在STEM校本科技課程中培養(yǎng)小學(xué)生計算思維能力

黎尚斌

一、計算思維及其特點

計算思維是人類在使用計算工具中形成并發(fā)展的思維，并在人類文明中與人類共存長達數(shù)千年。從古代的算盤到現(xiàn)代的手機，每個人都受到計算思維的影響。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授指出，計算思維是指運用計算機科學(xué)的基本概念進行的一系列涵蓋了相當(dāng)廣度的思維活動，例如問題解決，系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解等?？梢?，計算思維雖然在計算機科學(xué)中從朦朧走向明晰，卻不僅僅應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域，它連結(jié)計算機科學(xué)與人類生活的方方面面，為人們提供了能廣泛應(yīng)用于工作、學(xué)習(xí)和生活的分析和解決問題的新視角、新途徑。

對于尚處于成長關(guān)鍵期的中小學(xué)學(xué)生而言，這種靈活且全面性的思維模式體現(xiàn)了一種全人教育的精髓，它不僅幫助學(xué)生積極地投入現(xiàn)實應(yīng)用場景，而且在人文科學(xué)、人際交往、實踐創(chuàng)造等方面為學(xué)生提供理性分析問題和解決問題的新視角，為學(xué)生在高速發(fā)展的信息化社會更好地適應(yīng)與發(fā)展打下堅實的思維基礎(chǔ)。

二、STEM課程與計算思維培養(yǎng)的關(guān)系

正因為計算思維所蘊藏的的教育智慧和能量，所以計算思維被越來越多的教育者關(guān)注，并作為人才培養(yǎng)目標(biāo)投入到教育改革浪潮中。對于如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，也成為廣大教育工作者孜孜探求的教育實踐。對此筆者認為，STEM課程與計算思維有相關(guān)的契合點，而STEM課程的特點，也使其對于學(xué)生的計算思維的培養(yǎng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

其一，STEM課程強調(diào)學(xué)科的融合性。STEM課程其本質(zhì)將是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Math）四門學(xué)科統(tǒng)一整合而成的課程領(lǐng)域，在這個課程領(lǐng)域中，各學(xué)科之間相互聯(lián)系、相互貫通。計算思維培養(yǎng)是全人教育的一種體現(xiàn)，所以計算思維的培養(yǎng)無法在單一的課程中完成。而STEM課程的學(xué)科融合性特點，使其成為計算思維培養(yǎng)的豐沃土壤。例如在STEM課程中，在科學(xué)或是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的演算和問題設(shè)置，可以在工程和技術(shù)領(lǐng)域得到建模的證實。STEM課程不僅給予了學(xué)生在抽象上設(shè)計問題和分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，也提供了整合數(shù)據(jù)解決問題的途徑，這種跨學(xué)科融合的綜合課程，使學(xué)生的計算思維得以充分開發(fā)。

其二，STEM課程強調(diào)場景的重要性?；谥行W(xué)STEM校本課程和兒童早期的思維特點，STEM教育強調(diào)創(chuàng)造有趣的、貼近學(xué)生認知的場景進行教學(xué)。比如通過設(shè)計游戲、角色扮演、利用小程序等以增加教學(xué)趣味性，提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)好奇心和專注力;又比如聯(lián)系實際生活形成團隊協(xié)作的場景，更好地幫助學(xué)生進行“人類行為理解”等社會性探索。STEM課程通過貫穿不同學(xué)科、整合不同資源，創(chuàng)設(shè)不同場景，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中從能力的提高上升到思維的養(yǎng)成，計算思維的培養(yǎng)也因此在STEM教育中的流動式場景中得以實現(xiàn)。

三、在STEM課程教學(xué)中培養(yǎng)計算思維

App Inventor應(yīng)用編程，是一門融合數(shù)學(xué)、現(xiàn)代科學(xué)、現(xiàn)代計算機技術(shù)的STEM課程，它以可視化、模塊化的方式讓學(xué)生學(xué)習(xí)編程，有別于以往枯燥的編程設(shè)計，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)。因此筆者以這門課程中《變魔術(shù)——初步認識App inventor應(yīng)用編寫》這一課的教學(xué)為例，探討如何在STEM課程的教學(xué)中，通過開展不同的教學(xué)活動培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

1.以自主探究激活計算思維

App Inventor對代碼進行封裝，組成視覺效果豐富的模塊和組件，學(xué)生通過拖放代碼塊便能輕松編程。豐富的視覺和簡易的操作，不僅契合學(xué)生的認知特點，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且便于教師創(chuàng)設(shè)啟發(fā)式的情境，引導(dǎo)學(xué)生開展自主探究學(xué)習(xí)。

