運用計算思維開發(fā)STEM課程

盧華

〔摘? ? 要〕? 人工智能的發(fā)展為中國基礎(chǔ)教育改革帶來了新的方向。本文探討了如何運用計算思維促進小學(xué)信息科技課程的開發(fā)和應(yīng)用，從而幫助學(xué)生更科學(xué)地提高學(xué)習(xí)成績。

〔關(guān)鍵詞〕? STEM課程；信息科技；計算思維；開發(fā)與應(yīng)用

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標(biāo)識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 15? ? 064-066

當(dāng)前，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會不斷變化，教育改革和進步出現(xiàn)許多方向，如數(shù)字化轉(zhuǎn)型、人工智能教學(xué)、STEM課程教學(xué)等。本文主要對小學(xué)信息技術(shù)STEM課程的開發(fā)和應(yīng)用進行了探索和分析。

一、STEM課程是什么？

（一）STEM課程的概念

STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四個學(xué)科首字母的縮寫，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科技理工能力，鼓勵學(xué)生在理工方面的專業(yè)學(xué)習(xí)，為開創(chuàng)科學(xué)創(chuàng)新的新局面打下基礎(chǔ)。

（二）STEM課程重點

STEM課程側(cè)重于加強學(xué)生四個方面的教育：科學(xué)素養(yǎng)，即利用物理、化學(xué)、生命科學(xué)和地球科學(xué)的知識來理解自然并參與影響自然的過程；技術(shù)能力，是指使用、管理、理解和評估技術(shù)的能力；工程能力，是指對技術(shù)設(shè)計和開發(fā)過程的理解；數(shù)學(xué)素養(yǎng)，是指學(xué)生在不同情境下發(fā)現(xiàn)、表達、解釋和解決數(shù)學(xué)問題的能力。

二、STEM課程的教學(xué)特點

（一）開放性

STEM教育的教學(xué)特點在于其開放性，不僅能夠向?qū)W生傳達知識，而且主要目的是完成教學(xué)項目，鼓勵學(xué)生全面應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題。此外，STEM課程強調(diào)實用性，要求學(xué)生在實踐中能夠解決具體問題，使他們對知識的深刻理解來自生活的不同方面。在出現(xiàn)問題時，學(xué)生不需要考慮應(yīng)用哪門學(xué)科，而是將綜合的知識直接應(yīng)用到解決方案中。通過這樣的思維練習(xí)，在學(xué)生的腦海中無形地打破了不同學(xué)科之間的障礙，擺脫傳統(tǒng)思維模式的束縛。

（二）應(yīng)用性

傳統(tǒng)教育重在向?qū)W生傳達知識，而STEM課程的核心目標(biāo)主要培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。因此，學(xué)生應(yīng)該將知識獲取與實踐作業(yè)相結(jié)合，而不是僅僅局限于課本上的知識。因為對知識的深刻理解來自生活的各個方面，所以他們能夠?qū)嶋H應(yīng)用知識，而不僅僅局限于課本知識。在這一教學(xué)哲學(xué)框架內(nèi)獲得的知識更加全面，符合小學(xué)科學(xué)課程改革對知識學(xué)習(xí)的要求。

三、計算思維的特點

計算思維是基于技巧，而非機械技巧的思維模式，是人而非計算機的思維模式，需要從抽象層面思考的一種內(nèi)在思維能力。信息技術(shù)和計算思維是相通的，都是人們通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，通過與計算機聯(lián)系而掌握的能力，以及對內(nèi)化能力的欣賞。但兩者也有最根本的不同：信息技術(shù)強調(diào)的是人本身運用電腦工具的能力，而計算思維則更側(cè)重于作為電腦科學(xué)家的人的思維能力。

四、計算思維與比較中的信息科技素養(yǎng)

培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)包括資訊意識、計算思維、數(shù)位學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、資訊社會責(zé)任。這四個方面各有特點，同時又相互支撐、相互滲透，共同促進數(shù)字技能和學(xué)生技能水平的提高。教學(xué)理念的深刻轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在課程名稱的變化上。突出技巧性的操作和知識點、技巧和能力的培養(yǎng)，使學(xué)生知其所以然，融會貫通；以技術(shù)為先導(dǎo)，強調(diào)對世界的認(rèn)識，培養(yǎng)面對問題時分析問題和解決問題的能力。在技術(shù)的指導(dǎo)下，學(xué)生能夠得出結(jié)論并整合知識，提高適應(yīng)性能力和創(chuàng)造力。

