STEAM課程框架下的例題設計策略研究

鄭長宏+郭建+譚樂婷

STEAM課程可以粗略地分為兩條主線：知識學習主線和項目任務主線。知識學習主線多是通過求解例題讓學生學習基本知識、基本技能和基本思想，為項目任務主線的學習奠定基礎。因此，STEAM課程設計中的例題設計顯得尤為重要。筆者總結多年的信息學奧林匹克競賽、機器人、圖形化編程教學經(jīng)驗，特別是近年來在全年級開展的STEAM模塊化系列課程之“C++編程基礎”的實踐研究，得出以下例題設計策略。

● 鋪墊例題，讓學生學會分解任務以降低難度

STEAM課程的教育目標之一是培養(yǎng)學生分解任務的能力。在STEAM課程中，教師主要引導學生完成任務（或項目），但很多時候這些任務的難度較大，不太容易一次就完成，所以需要把任務分解為難度相對較低、更容易完成的子任務。在設計例題時，教師也可以將其分解為多道子例題，把包含基礎知識的例題放到前面作為鋪墊，由易到難逐步提升。

案例一：比較兩個變量的大小，由小到大輸出。

在學習第4講《if語句與關系表達式》一課時，筆者準備了這樣一道例題：輸入兩個不相等的數(shù)a和b，由小到大輸出。解題方法之一：如果ab，則先交換a和b的值，然后輸出a和b。解決這個題目有兩個關鍵點：一是使用if語句對條件進行選擇，二是交換變量a和b的值。學生認為交換變量a和b的值只需要這樣兩條賦值語句：a=b；b=a。然而，這樣執(zhí)行的結果是錯誤的，因為a和b的值最后都是b的值。為了解決這個難點，筆者花了不少時間來給學生講解如何交換兩個變量值。結果，教學超時，沒有完成教學任務。

解決策略：把這道題的兩個任務分解開，把交換兩個變量a和b值的問題放到第3講《變量的定義與賦值》中，同時，筆者設計了這樣一道例題：請輸入變量a、b的值，然后交換變量的值，再輸出。學生通過第3講的學習，清楚地理解了交換兩個變量的值需要用到第三個變量臨時存儲數(shù)據(jù)，代碼如下：

t=a；a=b；b=t；

在學習《if語句與關系表達式》比較兩個數(shù)大小的時候，教師可以用這樣的偽代碼將程序表示如下：

if（b>a） 交換a和b的值；

輸出a的值，輸出b的值；

有了前面的鋪墊，學生理解起來就容易多了。

● 優(yōu)化例題，讓學生體驗項目優(yōu)化的過程

STEAM課程強調(diào)項目式學習，項目的設計與制作過程就是一個不斷優(yōu)化的過程。教師可以把例題設計得有些小缺陷，讓學生在解題的過程中不斷思考，不斷優(yōu)化，同時體驗項目優(yōu)化的過程。

案例二：寶庫密碼問題的兩次改進。

筆者在第7講《計數(shù)循環(huán)與for語句》中設計了這樣一道例題A：富翁有個寶庫，輸入密碼才可以打開。如果密碼正確，則提示“寶庫即將打開，請稍后……”；如果密碼錯誤，則提示“密碼錯誤，請重新輸入密碼”！并再次輸入密碼，但只能輸入三次。請用程序模擬這個寶庫密碼。

這道例題就是一個小小的項目，類似于手機輸入密碼解鎖屏幕，或銀行ATM取款的過程。如果直接這樣設計例題，沒有給學生優(yōu)化改進這個項目的機會，學生就失去了思考的原動力，能力的培養(yǎng)有限。

解決策略：筆者把這道例題簡化成了一個不完善的例題B：富翁有個寶庫，輸入密碼才可以打開。如果密碼正確，提示“寶庫即將打開，請稍后……”；如果密碼錯誤，則提示“密碼錯誤”！請用程序模擬這個密碼寶庫。筆者把這道例題設置在《if語句與關系表達式》一課中，當學生調(diào)試成功以后，有位學生提出這樣的疑問：“老師，輸入錯誤密碼，程序要終止，這時還要再運行一次程序，才能輸入正確密碼。這太麻煩了，如何才能在輸入錯誤密碼之后，程序報錯但不停止運行，直接再次輸入密碼呢？”筆者在全班表揚了這位勤于思考的學生，也順理成章地在第5講《while語句與邏輯表達式》用例題B的改進版例題C作為引入。

改進后的例題C是這樣的：富翁有個寶庫，輸入密碼才可以打開。如果密碼正確，提示“寶庫即將打開，請稍后……”；如果密碼錯誤，則提示“密碼錯誤，請重新輸入密碼”！請用程序模擬這個密碼寶庫。學生使用while語句調(diào)試成功以后，又提出問題：“密碼錯誤可以一直輸入密碼，直到密碼正確。我同桌都把我的密碼試出來了！”筆者：“那怎么優(yōu)化呢？”學生：“我覺得應該限定次數(shù)，比如三次，手機就是這樣的?！?/p>

