后通過(guò)實(shí)踐練習(xí)鞏固知識(shí)。

3.2.1? 問(wèn)題設(shè)計(jì)? 在真實(shí)情境下學(xué)習(xí)到的知識(shí)，可以靈活遷移到其他問(wèn)題的解決。STEM課程中的問(wèn)題情境來(lái)源于真實(shí)場(chǎng)景，學(xué)生需要運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、跨學(xué)科思考以解決實(shí)際問(wèn)題。在STEM課程中，學(xué)生是課堂的主體，通過(guò)小組協(xié)作討論等活動(dòng)，綜合考慮問(wèn)題的方方面面，解決真實(shí)情境下的問(wèn)題[3]。在此過(guò)程中，學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)小組協(xié)作真實(shí)解決問(wèn)題，培養(yǎng)跨學(xué)科思考、協(xié)作學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決的能力。

3.2.2? 內(nèi)容設(shè)計(jì)? 基于STEM理念進(jìn)行“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”的教學(xué)設(shè)計(jì)，以真實(shí)問(wèn)題導(dǎo)入，學(xué)生通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)、小組合作探究解決問(wèn)題。將每小節(jié)問(wèn)題引入和學(xué)生的知識(shí)背景或生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系，開(kāi)展教學(xué)和合作探究，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

3.3? 5E教學(xué)模型

5E教學(xué)模型是STEM教育在與其他學(xué)科整合過(guò)程中形成的，包括參與（Engagement）、探索（Exploration）、解釋?zhuān)‥xplanation）、闡釋或延伸（Elaboration or Exten-sion）、評(píng)估（Evaluation）。5E教學(xué)模式的特點(diǎn)是以學(xué)生為中心，基于問(wèn)題和合作開(kāi)展探究活動(dòng)。

3.3.1? 參與階段? 在這一階段，主要是教師根據(jù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)背景和生活條件的掌握，選取與學(xué)生密切相關(guān)的問(wèn)題引入課堂。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情境中理解問(wèn)題并進(jìn)行初步思考。

3.3.2? 探索階段? 在這一階段，學(xué)生根據(jù)教師所給提示信息進(jìn)行問(wèn)題和解決方法的搜集和整理，并通過(guò)小組合作探究問(wèn)題的解決方案。

3.3.3? 解釋階段? 在這一階段，學(xué)生進(jìn)一步交流分享自己的觀(guān)點(diǎn)，解釋自己的想法，深入探討具有可行性的問(wèn)題解決方案。

3.3.4? 闡釋或延伸階段? 在這一階段，學(xué)生從方案實(shí)施的角度探討問(wèn)題的解決方案，修改或利用實(shí)驗(yàn)開(kāi)展進(jìn)一步的探究活動(dòng)。

3.3.5? 評(píng)估階段? 評(píng)估貫穿于5E模式，在這一階段以學(xué)生互評(píng)、回答問(wèn)題等形式，評(píng)定學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。

4? “算法與程序?qū)崿F(xiàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1? 教材分析

本節(jié)課選自粵教版選修1“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”第4章，設(shè)計(jì)算法并編寫(xiě)程序以解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本節(jié)課前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了程序設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基本語(yǔ)言，了解可視化編程的概念和方法以及程序調(diào)試的方法。本章節(jié)內(nèi)容通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)問(wèn)題學(xué)習(xí)用解析法和窮舉法設(shè)計(jì)程序和查找、排序與遞歸三種算法。

4.2? 教學(xué)對(duì)象分析

學(xué)生通過(guò)前面幾節(jié)課已經(jīng)學(xué)習(xí)了程序開(kāi)發(fā)的基本流程和程序語(yǔ)言，并且會(huì)用簡(jiǎn)單的流程圖編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)代碼。本節(jié)課主要讓學(xué)生通過(guò)分析數(shù)學(xué)問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的算法、根據(jù)算法編寫(xiě)程序、調(diào)試程序以解決問(wèn)題，熟悉使用編程解決問(wèn)題的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。高中階段學(xué)生能夠理性控制自己的思想和行為，抽象邏輯思維和創(chuàng)造性逐步發(fā)展。使用的教學(xué)案例多為高一年級(jí)學(xué)生熟悉的初中數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)[4]。

