基于STEM教育理念的高中程序設(shè)計(jì)課程開發(fā)與實(shí)踐

［摘 要］通過對(duì)現(xiàn)行高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)及教材進(jìn)行分析，明確高中程序設(shè)計(jì)教學(xué)的主要目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，基于STEM教育理念，結(jié)合學(xué)生的勞動(dòng)課程背景，設(shè)計(jì)了以“智慧農(nóng)場(chǎng)”為主題的程序設(shè)計(jì)課程。該課程在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維方面成效顯著。

［關(guān)鍵詞］STEM教育理念；程序設(shè)計(jì)；課程開發(fā)；Python

［中圖分類號(hào)］ G633.67 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-6058（2024）26-0097-03

如今，科技已成為各國推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、參與國際競爭的核心要素，因此各國均高度重視科技人才的培養(yǎng)。在人才培養(yǎng)的課程實(shí)施中STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）的導(dǎo)向已成為一種流行趨勢(shì)。將STEM教育理念融入信息技術(shù)課堂也已成為廣泛共識(shí)。

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出，普通高中信息技術(shù)課程旨在全面提升學(xué)生信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生掌握信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)與技能、增強(qiáng)信息意識(shí)、發(fā)展計(jì)算思維、提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、樹立正確的信息社會(huì)價(jià)值觀和責(zé)任感[1]。作為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的關(guān)鍵課程，程序設(shè)計(jì)課程備受矚目。20世紀(jì)80年代，受“程序設(shè)計(jì)是第二文化”觀念的影響，我國中小學(xué)開始開設(shè)程序設(shè)計(jì)課程，這在一定程度上促進(jìn)了計(jì)算機(jī)教育的普及。然而，這也帶來了一些問題。部分教師錯(cuò)誤地將培養(yǎng)計(jì)算思維等同于“代碼操練”，過于強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計(jì)語言的語法和格式，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容過難、教學(xué)方法單一，實(shí)施困難。這種教學(xué)方式限制了學(xué)生的思維，使學(xué)生覺得課程“沒意思”、“枯燥”且“學(xué)不懂”[2]。

高中程序設(shè)計(jì)課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的一項(xiàng)重要途徑，其并非要求每個(gè)學(xué)生都成為軟件工程師，而是讓每個(gè)學(xué)生理解信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法，并應(yīng)用這些思想方法創(chuàng)造性地解決問題，這體現(xiàn)了“計(jì)算思維+”的教育理念。因此，程序設(shè)計(jì)課程不應(yīng)只是簡單的知識(shí)傳授和技能訓(xùn)練，也不應(yīng)局限于傳統(tǒng)的編碼。基于STEM教育理念設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)課程，旨在通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為學(xué)生提供體驗(yàn)、應(yīng)用計(jì)算思維及實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與其他領(lǐng)域相結(jié)合的機(jī)會(huì)[3]，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與多學(xué)科知識(shí)的融合。基于STEM教育理念、設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)課程，能夠有效提升學(xué)生在數(shù)字化環(huán)境中的應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力，以及運(yùn)用信息化手段解決問題的能力。

在筆者所使用的教材《數(shù)據(jù)與計(jì)算》（上海科技教育出版社出版）中，程序設(shè)計(jì)模塊的內(nèi)容編排偏向于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)類問題，較難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為了更好地開展教學(xué)，并滿足課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，筆者根據(jù)課程開發(fā)的“泰勒原理”，基于STEM教育理念進(jìn)行了高中程序設(shè)計(jì)課程的開發(fā)與實(shí)踐。

一、基于課標(biāo)和教材確定課程知識(shí)點(diǎn)

根據(jù)目前信息技術(shù)學(xué)科的課時(shí)總量安排，程序設(shè)計(jì)模塊通常僅能獲得10～12課時(shí)。因此，課程設(shè)計(jì)必須在大約10課時(shí)內(nèi)達(dá)成課標(biāo)能力要求。

在《數(shù)據(jù)與計(jì)算》中，算法和程序設(shè)計(jì)模塊安排在第三單元，共四個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目主題無緊密關(guān)聯(lián)性，涉及核心知識(shí)點(diǎn)如表1所示。

設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)課程要求涵蓋信息意識(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)任四個(gè)核心素養(yǎng)，覆蓋如下知識(shí)點(diǎn)：算法概念和特征、算法描述方式、算法控制結(jié)構(gòu)；程序概念、程序設(shè)計(jì)基本流程；Python基本語法；枚舉算法。

