融入計算思維培養(yǎng)的小學STEM教學實踐研究—以“垃圾分類”為例

齊海燕 張永恒

摘? 要∶根據(jù)小學生的身心發(fā)展特點和認知特點，文章提出將計算思維融入小學六年級 STEM 課程教學中。以“垃圾分類”為例，提煉其中的計算思維元素，利用 Scratch 圖形化編程開展了教學設(shè)計的初步探索和實踐。

關(guān)鍵詞∶STEM;人工智能;計算思維;編程中圖法分類號∶G623??? 文獻標識碼∶A

Research on primary school STEM teaching practice with computational thinking training

————Take"garbage classification" as an example QI Haiyan，ZHANG Yongheng

（School of Physics， Changchun Normal University， Changchun 130032， China）

Abstract： According to the physical and mental development characteristics and cognitive characteristics of primary school students， this paper proposes to integrate computational thinking into the teaching of STEM courses in the sixth grade of primary schools. Taking"garbage classification” as an example， the computational thinking elements are extracted， and the preliminary exploration and practice of instructional design is carried out by using Scratch graphical programming.

Key words： STEM， artificial intelligence， computational thinking， programming

1背景

2015年，美國頒布的《STEM教育法（2015年）》中特地將計算機科學教育列入了STEM教育，法規(guī)中這樣界定術(shù)語STEM教育：指科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等學科的教育，其中還包括計算機科學的教育[1]。2022年，中華人民共和國教育部頒布《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》，明確了信息科技課程的核心素養(yǎng)內(nèi)涵，其中同樣包含計算思維[2]?？梢?，計算思維的重要性已經(jīng)在STEM教育及信息技術(shù)素養(yǎng)中日漸凸顯。

計算機科學的發(fā)展日新月異，計算技術(shù)無處不在，每天都會產(chǎn)生上億的海量信息數(shù)據(jù)，這些信息數(shù)據(jù)被小小的芯片處理計算，嵌入我們生活的方方面面。而計算思維是指個體應(yīng)用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動。計算思維傳承于數(shù)學算法思維，作為智能時代跨越學科存在的最基本思維方式，在解決數(shù)學、工程技術(shù)、科學等問題時至關(guān)重要，正是科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）的融合體現(xiàn)，在未來其必將成為衡量人才是否勝任智能化時代需求的重要標準[2]。

計算思維的培養(yǎng)與STEM教育融合具有天然的優(yōu)勢：首先，在數(shù)學和科學學科的核心知識中必然存在抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動。其次，應(yīng)用計算思維可豐富數(shù)學和科學概念的學習，而數(shù)學和科學的學習又可進一步促進計算思維的培養(yǎng)。最后，計算思維可以幫助學生完成模擬、仿真、驗證并解決問題，從而最終反思、優(yōu)化解決問題的方案，這恰好與STEM教育的目標不謀而合[3]。

2教學設(shè)計理念

基于上述計算思維培養(yǎng)與STEM課程融合的優(yōu)勢，以及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》等重要文件的精神和要求，本文將小學生計算思維的培養(yǎng)融入小學高年級STEM課程教學中，對課程的設(shè)計和開發(fā)進行了初步探索和實踐。

2.1通過學習算法，感知算法的特征

基于小學生思維發(fā)展規(guī)律，五、六年級學生的思維基本上才開始由具象轉(zhuǎn)換為抽象。在計算思維初步形成的過程中，需要充分考慮小學生的身心發(fā)展特點和認知特點，不應(yīng)該過多涉及難以理解的復雜算法邏輯和編程知識。否則，反而讓小學生望而生畏，覺得信息技術(shù)、人工智能等都是復雜的、遙不可及的，無法產(chǎn)生強烈的認同和興趣。應(yīng)該充分利用小學生的好奇心，以視覺效果明顯的游戲化圖形編程為切入點，從學習簡單的邏輯判斷開始，感知算法的特征，逐步實現(xiàn)向抽象思維模式的轉(zhuǎn)變。