4.3? 教學(xué)目標(biāo)分析

根據(jù)對(duì)新課標(biāo)的分析，以及上述“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)的前期分析，歸納總結(jié)出本章教學(xué)目標(biāo)。

4.3.1? 信息意識(shí)? 能夠理解解析法和窮舉法的概念與解決問(wèn)題的思路;能夠分析、描述實(shí)際問(wèn)題，使用流程圖描述算法并完成程序編寫(xiě)。

4.3.2? 計(jì)算思維? 通過(guò)問(wèn)題解決，掌握解析法和窮舉法分析與設(shè)計(jì)程序的一般方法和過(guò)程;能夠編寫(xiě)程序并調(diào)試;了解查找算法、排序算法和遞歸算法的內(nèi)涵與程序，可以熟練使用。

4.3.3? 數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新? 比較不同場(chǎng)合使用不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)（如順序查找算法與對(duì)半查找算法的不同），體會(huì)算法效率的差別[5]，根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)解。

4.3.4? 信息社會(huì)責(zé)任? 了解查找算法、排序算法和遞歸算法的應(yīng)用場(chǎng)景，并在生活和學(xué)習(xí)中實(shí)踐算法思想。

4.4? 課例設(shè)計(jì)

根據(jù)上述STEM理念下“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”設(shè)計(jì)思路、內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)模型，采用第一節(jié)“怎樣計(jì)算樹(shù)的高度”進(jìn)行課例說(shuō)明，具體如表2所示。用解析法設(shè)計(jì)程序包括代數(shù)模型和遞推模型兩種類(lèi)型，分為兩課時(shí)，在之前學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)使用解析法設(shè)計(jì)程序。

4.4.1? 第1課時(shí)

1）內(nèi)容介紹。教師給出問(wèn)題情境，帶領(lǐng)學(xué)生分析任務(wù)情境，明確學(xué)習(xí)任務(wù)。通過(guò)分析，學(xué)生需要了解解析法的概念以及用解析法設(shè)計(jì)程序的基本思路，并能夠使用解析法設(shè)計(jì)程序解決簡(jiǎn)單問(wèn)題。

2）教學(xué)目標(biāo)：理解解析法的概念;了解用解析法設(shè)計(jì)程序的基本思路。

3）教學(xué)過(guò)程。

①創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境。小明家最近想搭建一個(gè)停車(chē)場(chǎng)，需要將院子里的樹(shù)砍掉。為了不讓倒下的樹(shù)砸到院子里的花花草草，需要測(cè)量樹(shù)的高度。在測(cè)量樹(shù)的高度時(shí)，為了安全，可以采用的測(cè)量方法為：在地面上選取一條與樹(shù)木在同一平面的水平線(xiàn)段AB為基線(xiàn)（如圖1所示），測(cè)量A點(diǎn)向樹(shù)最高點(diǎn)張望的仰角和B點(diǎn)向樹(shù)最高點(diǎn)張望的仰角，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算可以得出樹(shù)的高度。測(cè)得AB的長(zhǎng)為20米，在A(yíng)點(diǎn)向M點(diǎn)張望的仰角α=38.4°，在B點(diǎn)向M點(diǎn)張望的仰角β=22.8°。

②教師提問(wèn)：根據(jù)學(xué)過(guò)的知識(shí)，怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？而且角度不是特殊角，運(yùn)用計(jì)算機(jī)又該怎么具體解決這個(gè)問(wèn)題呢？因?yàn)閱?wèn)題比較簡(jiǎn)單，可以請(qǐng)學(xué)生自己分析問(wèn)題。

