基于“STEM+C”的計算思維培養(yǎng)的模型設(shè)計

曹曉靚

摘? 要：計算思維和STEM教育都強調(diào)要解決情境中的真實問題，由此提出了基于“STEM+C”活動的計算思維培養(yǎng)模型。通過“想象－研究－設(shè)計－制造－優(yōu)化”的迭代過程，著重培養(yǎng)青少年計算思維、創(chuàng)意設(shè)計表達和跨學(xué)科解決真實問題的能力。

關(guān)鍵詞：“STEM+C”計算思維培養(yǎng)模型

一、STEM教育和少兒編程教育教學(xué)實施現(xiàn)狀

《中國STEAM教育發(fā)展報告》指出，國內(nèi)的STEM課程存在諸多“水土不服”：STEM教學(xué)體系和評價缺乏系統(tǒng)化規(guī)范性；硬件設(shè)施和材料損耗較高，導(dǎo)致經(jīng)費負擔(dān)重、課程更新慢等。能夠真正做到“跨學(xué)科”和“真落實”的本土化優(yōu)質(zhì)STEM課程并不多[1]。大多發(fā)生在校內(nèi)信息技術(shù)課堂上的編程教育內(nèi)容都側(cè)重編程語法和算法構(gòu)建，缺乏培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)和跨學(xué)科解決真實問題能力的探究活動。計算思維強調(diào)要基于真實問題展開，與之相似，STEM教育同樣注重通過多學(xué)科知識和多元化工具解決真實情境中的復(fù)雜問題。因此提出了基于“STEM+C”（此處的“c”computing，下同）的計算思維培養(yǎng)模型。

筆者主要采取文獻研究法，運用美國舊金山大學(xué)管理學(xué)教授韋里克提出的SWOT分析法，從四個維度對國內(nèi)STEM教育實施現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，旨在使基于“STEM+C”的計算思維培養(yǎng)模型設(shè)計更具科學(xué)化。

二、基于“STEM+C”活動的計算思維培養(yǎng)模型設(shè)計

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確將“計算思維”與“信息意識”“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”“信息社會責(zé)任”作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)。可見，聚焦計算思維的培養(yǎng)是信息技術(shù)課程的重要方向，它強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生運用計算機的處理方式界定實際生活中的問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、科學(xué)整合數(shù)據(jù)，綜合各種資源和算法，形成問題解決方案。

有學(xué)者提出，計算思維包含“分解、抽象、算法、調(diào)試、迭代、歸納”六個要素[4]。STEM課程注重探究、學(xué)科整合與真實情境的交互。在活動設(shè)計時，應(yīng)培養(yǎng)獨自探究與合作探究的能力。探究要注重課程之間的銜接性，調(diào)動興趣和求知欲，促使學(xué)習(xí)者自主發(fā)現(xiàn)并學(xué)會解決問題。設(shè)置層次分明的遞進式任務(wù)，步步深入發(fā)展學(xué)生的高階思維，同時做好相關(guān)拓展課程的延伸和知識遷移。在課程設(shè)計時，應(yīng)注重多學(xué)科間的深入整合，情境的創(chuàng)設(shè)與支持也應(yīng)從雙向角度考量，從真實情境中的問題出發(fā)再回歸到真實情境。根據(jù)這些特點，筆者構(gòu)建了如圖1所示的基于“STEM+C”活動的計算思維培養(yǎng)模型。