五、運用計算思維開發(fā)信息科技STEM課程

（一）教學(xué)理念更簡單，教學(xué)方法更多樣

STEM課程主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。所以，教師必須熟練地運用電腦思維來教學(xué)。學(xué)生在學(xué)習(xí)復(fù)雜的學(xué)科知識時往往感到枯燥乏味，教師就可以用情景教學(xué)、講故事、提問題等多種教學(xué)方法來吸引學(xué)生的注意力。教師把枯燥乏味的課堂變成輕松愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過運用不同的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。最后，教師應(yīng)該知行合一，讓學(xué)生學(xué)以致用。通過實際操作，學(xué)生可以親身體驗科學(xué)實驗的樂趣，從而在未來的學(xué)習(xí)和生活中產(chǎn)生更大的動力。例如，在動畫制作軟件的教學(xué)中，蒙版的應(yīng)用是一種重要的動畫制作方法，教師應(yīng)以幫助學(xué)生理解蒙版動畫原理、掌握蒙版動畫應(yīng)用為教學(xué)目標(biāo)。大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)掌握了動畫插值和形狀插值動畫，并對幀和圖層的概念有了很好的理解?；谶@一基礎(chǔ)，我將教學(xué)任務(wù)情境化，并設(shè)計了一個場景，讓宇航員費俊龍、鄧清明、張陸在神舟十五號飛船成功發(fā)射后觀察地球的自轉(zhuǎn)，“地球自轉(zhuǎn)”動畫需要學(xué)生自己動手做出來。在這個背景下，我運用了地理學(xué)、信息技術(shù)、空間幾何學(xué)和繪畫等學(xué)科的知識來設(shè)計STEM教育項目。

（二）廣泛使用多種教學(xué)資源

在STEM培訓(xùn)中，強調(diào)廣泛使用跨學(xué)科知識對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)為教師提供了豐富的資源，小學(xué)教師可以積極利用網(wǎng)絡(luò)資源，如收集科普視頻、科普動漫等豐富教學(xué)內(nèi)容，以加深學(xué)生對知識的理解。另外，教師可以通過組織一些課外活動，如知識競賽、小游戲等，讓學(xué)生在活動中體會到知識的樂趣，從而促進學(xué)生的發(fā)展和提高，培養(yǎng)學(xué)生的信任感，以避免科學(xué)理論被認(rèn)為是枯燥乏味的。在《認(rèn)識畫圖》教學(xué)中，教師旨在幫助學(xué)生掌握操作技巧，能將“翻轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)”和“伸縮/扭轉(zhuǎn)”兩種指令靈活運用于繪圖軟件中，使之在調(diào)整形狀時更具美感。這樣的教學(xué)方式對學(xué)生審美能力的培養(yǎng)、操作技能的培養(yǎng)都有很大的幫助。在課堂教學(xué)中，教師可以先從幾何構(gòu)成、色彩搭配等藝術(shù)角度，將圖形怎樣調(diào)整的問題向?qū)W生簡明扼要地講解，使之與審美習(xí)慣和圖形調(diào)整的整體思路更加吻合。然后，教師可以講解具體的操作指令，比如：在講解“翻轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)”指令時，可利用數(shù)學(xué)課上學(xué)生所學(xué)知識，簡單講解“水平翻”“垂直翻”“以一定角度翻”等概念，并通過操作實例演示這些操作所能達到的效果。此外，教師還可以在這方面向?qū)W生深入淺出地介紹其他軟件的不同圖形操作方法，以便于學(xué)生看清調(diào)整圖形的內(nèi)容，具有更廣闊的視角。這樣的教學(xué)方法可以幫助學(xué)生更好地掌握操作技能，提升他們的審美能力，豐富他們的綜合素質(zhì)。

創(chuàng)新的教學(xué)策略與程序設(shè)計方法，缺一不可。整合式計算思維不僅改變了內(nèi)容和工具，而且改變了教學(xué)的方式和途徑。在我們的研究課題中，我們對一系列的程序設(shè)計策略和方法進行了歸納和總結(jié)。首先，使用案例教學(xué)讓學(xué)生能夠獨立構(gòu)建編程指令集?！俺绦蚧瘜W(xué)習(xí)”主要涉及三個方面的知識內(nèi)容：環(huán)境知識、語言知識和應(yīng)用知識。語文規(guī)律本身的東西，才是語文學(xué)習(xí)的核心。傳統(tǒng)的編程教學(xué)主要采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法，從基本的語句格式開始，詳細(xì)講解不同語句的各個元素，最后對語言規(guī)則舉一反三地介紹。與之相比，我們采用的是案例研究教學(xué)法，先仿照典型程序，歸納基本語句格式或解題基本規(guī)律，然后在程序設(shè)計教學(xué)中套用這些規(guī)律或方法，使同類問題得到解決。學(xué)生不僅能夠掌握編程語言的基本規(guī)則，還能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用到實際問題中，從而更好地理解和掌握編程的核心概念。這種方法可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高他們的實際技能，并幫助他們更好地理解和掌握程序設(shè)計的關(guān)鍵要素。

目前，大多數(shù)中小學(xué)和高中使用源代碼編輯軟件進行編程教學(xué)。學(xué)生可以輕松創(chuàng)建游戲和編程產(chǎn)品，這些產(chǎn)品包含故事情節(jié)，只需拖動圖形。學(xué)生在“創(chuàng)建應(yīng)用”的編程方法基礎(chǔ)上，完成學(xué)習(xí)編程的一項重要任務(wù)，不再僅僅是寫代碼，而是設(shè)計功能齊全的應(yīng)用。