【分析過(guò)程】樹(shù)MN是垂直于地面的，所以△ANM和△BNM都是直角三角形。在△ANM中，AN=MN/tanα;在△BNM中，BN=MN/tanβ。又因?yàn)锳B已知，AB=BN-AN，帶入數(shù)值就可以求出MN的高度。

③教師帶領(lǐng)學(xué)生編寫(xiě)程序解決問(wèn)題，提出本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容解析法設(shè)計(jì)程序的概念和基本思路。

④教師提出問(wèn)題：“小明家打算用鐵絲圈一塊地用來(lái)種菜，現(xiàn)在家里只有一根長(zhǎng)l的鐵絲，如果要將面積為S的地圈起來(lái)，請(qǐng)同學(xué)們幫忙計(jì)算出滿(mǎn)足這種條件的地的長(zhǎng)l和寬w，如圖2所示。請(qǐng)同學(xué)們運(yùn)用解析法分析問(wèn)題并完成程序設(shè)計(jì)?！?/p>

4.4.2? 第2課時(shí)

1）內(nèi)容介紹。教師給出任務(wù)情境，指出與上節(jié)課不同之處，在學(xué)生無(wú)法推導(dǎo)出代數(shù)解析式的時(shí)候，了解遞推模型的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)迭代算法并進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和編寫(xiě)。

2）教學(xué)目標(biāo)：了解遞推模型問(wèn)題的程序設(shè)計(jì)（迭代算法）;熟練使用解析法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和編寫(xiě)。

3）教學(xué)過(guò)程。

①教師創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境。將兩只大兔子（一雄一雌）放到一個(gè)封閉的空間繁衍生息，假設(shè)大兔子每個(gè)月就可以生出一對(duì)小兔子，小兔子一個(gè)月長(zhǎng)大成大兔子，并且這些兔子都不會(huì)死。提出問(wèn)題：一年后總共有多少對(duì)兔子？小組合作學(xué)習(xí)：分析問(wèn)題，描述算法并進(jìn)行程序設(shè)計(jì)編寫(xiě)與調(diào)試。

②教師講解遞推算法的特點(diǎn)與算法實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)講述算法設(shè)計(jì)并對(duì)學(xué)生任務(wù)探究過(guò)程中的疑問(wèn)進(jìn)行解答。

③教師再次提出問(wèn)題：“小球從10米高處自由下落，再次彈起的高度是下落高度的70%。當(dāng)小球彈起的高度不足原高度的千分之一時(shí)，小球就會(huì)停止跳動(dòng)。計(jì)算小球在整個(gè)彈跳過(guò)程中所經(jīng)歷的總路程（忽略彈起高度不足原高度千分之一的部分）?！睂W(xué)生結(jié)合之前的探究經(jīng)驗(yàn)分析并解決問(wèn)題。

5? 總結(jié)

伴隨著社會(huì)對(duì)綜合型人才的迫切需求，STEM教育的發(fā)展如火如荼。STEM教育要求教學(xué)做到以學(xué)生為中心，教師只是教學(xué)活動(dòng)的引導(dǎo)者和促進(jìn)者，在真實(shí)的問(wèn)題情境下引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以學(xué)生的問(wèn)題探究活動(dòng)為中心進(jìn)行跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)[2]。高中信息技術(shù)課程作為技術(shù)類(lèi)綜合課程，具有操作性強(qiáng)和知識(shí)覆蓋面廣等特點(diǎn)。在STEM教育視角下，高中信息技術(shù)課程設(shè)計(jì)可以打破原有按照知識(shí)主線(xiàn)進(jìn)行教學(xué)的形式，教學(xué)內(nèi)容的組織具有較強(qiáng)的綜合性，可以綜合考慮生活中的實(shí)際問(wèn)題并選取可行的措施。

參考文獻(xiàn)

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