基于STEM教育理念的小學生計算思維能力培養(yǎng)研究

牛冬雪 莊天寶

摘? 要 隨著計算思維成為教育領域的研究熱點，許多專家和學者對計算思維的培養(yǎng)問題進行研究與探索。在借鑒國內外培養(yǎng)計算思維的教學方法后，提出基于STEM教育理念，將圖形化編程與小學數(shù)學進行跨學科整合，培養(yǎng)學生的計算思維能力，并設計數(shù)學教學中的具體實施案例，以期為小學數(shù)學教師培養(yǎng)學生的計算思維能力提供借鑒與參考。

關鍵詞 計算思維;STEM教育;圖形化編程;小學數(shù)學;PBL教學方法

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0051-05

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，計算思維成為現(xiàn)代社會公民必備的技能之一。通過查閱計算思維相關文獻不難看出，目前我國對計算思維的培養(yǎng)研究主要集中在高等教育領域，對基礎教育階段學生計算思維能力的培養(yǎng)仍處于探索階段，尚未構成較為系統(tǒng)的計算思維培養(yǎng)方案，而國外對計算思維的培養(yǎng)研究則涵蓋了學前教育到高等教育的所有學齡段。因此，我國越來越多的學者認識到僅將計算思維局限于高等教育領域是遠遠不夠的，在基礎教育階段就要重視并強化學生的計算思維，將其作為學生綜合能力培養(yǎng)的重要內容。STEM教育作為一種跨學科融合的教育方式，著重于將不同學科知識相融合，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力以及培養(yǎng)學生在現(xiàn)實生活中解決問題的能力，這種跨學科融合的教育理念對學生計算思維能力的培養(yǎng)大有裨益。本文基于STEM教育理念，將信息技術與小學數(shù)學兩門學科相結合，在小學數(shù)學教學中培養(yǎng)學生的計算思維能力，促進學生綜合素養(yǎng)的發(fā)展，以期為小學數(shù)學教師培養(yǎng)學生的計算思維能力以及在教學創(chuàng)新方面提供一些有益參考。

1 計算思維的概念及其培養(yǎng)意義

2006年，周以真對計算思維作出概念界定：計算思維是建立在人機互動基礎上所形成的思維模式，其中包含系統(tǒng)設計、問題探究以及行為理解的思維活動[1]。這引起國內外學者對計算思維的廣泛關注。美國國際教育技術協(xié)會與計算機科學教師協(xié)會聯(lián)合對計算思維的操作性定義進行界定，對運用計算思維進行問題解決的過程作了具體表述。該定義將計算思維界定為問題解決的過程[2]。任友群等[3]研究指出，計算思維更接近一種思維過程，是理解、分析、解決問題中所形成的方式方法，能夠幫助學習者理解抽象和復雜的問題，并在此基礎上形成系統(tǒng)化、模塊化的問題應對方案。國內外學者對計算思維所下定義說明計算思維與問題解決有著密不可分的聯(lián)系，因此可以通過培養(yǎng)學生的問題解決能力進而培養(yǎng)學生的計算思維能力。

自從計算思維的概念被提出后，計算思維逐漸成為信息化社會中每名社會成員都需要具備的一向基本思維技能。計算思維的獲得對學生提升對問題的解決能力具有非常重要的應用意義。在《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中確定信息技術學科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任四個核心要素組成[4]。在基礎教育階段，雖然相關課程沒有直接提出計算思維這一概念，但是在五、六年級的拓展課程“算法與程序設計入門”中體現(xiàn)了計算思維的培養(yǎng)。這都充分說明了培養(yǎng)學生的計算思維能力具有重要意義。

2 基于STEM教育理念培養(yǎng)計算思維

計算思維并不是計算機科學家所獨有的思維，就像讀、寫、算一樣，是現(xiàn)代信息社會每個人都應具備的一項基本能力。因此，計算思維不僅存在于信息技術課程中，也存在于其他學科的課程中。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學（Mathematics）的融合，在教學實踐中又不局限于上述內容[5]。STEM跨學科整合的目的自然不僅僅限于“看世界”，更在于“做東西”，通過“做東西”去解決某種問題[6]，在解決問題的過程中培養(yǎng)學生的計算思維。美國密歇根州立大學教育技術系教授亞達夫認為，計算思維本身就是跨學科技能，已經融入許多學科，尤其是STEM學科，學生在掌握計算思維能力后就是要用于解決其他學科問題[7]。英國教育對計算思維的培養(yǎng)融合于語文、數(shù)學、物理等學習中，這種跨學科教育經驗的逐步積累，為計算思維的培養(yǎng)拓展出新路徑[8]。