在引入新知教學(xué)環(huán)節(jié)，教師以復(fù)習(xí)舊知識為導(dǎo)入，學(xué)生先復(fù)習(xí)選擇組件、調(diào)整屬性等系列操作，再生成二維碼下載apk并安裝，在安裝后學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題——不能調(diào)用組件變魔術(shù)。教師通過引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新難題，為其創(chuàng)設(shè)啟發(fā)式的學(xué)習(xí)情境，而這一亟待解決的問題也成為學(xué)生躍躍欲試、進一步探究的動力。在帶領(lǐng)學(xué)生探究的過程中，教師要注意有目的、有條理的設(shè)問和引導(dǎo)，這樣才有助于在自主探究中，真正啟發(fā)學(xué)生的計算思維。比如，筆者在學(xué)生進行自主探索前，設(shè)置了“為什么裝上軟件之后不能調(diào)動組件”“我們在制作中缺少了什么東西”“請問如何解決這個問題”，這些能引發(fā)學(xué)生層層深入思考的問題。在這些問題的引導(dǎo)下，學(xué)生利用電腦和設(shè)備進行自主探究學(xué)習(xí)，便潛移默化地形成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力，從而有效激活、鍛煉計算思維。

2.以合作討論深化計算思維

合作學(xué)習(xí)能夠有效凸顯學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生的參與意識，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造能力，帶動學(xué)生的共同進步，是教學(xué)活動中常用而卓有成效的方式。合作學(xué)習(xí)的形式多種多樣，有小組討論、合作探索、角色扮演等，教學(xué)中，以小組討論的合作學(xué)習(xí)形式，引導(dǎo)學(xué)生在合作討論中深化其計算思維。

教師以“使用導(dǎo)航指導(dǎo)駕駛”這一貼近學(xué)生生活的例子，啟發(fā)學(xué)生思考，并讓學(xué)生開展學(xué)習(xí)小組間的討論。首先，筆者讓學(xué)生討論“導(dǎo)航靠什么”，學(xué)生經(jīng)過激烈討論，得出“汽車導(dǎo)航靠接收衛(wèi)星信號”的結(jié)論;接著，筆者再讓學(xué)生思考討論“傳遞的信號需要包含哪些信息才能精確導(dǎo)航”，在教師的指引下，學(xué)生討論分析了傳遞的信號需要包含高度、汽車速度和方位等信息。最后，筆者回歸到本課教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生得出解決問題的關(guān)鍵所在——這一組件的調(diào)動需要運動來觸發(fā)?？梢娊?jīng)過系列的小組討論，學(xué)生找到本課編程設(shè)計中的內(nèi)在邏輯，從而有效的開發(fā)、培養(yǎng)了計算思維。

3.以操作實踐鍛煉計算思維

教學(xué)中，教師在學(xué)生討論得出解決難題的關(guān)鍵點、找到其內(nèi)在邏輯和規(guī)律后，便指導(dǎo)學(xué)生通過實踐將討論的問題設(shè)計成可實現(xiàn)的程序，以此鍛煉其計算思維。首先，在學(xué)生動手實踐前，播放視頻讓學(xué)生清楚這一應(yīng)用要實現(xiàn)的多個功能，具體包括：出現(xiàn)圖像——設(shè)備晃動、圖像消失——偵測到物體運動、再次出現(xiàn)圖像——調(diào)用照相機拍照。然后學(xué)生以小組為單位，對照所需的具體功能，共同進行代碼塊的編寫，學(xué)生編寫的代碼塊包括：①點擊設(shè)備按鈕1（Welcome?。┏霈F(xiàn)圖像1;②設(shè)備的加速度傳感器被晃動，圖像1消失;③設(shè)備的距離傳感器偵測到有物體運動，圖像1出現(xiàn);④點擊設(shè)備按鈕2（拍照）調(diào)用照相機拍照;⑤拍照完成將拍照圖像設(shè)置為圖像1。最后，學(xué)生通過掃二維碼進行檢測編程結(jié)果?？梢?，學(xué)生在實踐操作中，根據(jù)一定的邏輯，將需要解決的問題分解為清晰、具體的流程，并逐一加以實現(xiàn)，其分解能力、抽象能力和評估能力等計算思維能力得到深入鍛煉。

[基金項目：廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2018年度重點課題——“新一代信息技術(shù)在中職創(chuàng)客教育的應(yīng)用研究”（項目編號201811592）的課題論文]