案例1：我的源代碼編輯繪圖程序。

教師展示了一個學(xué)生的源代碼編輯作業(yè)示例——“繪制一幅圖”。

在節(jié)目中體驗節(jié)目操作，思考人物，以及與之相對應(yīng)的作用。

觀察主要動作的是畫筆工具，分析圖形腳本，并以直線連接的方式操作，與對應(yīng)的腳本模組完成“連接”的過程。

兩人合作，一人負(fù)責(zé)保持現(xiàn)有實例程序不變，另一人負(fù)責(zé)將對應(yīng)的指令從“PaintPen”工具元素中刪除，并對比分析每一條指令的效果。學(xué)生需要根據(jù)自己的意圖，在創(chuàng)建“繪圖”程序的過程中，對用戶與程序之間的交互方式，以及實現(xiàn)功能的途徑進行深入思考。知識與技能的學(xué)習(xí)被有機地融入設(shè)計意義非凡的“繪圖”程式之中。這樣，學(xué)生就不再只是一個消費者了，而變成一個技術(shù)的創(chuàng)造者。除此之外，學(xué)生還可以在其基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)編程，甚至寫出更“累贅”的程序。這種教學(xué)策略的基本理念是利用、改變和創(chuàng)造。通過對模擬設(shè)計參數(shù)的改變，引導(dǎo)學(xué)生找到別人的解題方法，從而對技術(shù)的核心要點有進一步理解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生要試著在游戲中加入更多的功能，把學(xué)到的知識和技能運用到解決實際問題的過程中去，這樣學(xué)習(xí)起來才會更有樂趣。

案例2：畫組合圖形。

你能畫組合圖形嗎？初始角度是多少？畫這個圖形的命令是什么？畫完圖形后，圖形的位置在哪里？第二個形狀的起始位置在哪里？圖像的初始角度是多少？畫這個圖形的命令是什么？將復(fù)雜的組合形狀分解成兩個簡單的形狀——等邊三角形和四邊形，這樣學(xué)生在畫復(fù)雜形狀時，重點就能分開，難度就會降低，也更容易理解。這種分解方法有助于學(xué)生逐步掌握繪制復(fù)雜圖形的技巧，同時培養(yǎng)他們對圖形構(gòu)成的整體認(rèn)識和抽象思維能力，從而提高他們的邏輯思維和問題分解能力。這種教學(xué)方法不僅有助于學(xué)生掌握圖形繪制的基本技能，還能夠激發(fā)他們對圖形設(shè)計和創(chuàng)作的興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力和想象力。通過模式構(gòu)建培養(yǎng)正確的編程方法，對現(xiàn)代大型軟件系統(tǒng)的成功發(fā)展至關(guān)重要。在編程教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)“個性化”方法更為嚴(yán)重，即使學(xué)生編寫了“大量”程序，他們?nèi)匀粺o法將其轉(zhuǎn)化為解決類似問題的過程。因此，我們主張模式構(gòu)建，這涉及總結(jié)經(jīng)驗和模式，以提供可轉(zhuǎn)移和推廣到更廣泛問題解決和應(yīng)用的通用解決方案。通過模式構(gòu)建，學(xué)生可以學(xué)會如何將抽象的編程概念與具體的問題場景相結(jié)合，從而更好地理解編程思維方法。

案例3：循環(huán)語句。

循環(huán)語句是編程中最有挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。主要是在使用圖形化編輯器編輯語句時，需要自己實現(xiàn)四個部分的循環(huán)。運用模式教授循環(huán)語句能夠幫助學(xué)生建立基本的模式，來解決循環(huán)結(jié)構(gòu)問題：初始條件、循環(huán)條件、控制條件、循環(huán)體。在解決其他類似的問題時，學(xué)生只需要根據(jù)具體的題目，相應(yīng)地修改這個基本模式對應(yīng)的部分就可以了。模式架構(gòu)下的編程學(xué)習(xí)，能幫助學(xué)生建立良好的編程思路和編程方式。

總之，隨著社會的不斷進步，國家對基礎(chǔ)教育的要求也在不斷提高。在給學(xué)生減負(fù)的同時，提高學(xué)生應(yīng)用知識的能力變得格外重要。因此，本文就信息技術(shù)課程中計算思維在中小學(xué)階段的發(fā)展與運用進行了探討。簡單和高效是新時代基礎(chǔ)教育改革和發(fā)展的新方向，也是社會對人才的迫切需求。

參考文獻

[1]趙珊珊，張芙蓉.Scratch程序設(shè)計在小學(xué)信息科技課堂教學(xué)模式實踐研究[J].新課程，2021（7）：131.

[2]楊禺辰.STEM教育在小學(xué)信息科技課程中的融合途徑[J].啟迪與智慧（教育），2019（5）：64-65.

[3]鄭佳佳.剖析重點，高效應(yīng)用：淺談小學(xué)學(xué)科課程與信息科技的有效性整合研究[J].安徽教育科研，2018（12）：91-92