Karp教授研究指出，通過跨學科教學設計，有利于提高學生的問題解決能力，促進知識遷移，使學生能夠逐步理解問題并生成問題解決路徑[9]，而在這種逐步理解并解決問題的過程中培養(yǎng)學生的計算思維具有良好的效果。因此，基于STEM教育理念采用跨學科整合的教育方式對于計算思維的培養(yǎng)具有重要作用。

3 圖形化編程與小學數(shù)學結合

目前，我國中小學計算思維的培養(yǎng)以及編程教育等相關內容是在信息技術課中展開的，而計算思維的培養(yǎng)不僅僅局限于信息技術課程，在其他學科課程中也有所體現(xiàn)。因此，有學者提倡，應在其他學科教學中進一步發(fā)展學生的計算思維能力[10]。那么，如何進行跨學科課程的整合以培養(yǎng)小學生的計算思維能力，就成為本研究的重點。有相關學者研究發(fā)現(xiàn)，學生的數(shù)學態(tài)度對計算思維能力有顯著的正向影響，換而言之，提升學生的數(shù)學態(tài)度是培養(yǎng)學生的計算思維的有效途徑之一[11]。數(shù)學是小學階段的核心學科，它關系到學生算法思維的形成以及邏輯思維的發(fā)展。算法思維是計算思維五大核心概念之一，是利用計算思維解決問題時的必備能力。因此，在數(shù)學教學中培養(yǎng)學生的算法思維也是培養(yǎng)計算思維的有效途徑之一。另外，數(shù)學思維是利用邏輯分析能力將復雜的問題轉化為一個個簡單的問題并求解的過程，而計算思維也是將復雜的問題轉化為一個個小問題分步解決，可見學生數(shù)學思維的形成會進一步促進計算思維的發(fā)展。

在基礎教育階段，圖形化編程教育是培養(yǎng)計算思維的主要教學方式。圖形化編程軟件所采用的圖形界面由不同類型的積木塊組成，使用者不需要掌握復雜的計算機語言和難以理解的代碼，只需對積木塊進行簡單拼接即可構建出可以運行的程序。圖形化編程軟件極大地降低了學習編程的門檻，適合沒有編程基礎的小學生，可以提高學生學習編程的興趣，有利于促進基礎教育領域中學生計算思維能力的培養(yǎng)。圖形化編程軟件有“運算”模塊，該模塊由各種數(shù)學符號積木塊組成，可以用于數(shù)學教學中不同等式的運算以及圖形的學習。另外，圖形化編程作為學習數(shù)學的工具，讓學生在做中學并解決相應的數(shù)學難題，以此激發(fā)學生自主探究、自主學習的積極性，以及培養(yǎng)學生的數(shù)學態(tài)度和計算思維能力。

目前，各種圖形化編程軟件層出不窮，種類豐富。本研究采用的圖形化編程平臺是菠蘿編程（www.boboluoluo.com），這是一款免費的在線學習編程網站。這種在線平臺使用環(huán)境簡單，只需登錄網址就可以免費試用，省去了安裝軟件的過程，無論是在課上還是課下，學生都可以使用電腦、智能手機或平板電腦登錄網址進入編程頁面學習。另外，菠蘿編程網站中上傳了許多他人做得比較好的作品，學生在每個作品下面可以互相評論交流，有助于激發(fā)創(chuàng)作的積極性。并且學生可以在網站上參考或修改他人作品，在此過程中得到創(chuàng)作靈感。

菠蘿編程平臺主要由四個部分組成，如圖1所示。

1）模塊區(qū)。模塊區(qū)由各種功能的模塊圖標組成，共有運動、外觀、聲音、畫筆、控制、探測、運算、變量等八大模塊。

2）腳本區(qū)。學生將模塊拖放到腳本區(qū)即可進行編程，有時需要自己設置參數(shù)。

3）角色背景區(qū)。學生可以在該區(qū)看到所添加的角色和背景。

4）舞臺區(qū)。該區(qū)是程序效果展示的地方，學生可以在該區(qū)看見自己所做動畫的效果。

本研究將圖形化編程與小學數(shù)學課程相結合，在小學數(shù)學教學中將圖形化編程平臺即菠蘿編程平臺作為學生學習數(shù)學的工具，并采用案例設計的方式探索如何在小學數(shù)學教學中培養(yǎng)學生的計算思維能力。

