STEM+C視域下的跨學(xué)科編程教學(xué)設(shè)計(jì)

張余萍 江南大學(xué)人文學(xué)院

2018年，美國國家科學(xué)基金會(huì)提出STEM+C計(jì)劃，即以計(jì)算思維(Computational Thinking)驅(qū)動(dòng)科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)這些STEM學(xué)科的教學(xué)。STEM+C的核心理念是：以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向來組織教學(xué)，以計(jì)算思維來驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目探究與學(xué)科教學(xué)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科深度學(xué)習(xí)?！读x務(wù)教育課程方案（2022年版）》強(qiáng)調(diào)：要設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，打破學(xué)科壁壘，設(shè)計(jì)主題鮮明、問題真實(shí)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)。STEM+C的理念與其不謀而合，而圍繞編程與計(jì)算思維的跨學(xué)科教學(xué)正是這一理念下的最佳實(shí)踐方式。部分教師平時(shí)在進(jìn)行編程教學(xué)時(shí)，常常就知識(shí)而教知識(shí)，不能將編程與學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系去解決真實(shí)問題，而STEM+C的跨學(xué)科理念為編程教學(xué)提供了教學(xué)設(shè)計(jì)的新思路。下面，筆者以Python編程與八年級(jí)生物《自然選擇》一課融合為例，介紹STEM+C視域下的跨學(xué)科編程教學(xué)設(shè)計(jì)的思路與方法。

● 選擇探究項(xiàng)目

探究項(xiàng)目首先要適合編程與學(xué)科融合，也就是在學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)時(shí)，編程要能夠驅(qū)動(dòng)探究過程。具體而言，合適的探究性項(xiàng)目應(yīng)具有以下特征：①探究項(xiàng)目需要提供真實(shí)的問題情境與基本的解決途徑，并符合該年齡段學(xué)習(xí)者的認(rèn)知背景；②在探究該項(xiàng)目的過程中，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算方法和模型的運(yùn)用是必要的，要求學(xué)生在多個(gè)層次上進(jìn)行抽象思維，并激發(fā)其對(duì)科學(xué)探索產(chǎn)生興趣。

綜合以上幾點(diǎn)，本文選擇八年級(jí)生物《自然選擇》這一部分內(nèi)容作為探究項(xiàng)目載體來展開設(shè)計(jì)。該探究項(xiàng)目所涉及的遺傳與變異原理作為該學(xué)科啟蒙階段的知識(shí)難點(diǎn)，可探究性強(qiáng)。其不僅可以作為真實(shí)情境通過Python程序解決實(shí)際問題，還可以引入計(jì)算機(jī)模擬仿真工具PhET來輔助問題求解，共同構(gòu)成跨學(xué)科Python編程課。在該項(xiàng)目中，學(xué)生將運(yùn)用Python編程中的循環(huán)、選擇結(jié)構(gòu)、函數(shù)等知識(shí)點(diǎn)，解決生物學(xué)中的自然選擇問題。一方面使學(xué)生應(yīng)用Python編程知識(shí)進(jìn)行問題解決，另一方面使學(xué)生能夠從不同的角度來審視生物學(xué)的問題，真正體現(xiàn)了STEM+C的跨學(xué)科屬性。在整個(gè)教學(xué)過程中，STEM+C既為編程語言學(xué)習(xí)的開放性與復(fù)雜性提供了結(jié)構(gòu)化的窗口，同時(shí)也使學(xué)科課堂成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的沃土。

● 創(chuàng)建探究情境

跨學(xué)科項(xiàng)目探究需要為學(xué)生設(shè)置具體的、生動(dòng)的探究情境，促使學(xué)生在形象、直觀的氛圍中參與解決問題的過程。本例由兩個(gè)課時(shí)構(gòu)成，都圍繞“兔子種群的性狀變化”這一情境展開。第一課時(shí)借助計(jì)算機(jī)模擬，引出種群過度繁殖產(chǎn)生性狀突變型的真實(shí)問題；第二課時(shí)通過合作編程進(jìn)行問題解決，綜合分析并預(yù)測兔子種群變化趨勢。

讓學(xué)科知識(shí)作為進(jìn)行編程學(xué)習(xí)的載體，駐進(jìn)信息技術(shù)課堂往往需要結(jié)合多方面因素，如教學(xué)對(duì)象的特征、內(nèi)容的特點(diǎn)、實(shí)施的條件以及技術(shù)特點(diǎn)，其中技術(shù)特點(diǎn)與教學(xué)內(nèi)容的相融程度直接決定了教學(xué)的效果。在本例中，筆者選用PhET仿真模擬實(shí)驗(yàn)室中的自然選擇模型，以兔子的繁殖演化為例創(chuàng)設(shè)探究情境（如圖1）。通過設(shè)置毛皮基因（白毛和棕毛）并為兔子添加配偶，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算并演示出數(shù)代之后兔子種群的性狀構(gòu)成。在這一過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)白色兔子種群經(jīng)過幾代繁殖后會(huì)出現(xiàn)棕色的表現(xiàn)型。這時(shí)，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生困惑：棕毛兔子如何而來？這時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“性狀與基因”的關(guān)系作出猜想，并給出解答：生物的性狀由基因控制，產(chǎn)生棕色兔子是因?yàn)榉毖艿倪^程中發(fā)生了基因重組，隱性性狀表現(xiàn)了出來。例如，白毛兔子1（Aa）和白毛兔子2（Aa）交配生下棕毛兔子3（aa）。