筆者又順勢設計出了較為完善的例題，也就是最開始的第7講的例題A。

于是，例題B只判斷密碼是否正確；例題C判斷密碼是否正確，如果錯誤要求重新輸入密碼；例題A判斷密碼是否正確，如果密碼錯誤要求重新輸入，但只能輸入三次。

通過對例題B、C、A三個版本的設計，讓例題不斷優(yōu)化。這不僅讓學生的思考步步深入，還讓學生體驗到了STEAM項目優(yōu)化的過程。

● 多解例題，讓學生從多角度思考問題

一題多解，能夠讓學生從多個角度觀察問題、思考問題，在STEAM教學過程中可多加運用。

案例三：三個變量a，b，c排序的問題。

為了引入if語句的嵌套和邏輯表達式，筆者設計了例題：給a、b、c三個數(shù)排序，由大到小輸出。

首先，筆者給出了較為困難的使用if語句的嵌套的解法一：先判斷a>b，再分情況判斷b>c，然后再分情況判斷a>c。具體求解思維導圖如圖1所示。

學生看到上面的層疊關系就覺得很難，再看到密密麻麻的程序代碼時，更感覺是一頭霧水。筆者順勢引導學生學習第二種解法：利用學過的數(shù)學知識，不難分析出這樣六種關系：①a>b>c；②a>c>b；③b>a>c； ④b>c>a；⑤c>a>b；⑥c>b>a。

可以用六條不帶else的if語句解決，思路如下：

① if（a>b>c），輸出“a>b>c”；

② if（a>c>b），輸出“a>c>b”；

③ if（b>a>c），輸出“b>a>c”；

④ if（b>c>a），輸出“b>c>a”；

⑤ if（c>a>b），輸出“c>a>b”；

⑥ if（c>b>a），輸出“c>b>a”；

但是新的問題來了，C++語言雖然允許類似“a>b>c”的表達式，但“a>b>c”并不表示“a>b并且b>c”。于是，筆者引入邏輯運算符和邏輯表達式“a>b&&b>c”來表示“a>b并且b>c”。

筆者帶著學生總結了解法一的主要特點是if語句的嵌套，解法二的主要特點是分情況討論。當學生認為問題圓滿解決的時候，筆者又提出：“我們可以綜合解法一和解法二的特點，設計一個既簡單又不需要邏輯運算符的解法?！蓖ㄟ^思考，有學生綜合了解法一的嵌套和解法二的分情況討論，得出了解法三：運用不帶else的if語句的嵌套，用偽代碼表示如下：

① if（a>b）if（b>c），輸出“a>b>c”；

② if（a>c）if（c>b），輸出“a>c>b”；

③ if（b>a）if（a>c），輸出“b>a>c”；

④ if（b>c）if（c>a），輸出“b>c>a”；

⑤ if（c>a）if（a>c），輸出“c>a>b”；

⑥ if（c>b）if（b>a），輸出“c>b>a”；

同一例題，從多個角度思考，運用不同的方法求解，拓寬了學生思維的廣度。

● 改編例題，讓學生注重解決問題的過程和方法

STEAM教育是注重過程和方法的教育。教師通過改編例題可以讓學生關注解題的過程和方法，而不僅僅是答案。

案例四：1到100的整數(shù)和求解問題。

在for循環(huán)的經(jīng)典例題中，“求1+2+3+……+100的和”是最常見的例題。筆者也使用過這道例題來講解for語句，但學生往往看到這道題就想到它的結果是5050。因為這道題在數(shù)學課上已經(jīng)學習過了，利用求等差數(shù)列和的方法（首項+末項）×項數(shù)÷2可以輕松算出結果。但為了讓學生掌握for語句計數(shù)循環(huán)的方法，即通過for循環(huán)和語句“sum=sum+；”把每一個數(shù)加起來，筆者把例題改編成求20+21+23+……+108，改編后，學生不容易一眼算出結果，就把注意力集中到使用for語句求解的問題上來。

● 美化例題，讓學生領略編程之美

在“C++編程基礎”教學中，筆者注重美化例題，把藝術教育融入到C++代碼的字里行間和程序格式的排列縮進之間，讓學生在潛移默化中領略編程之美。

案例五：編寫一個小小的計算器程序。

排版優(yōu)美的程序代碼，不僅利于閱讀，而且可以感受到C++的代碼之美。在學習if語句和switch語句的時候，有這樣一道例題：編寫一個小小的計算器程序，輸入變量a和b，再輸入+、-、*、/中的一個符號，完成相應的計算，輸出答案。筆者在講解該例題時，特別強調(diào)書寫的規(guī)范性，即代碼的縮進與對齊，程序部分代碼如圖2所示。

以上是編寫程序時體現(xiàn)出的代碼美感，還可讓程序輸出結果也體現(xiàn)出美感。

案例六：運用二重循環(huán)輸出圖形符號。

學習循環(huán)語句的嵌套可以通過使用二重循環(huán)輸出特定的圖形符號來練習。筆者設計了如圖3所示的圖形，編制例題，讓學生學習二重循環(huán)的使用。

由此可見，美化例題是讓例題在設計中融入藝術教育，讓學生潛移默化地感受編程之美。

合理運用例題設計策略精心設計例題，讓學生在STEAM課程中學習方法，培養(yǎng)思維，增長能力。這需要教師不斷探索，不斷實踐。endprint