4 小學數(shù)學教學中的具體案例設計

設計思路? 通過國內外學者對計算思維所下定義可知計算思維與問題解決有著密不可分的聯(lián)系。所以，教師要注重培養(yǎng)學生的問題意識，提高其學習能力，以此促進其計算思維的發(fā)展。PBL教學方法以問題為導向，幫助學生梳理問題思路，有助于從側面激發(fā)學生自主解決問題的積極性[12]。PBL教學法所涉及的問題均來自現(xiàn)實世界，當學生投入到解決真實世界的問題中時，能夠激發(fā)解決問題的興趣以及對知識技能進行遷移。與此同時，PBL教學法還強調小組合作交流，通過小組分工合作的形式，將大問題分解成小問題后分配給各個小組，最后將各小組的答案進行匯總，從而得到解決問題的最終答案。各小組成員在交流過程中，在思維碰撞中分享答案，從而對問題的理解更加透徹。

在培養(yǎng)學生計算思維能力的教學過程中創(chuàng)設問題情境，讓學生以小組合作的形式圍繞某一問題尋求解決方案，這正與PBL的教學理念相吻合。因此，本研究將PBL教學方法與計算思維核心概念相結合，設計以學生為中心，通過小組合作的學習方式解決問題，進而培養(yǎng)學生計算思維能力的教學過程模型，如圖2所示。

該教學過程以學生為中心，而教師作為學生學習的引導者，首先，依據(jù)教學目標創(chuàng)設教學情境，提出教學問題;其次，以圖形化編程為工具，引導學生把數(shù)學問題轉化為編程問題，轉化的目的是利用編程游戲解決數(shù)學問題;再次，促使學生將編程設計問題進行分解，簡化為一個個小問題并逐一解決，在學生解決問題的過程中為他們提供一些學習資料，以及組織學生以小組合作的方式解決問題;最后，可以組織學生對當堂內容作出總結，并對學習過程進行評價。評價始終與學習過程相伴，在不同教學環(huán)節(jié)評價都是不可或缺的。如在抽象問題教學環(huán)節(jié)，小組以思維導圖的方式設計編程方案，各小組間對編程方案進行評價并給出修改意見。評價包括學生自評、學生互評、教師評價三種評價。

教學過程中的教學環(huán)節(jié)分別對應培養(yǎng)計算思維的五大核心概念：轉化問題對應培養(yǎng)學生的抽象思維;大問題分解為小問題對應培養(yǎng)學生的分解思維;根據(jù)數(shù)學知識創(chuàng)作編程游戲對應培養(yǎng)學生的算法思維;組織學生總結評價對應培養(yǎng)學生的歸納思維和評價思維。由于評價貫穿教學全過程，所以每一教學環(huán)節(jié)也都對應評價思維的培養(yǎng)。

案例設計? 本案例選取的學科主題內容是人教版小學數(shù)學五年級上冊第四章中的“可能性：擲一擲”這一單元，本節(jié)課的教學目標是讓學生通過討論事件發(fā)生的可能性，理解游戲規(guī)則的公平性。因此，學生需要根據(jù)教師提供的事例思考其可能性。這種預判式學習有利于加深學生印象，認識到生活中概率知識的應用價值。在教學過程中，教師會通過引導學生制作編程游戲解決相應的數(shù)學問題，在學習本節(jié)課知識點的同時培養(yǎng)學生的計算思維能力。

1）創(chuàng)設情境，提出問題。首先，教師可以結合學生的實際生活創(chuàng)設生活化的問題情境，激發(fā)學生的探索欲：

小明和小華舉辦了一場擲骰子游戲，游戲規(guī)則是：小明和小華一起擲兩枚骰子，如果擲出的和在（2、3、4、10、11、12）這六個數(shù)中，則小明獲勝;如果擲出的和在（5、6、7、8、9）這五個數(shù)中，則小華獲勝。請同學們組成小組探討小明和小華誰獲勝的概率大。