三、教學(xué)案例剖析

通過對“基于SIR模型的疾病傳播模擬”活動案例的分析，具體闡述上述模型的應(yīng)用。第一步：情境設(shè)置，激發(fā)興趣。2020年新冠病毒疫情暴發(fā)，鐘南山院士曾預(yù)測南方地區(qū)２月中旬會達到發(fā)病最高峰。第二步：定義問題－明確任務(wù)－知識儲備。鐘南山院士對疫情的預(yù)測并不是憑借經(jīng)驗，而是通過數(shù)學(xué)模型分析并結(jié)合實際情況做出判斷。本次活動主要任務(wù)是了解疾病傳播的過程，建立從簡單到復(fù)雜的疾病傳播模型，編程實現(xiàn)疾病傳播的模擬。首先了解基本傳染數(shù)R0，指在沒有外力介入，同時所有人都沒有免疫力的情況下，一個感染者會把疾病傳染給多少人的平均數(shù)[3]。再了解SIR模型，又叫“易感者－感染者－免疫者”傳染病模型，指得了一次病就不會再得第二次，但有些疾病感染之后不會獲得免疫力，就像常見的感冒和流感，稱為“易感者－傳染者－易感者”模型（SIS模型）。第三步：問題分解-模式識別-抽象化。（1）問題分解。計算思維的第一個步驟是把復(fù)雜的問題分解成若干易處理的小問題，首先將人群分成易感者、感染者、免疫者三大類。（2）模式識別。構(gòu)建出它們的關(guān)系模型：易感者→感染者→免疫者。（3）抽象化。定義“鄰居”：把每個人抽象成一個方塊，與方塊任意一邊相鄰的方塊代表的是社交圈里的一個人，假設(shè)每個人有4個鄰居；定義“一格”：現(xiàn)實生活中從傳染、生病到治愈需要一定時間，假設(shè)這段時間周期為一格。第四步：算法構(gòu)建－流程設(shè)計－編寫程序。算法構(gòu)建，也就是模型運行的規(guī)則。規(guī)則一是感染者有一定概率在下一步讓易感者鄰居成為感染者。規(guī)則二是疾病只能通過感染者傳播給“鄰居”，而不能隔空傳播。通過思維導(dǎo)圖的方式進行數(shù)據(jù)流分析，梳理每個角色之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和事件關(guān)系，最后編寫程序?qū)崿F(xiàn)。第五步：測試優(yōu)化與分享交流。通過修改規(guī)則增加挑戰(zhàn)，使其更貼近真實生活。譬如提出“如果是SIS模型，思考改變哪些規(guī)則？”。

四、總結(jié)與反思

STEM教育融入C（computing），是以信息技術(shù)為抓手、項目化學(xué)習(xí)為方式，運用科學(xué)原理、數(shù)學(xué)計算、工程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生計算思維的有效手段。該模型通過“想象-研究-設(shè)計-制造-優(yōu)化”的迭代過程著重培養(yǎng)青少年計算思維、創(chuàng)意設(shè)計表達和跨學(xué)科解決真實問題的能力，將分解、抽象、算法、調(diào)試、迭代和歸納六個要素滲透在各個環(huán)節(jié)。由于該案例正是源于當(dāng)時疫情背景設(shè)計的，大大調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)研究熱情。

經(jīng)過實踐，筆者做出如下反思：一是進一步完善評價指標(biāo)?，F(xiàn)存課程評價指標(biāo)較模糊，缺少量化數(shù)據(jù)支撐課程實施后學(xué)生在創(chuàng)意表達、跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力和計算思維方面的明顯變化。應(yīng)在后續(xù)研究中進一步完善評價體系，做到多元化、多角度，科學(xué)、細化、具體的評價指標(biāo)。二是不斷豐富活動案例的設(shè)計。結(jié)合青少年身心和認知特點，進一步挖掘提煉，設(shè)計更富創(chuàng)意性和開放性的活動案例。三是課程建設(shè)要考慮時代性與社會性?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，需要及時更新并淘汰落后于時代發(fā)展的內(nèi)容。課程建設(shè)還要考慮社會性，力圖將課堂與社會熱點鏈接，提供解決真實情境中有效問題的機會，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考和分析方案的優(yōu)點與缺點，再簡化優(yōu)化算法，逐步找到最優(yōu)策略。

【參考文獻】

[1]教育部教育管理信息中心.中國STEAM教育發(fā)展報告[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

[2]Shute V J，Sun C，Asbell-Clarke J.Demystifying computational thinking[J].Educational Research Review，2017，22：142-158.

[3]葛瑛，李太生.應(yīng)對中東呼吸綜合征，要關(guān)注不要緊張[J].中華內(nèi)科雜志， 2015.