二、結(jié)合學(xué)習(xí)環(huán)境和課程背景設(shè)計(jì)主題內(nèi)容

筆者所在學(xué)校擁有生物園和耕讀園，并開設(shè)以植物種植為主的勞動(dòng)課程，學(xué)生對(duì)農(nóng)場(chǎng)植物種植活動(dòng)非常熟悉。因此，設(shè)定課程主題為“智慧農(nóng)場(chǎng)”，旨在引導(dǎo)學(xué)生利用種植經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)問題解決方案，加快知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。為了便于教學(xué)實(shí)施，課程并不直接在園區(qū)進(jìn)行，而是以編程學(xué)習(xí)套件作為教學(xué)實(shí)踐工具，在機(jī)房中開展教學(xué)活動(dòng)。該編程學(xué)習(xí)套件包括Maker ESP32 V1.3主板、OLED顯示模塊、小風(fēng)扇、溫濕度傳感器、光敏傳感器、土壤濕度傳感器、觸碰傳感器、MQTT物聯(lián)網(wǎng)模塊、水泵、水槽等配件，支持圖形化和Python編程，并可通過Mu編輯器燒錄程序很好地滿足“智慧農(nóng)場(chǎng)”課程主題的教學(xué)需求。

筆者圍繞“智慧農(nóng)場(chǎng)”大主題設(shè)計(jì)了包含10節(jié)課的教學(xué)主題內(nèi)容。這些教學(xué)主題內(nèi)容之間緊密相連，知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)層層遞進(jìn)的關(guān)系，具體安排如表2所示。

每節(jié)課包含對(duì)應(yīng)的《項(xiàng)目使用手冊(cè)》和《導(dǎo)學(xué)案》，可作為學(xué)習(xí)支架，供學(xué)生使用。

三、基于5E教學(xué)模式和計(jì)算思維過程設(shè)計(jì)教學(xué)模型

傳統(tǒng)的編程教育側(cè)重語法與算法，常從結(jié)構(gòu)良好、適合編程的問題入手，較少探討如何將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的問題，而這正是問題解決的第一步[4]?；诖?，筆者基于5E教學(xué)模式和計(jì)算思維過程，構(gòu)建高中程序設(shè)計(jì)教學(xué)模型。

5E教學(xué)模式包括參與、探究、解釋、遷移和評(píng)價(jià)五個(gè)環(huán)節(jié)，該模式基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)參與、探究，重視知識(shí)的形成和應(yīng)用，并通過評(píng)價(jià)來促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，計(jì)算思維過程包括問題界定、問題分解、模式匹配、數(shù)據(jù)抽象與表達(dá)、算法設(shè)計(jì)和評(píng)估反思，這些環(huán)節(jié)構(gòu)成了問題分析、問題表達(dá)和問題解決的完整框架，其核心在于運(yùn)用計(jì)算思維來解決問題。

筆者在5E教學(xué)模式中融入計(jì)算思維過程，并依據(jù)STEM教育理念對(duì)該教學(xué)模式進(jìn)行了改進(jìn)，以指導(dǎo)高中程序設(shè)計(jì)教學(xué)。具體教學(xué)模型如圖1所示。

四、高中程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

“智慧農(nóng)場(chǎng)光控——if分支語句（一）”是“智慧農(nóng)場(chǎng)”課程的教學(xué)案例之一，主要教學(xué)流程如下：

教學(xué)環(huán)節(jié)一：設(shè)計(jì)情境，引入新課

教師創(chuàng)設(shè)情境：“我們將要看到一場(chǎng)頗為壯觀的燈光秀，而這場(chǎng)秀的主角是火龍果。為什么我們要給火龍果舉辦這么大型的燈光秀呢？請(qǐng)同學(xué)們帶著問題觀看視頻?！痹趯W(xué)生觀看完視頻后，教師引入要解決的問題：“火龍果屬于喜光植物，良好的光照有利于火龍果的生長和果實(shí)品質(zhì)的提升。相反，光照不足會(huì)對(duì)火龍果的營養(yǎng)積累產(chǎn)生不利影響。據(jù)研究，光照強(qiáng)度在8000勒克斯以上最為適宜，而光照強(qiáng)度不應(yīng)低于2500勒克斯。現(xiàn)在，讓我們一起來給火龍果設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)光程序吧。”

教學(xué)環(huán)節(jié)二：分析交流，整理思路

教師給學(xué)生提供《if單分支語句導(dǎo)學(xué)案》，引導(dǎo)學(xué)生分析問題。所涉及的計(jì)算思維是“問題界定”。教師明確提出要解決的問題：“當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到多少時(shí)，我們需要給火龍果補(bǔ)光？”學(xué)生針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行討論并作出回答。接著，教師進(jìn)一步提問：“光照強(qiáng)度是通過光敏傳感器來獲取的，阻值越大表示光照強(qiáng)度越弱。假設(shè)光敏阻值1500是需要給火龍果補(bǔ)光的臨界值，那么當(dāng)光敏阻值滿足什么條件時(shí)，我們需要給火龍果補(bǔ)光？所涉及的計(jì)算思維是“問題分解”。