2）引導學生，抽象問題。結合教師提問，學生開始利用圖形化編程制作擲骰子游戲，在游戲中探討誰贏的概率大，并根據(jù)游戲結果填寫表1所示統(tǒng)計表。那么，怎么在圖形化編程中制作擲骰子游戲呢？這是學生亟待思考的問題。此時，教師可以將數(shù)學問題進行轉化，引導學生運用編程思維來思考。因為骰子數(shù)是隨機出現(xiàn)的，所以兩個骰子的和也是隨機的。學生應該在圖形化編程中設計兩個隨機數(shù)，并求這兩個隨機數(shù)的和，觀察和出現(xiàn)的概率并做好記錄。在把問題抽象后，教師讓學生以小組為單位，設計擲骰子游戲的編程方案。首先，各小組之間制作思維導圖展示游戲設計方案;其次，完成思維導圖的制作后，各小組之間相互評價并提出修改意見;最后，在修改過后，各小組完成擲骰子游戲的方案設計。

3）促進學生分解問題。教師開始引導學生在菠蘿編程平臺中設計程序，制作游戲。教師督促學生在組內分工進行探討，將編程中的問題分解為一個個小問題并分步解決。在這一過程中，學生將學會如何與他人合作分析問題并解決問題。程序步驟設計如下。

步驟1：開始游戲需要有一個開始按鍵，這個開始按鍵任意選擇，可以是小綠旗，也可以是鍵盤上的任意按鍵，當按下該按鍵時，開始擲骰子游戲。

步驟2：新建三個變量，分別命名為“骰子1號”“骰子2號”以及“和”，點擊“變量—新建一個變量”。

步驟3：設置隨機數(shù)。因為骰子數(shù)是從1到6，所以將骰子1號和骰子2號分別設定為從1到6之間隨機選一個數(shù)，點擊“運算—在x到x間隨機選一個數(shù)”。

步驟4：設置和。把和設定為骰子1號加骰子2號，點擊“運算—加法符號”。

步驟5：設置暫停鍵，記錄結果。使程序重復執(zhí)行直到按下暫停鍵，該暫停鍵由學生隨機設置，點擊“控制—重復執(zhí)行直到”以及“探測—按下了X鍵”。

游戲程序完成后，學生小組每擲一次骰子，就在統(tǒng)計表中記錄一次結果。完整程序設計如圖3所示。

4）幫助學生解決問題。通過學生填寫的統(tǒng)計表結果發(fā)現(xiàn)，有五個和的小華獲勝次數(shù)較多，而在開始游戲之前有部分學生認為有六個和的小明會獲勝。這時，教師與學生從數(shù)學的角度一起探討小華獲勝的原理，通過探討發(fā)現(xiàn)，5～9這一組數(shù)的組合有24種，而其余的數(shù)的組合一共只有12種，其中和是7的可能性最大，因此，小華獲勝的次數(shù)較多。

5）組織學生總結與評價。本節(jié)課以圖形化編程為工具，讓學生通過小組制作編程程序來探討擲兩枚骰子，哪些和出現(xiàn)的可能性多的問題，從而激發(fā)學生的學習興趣以及探索知識的欲望。在本節(jié)教學結束后，教師需要對新學內容進行梳理、提煉、總結，學生需要分享本節(jié)課的收獲以及遇見了哪些困難，怎樣解決這些困難的。教師要結合學生的實際表現(xiàn)引導學生進行自主評價，了解學生的學習目標是否完成并對知識進行遷移，促進教學目標的完成。學生在教學中的問題解決能力與態(tài)度能夠反映計算思維培養(yǎng)目標的達成情況。

5 總結與展望

現(xiàn)階段許多課程的設計較為單一且枯燥無味，這樣的課程設計會減弱學生的學習動機，進而使學生的思維受限，難以優(yōu)質發(fā)展。本研究基于STEM教育理念，以跨學科結合的教學方式將圖形化編程與小學數(shù)學相結合，在學習數(shù)學的同時培養(yǎng)學生的計算思維能力。這種教學方式打破了學生以往的學習模式，讓學生在小組合作、動手制作中學習，使學生學習數(shù)學不再枯燥乏味，而是充滿趣味性。并結合具體教學案例，探討如何將圖形化編程與小學數(shù)學相結合，在小學數(shù)學教學中培養(yǎng)學生的計算思維能力，以期為基礎教育階段小學數(shù)學教師培養(yǎng)學生的計算思維能力提供借鑒與參考。■

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