圖1 自然選擇教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在PhET仿真模擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以進(jìn)一步設(shè)置三對(duì)基因——白毛—棕毛、長牙—短牙、豎耳—垂耳，同時(shí)還能設(shè)置食物是否充沛、是否有狼（天敵）等外部變量。學(xué)生可以對(duì)不同情境下兔子種群繁衍情況提出自己的假設(shè)和猜測，然后利用模擬實(shí)驗(yàn)室來驗(yàn)證假設(shè)。在多次嘗試后，學(xué)生會(huì)有以下三點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：①棕毛的兔子因?yàn)槊鼮榻咏菰懵兜耐寥?，不易被捕食者發(fā)現(xiàn)，生存率更高；②當(dāng)環(huán)境變得惡劣時(shí)，食物可食性降低，長牙兔子更有生存優(yōu)勢；③豎耳兔相較于垂耳兔對(duì)捕食者（狼）的反應(yīng)更靈敏，生存率更高。這時(shí)，教師拋出下一個(gè)探究問題：一個(gè)種群中表現(xiàn)型對(duì)生存率的影響如何計(jì)算？是否可以通過編程的方法來進(jìn)行模擬？

● 編程解決問題

首先由教師告知學(xué)生，用ABC來分別代表毛色、牙齒、耳朵三個(gè)性狀，大寫為顯性基因，小寫為隱性基因。以毛色為例，顯性基因（白毛）為A，隱性基因（棕毛）為a。學(xué)生分成小組展開編程活動(dòng)，每組隨機(jī)從毛色、牙齒、耳形三對(duì)性狀的基因型中選擇一種，并組合成一只兔子的完整基因型，如一只白毛短牙垂耳的兔子完整基因型為Aabbcc，一只棕毛長牙豎耳的兔子完整基因型為aaBbCC。

教師任意選取兩組進(jìn)行互動(dòng)PK，假定任意兩個(gè)個(gè)體都能交配，哪一組的兔子生存率更高？哪些性狀能被種群所保留？學(xué)生可以根據(jù)教師給出的兔子生存環(huán)境特征進(jìn)行猜測，然后使用Python編程模擬子代種群繁衍過程，通過輸入基因型計(jì)算生存率。教師先帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)只考慮一對(duì)性狀的模擬程序，然后再由學(xué)生進(jìn)一步編寫三種性狀都考慮的程序。下頁圖2是只考慮毛色性狀的樣例代碼。根據(jù)“適者生存”的基本情況，假設(shè)白毛兔子的存活率為65%，棕毛兔子的存活率為95%。再通過班級(jí)隨機(jī)抽簽結(jié)果，記種群中顯性純合個(gè)體數(shù)、雜合個(gè)體數(shù)、隱性純合個(gè)體數(shù)分別為k、m、n。

圖2 編程活動(dòng)參考代碼

為了提升協(xié)作思維，本課程在最后設(shè)置了小組綜合性探究任務(wù)：全班學(xué)生自由組成2～3人一組，每個(gè)小組在計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁模型上自主設(shè)計(jì)初始參數(shù)，包括兔種群的三種性狀的顯隱關(guān)系，以及食物、狼、氣溫等環(huán)境因素。學(xué)生借助模型觀察該種群進(jìn)化過程，并整合分析其統(tǒng)計(jì)出的種群不同階段特征值，進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測與記錄，分析進(jìn)化過程與進(jìn)化結(jié)果。最后小組成員共同撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交。這一部分雖然沒有涉及具體代碼的書寫，但可以幫助學(xué)生基于數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象思考與總結(jié)。至此，整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)已真正做到了計(jì)算思維可視化、學(xué)習(xí)情境數(shù)據(jù)化，學(xué)生編程知識(shí)的綜合應(yīng)用能力得到了提升，問題也真正得到了解決。

● 總結(jié)

本文以探究項(xiàng)目“自然選擇”為例，呈現(xiàn)了STEM+C視域下跨學(xué)科編程教學(xué)設(shè)計(jì)的思路。這類教學(xué)設(shè)計(jì)需要以探究項(xiàng)目為載體，以編程或其他技術(shù)腳手架為工具，通過特定教學(xué)情境的學(xué)生探究來實(shí)現(xiàn)。“跨學(xué)科”作為新課標(biāo)的重要內(nèi)容，為教學(xué)創(chuàng)新提供了新的視角，但是也提出了挑戰(zhàn)?？鐚W(xué)科教學(xué)需要不同學(xué)科教師共同設(shè)計(jì)，需要在不同學(xué)科中找到適合跨學(xué)科的切入點(diǎn)。在這個(gè)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，信息技術(shù)與其他學(xué)科進(jìn)行跨學(xué)科融合應(yīng)該是一個(gè)優(yōu)勢點(diǎn)，因?yàn)檫@樣能夠?yàn)槠渌麑W(xué)科的教學(xué)提供強(qiáng)有力的技術(shù)腳手架。而編程與計(jì)算思維作為新時(shí)代學(xué)生需要掌握的必要技能，在教學(xué)過程中也需要真實(shí)的問題情境做支撐。因此，將編程教學(xué)與具體的學(xué)科問題解決相融合，為跨學(xué)科教學(xué)這一理念提供了最佳實(shí)踐路徑。本文只是拋磚引玉，希望在未來有更多同仁能夠圍繞這一主題進(jìn)行探索，分享更多精彩案例。