教學(xué)環(huán)節(jié)三：分享表述，凝練方案

在分析《if單分支語句導(dǎo)學(xué)案》的前三個(gè)環(huán)節(jié)特點(diǎn)后，教師列舉數(shù)學(xué)分段函數(shù)的程序例子。通過這個(gè)例子，教師引出了if單分支語句的使用范圍與使用方法。接下來，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為用if單分支語句來表示。在這一過程中，涉及的計(jì)算思維是模式匹配、數(shù)據(jù)表達(dá)與抽象以及算法設(shè)計(jì)。為了幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)知識(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生使用偽代碼和流程圖描述相應(yīng)的語法。

教學(xué)環(huán)節(jié)四：動(dòng)手編程，轉(zhuǎn)化成果

師生一起完成了對(duì)相應(yīng)程序的編寫工作。以下是所編寫的代碼：

if adc.read（ ） > 1500：

rgb[0] = （255， 0， 0）

rgb.write（ ）

教師提供教學(xué)支架，引導(dǎo)學(xué)生使用if單分支語句來完成“關(guān)閉補(bǔ)光燈”的算法與程序設(shè)計(jì)。此環(huán)節(jié)是if單分支語句的練習(xí)，旨在鞏固新知，促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移，并為后續(xù)單分支語句轉(zhuǎn)換成雙分支語句提供條件。

教學(xué)環(huán)節(jié)五：引出新知，再探究竟

在此環(huán)節(jié)中，教師通過對(duì)比“打開補(bǔ)光燈”和“關(guān)閉補(bǔ)光燈”的if單分支條件，引出if雙分支語句。這樣對(duì)比學(xué)習(xí)直觀清晰，易于學(xué)生理解。教師提問：“同學(xué)們，請(qǐng)仔細(xì)觀察‘打開補(bǔ)光燈’和‘關(guān)閉補(bǔ)光燈’的if單分支條件，它們之間存在什么樣的關(guān)系？”學(xué)生經(jīng)過思考后回答：“它們是對(duì)立關(guān)系。”由此引出：在兩個(gè)條件對(duì)立的情況下，可以使用if雙分支語句來表示。接下來，教師引導(dǎo)學(xué)生使用偽代碼和流程圖來描述相應(yīng)的語法結(jié)構(gòu)。

學(xué)生解決此問題后，輸出的程序代碼如下：

if adc.read（ ） > 1500：

rgb[0] = （255， 0， 0）

rgb.write（ ）

else：

rgb[0] = （0， 0， 0）

rgb.write（ ）

教學(xué)環(huán)節(jié)六：展示與評(píng)價(jià)

此環(huán)節(jié)主要展示學(xué)生的優(yōu)質(zhì)思路、方案、算法和程序，反饋存在的主要問題，并總結(jié)課程的主要內(nèi)容。教師組織學(xué)生進(jìn)行小組互評(píng)，對(duì)各組的作品進(jìn)行評(píng)估和總結(jié)。

五、實(shí)施效果評(píng)價(jià)

筆者在學(xué)校的兩個(gè)高中部均進(jìn)行了課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)。與僅使用教材項(xiàng)目內(nèi)容授課相比，參與本課程的學(xué)生在課堂參與度、小組項(xiàng)目作業(yè)完成度以及實(shí)際代碼編寫能力方面均有較明顯的提升。部分學(xué)生甚至能夠主動(dòng)結(jié)合程序設(shè)計(jì)，開展關(guān)于“智慧農(nóng)場(chǎng)”的相關(guān)研究性學(xué)習(xí)，這充分體現(xiàn)了他們具備利用信息技術(shù)解決問題的能力。這些成果均達(dá)到了課程開發(fā)的預(yù)期目標(biāo)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 張玉寧.基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)實(shí)踐研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017（23）：162-165，170.

[3] 李鋒.中小學(xué)計(jì)算思維教育：STEM課程的視角[J].中國遠(yuǎn)程教育，2018（2）：44-49，78-79.

[4] 傅騫，王鈺茹.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的編程教學(xué)研究：以高中生Python編程教學(xué)為例[J].創(chuàng)新人才教育，2019（3）：47-54.

（責(zé)任編輯 黃春香）