2.2注重真實問題和情境創(chuàng)設(shè)結(jié)合，激發(fā)學生的學習興趣和好奇心

小學STEM課程尤其注重解決實際生活中的真實問題，同時為了激發(fā)學生的興趣和好奇心，也要根據(jù)實際情況合理創(chuàng)設(shè)情境。因此，情境的創(chuàng)設(shè)不是無源之水，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)實要解決的問題，引導學生發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)邏輯推理、條件判斷等，主動將腦海中的想法轉(zhuǎn)換成可操作的模型，進而利用現(xiàn)有條件，通過合作交流、探索實踐，最終找到最優(yōu)解決方案。

2.3利用邏輯流程圖示，輔助培養(yǎng)計算思維

在小學STEM課程中經(jīng)常使用PBL項目教學法，為了讓學生直觀地簡化復雜問題，可以把困難的任務(wù)進行分解，通過觀察、描述提取出重要信息，然后提出相應(yīng)的假設(shè)和邏輯推斷，最終把問題轉(zhuǎn)化為簡單的數(shù)學模型。而在這個過程中，條理清楚、邏輯清晰的流程圖示可以幫助學生一步步接近自己想要的結(jié)果，也可以在邏輯判斷中不斷梳理算法邏輯，從而達到程序各模塊之間協(xié)調(diào)調(diào)用和整體發(fā)揮作用的目標。

2.4聯(lián)系社會發(fā)展和工程實際，聚焦育人目標

小學生的價值觀還正在形成階段，感知能力強、約束能力差是其顯著特點，從育人的角度設(shè)計教學目標，適當?shù)募s束和正確的引導才是關(guān)鍵。小學STEM課程不僅關(guān)注學生科學知識與實驗技能的學習，更以跨學科的方式，將社會發(fā)展、工程實踐、個人生活緊密相聯(lián)系。在小學STEM課程目標設(shè)計時，應(yīng)該設(shè)立育人目標，將科技與社會責任相結(jié)合，注重在探究、合作、實際操作中培養(yǎng)學生的溝通能力、合作精神以及社會責任感。

3小學STEM教學設(shè)計案例—“垃圾分類”

本教學設(shè)計的教學對象是小學六年級學生。在這個學年段開展融入計算思維培養(yǎng)的STEM教學實踐具有以下三方面的優(yōu)勢：首先，六年級的小學生已經(jīng)完成了四則運算基礎(chǔ)知識學習，對簡單的邏輯條件判斷已經(jīng)具備識別能力。其次，在之前的編程學習中，六年級的小學生已經(jīng)初步認識了Scratch圖形化編程的界面和環(huán)境，以及圖形化編程的表達和實現(xiàn)，對基本的執(zhí)行指令及其組合（動作、外觀、控制、偵測）有了一定程度的應(yīng)用。最后，本節(jié)課是在原有小學科學課程基礎(chǔ)上開展的STEM項目拓展，在教科版小學科學六年級下冊的“分類回收與利用”一節(jié)中，學生已經(jīng)對廢物處理、垃圾分類有了初步學習基礎(chǔ)。

基于上述學情分析，合理制定三維教學目標，將編程任務(wù)分解，幫助學生實現(xiàn)對基本指令模塊的綜合應(yīng)用和協(xié)調(diào)調(diào)用，在此過程中培養(yǎng)學生的邏輯判斷能力，初步形成計算思維，“垃圾分類”的教學設(shè)計案例如表1所列。

4總結(jié)

關(guān)于小學STEM課程中的計算思維培養(yǎng)，仍需要教師充分考慮小學生的身心發(fā)展特點和認知特點。挖掘和篩選教學內(nèi)容，提煉其中的計算思維元素，在真實情境中設(shè)計能被小學生理解和接受的故事情節(jié)，利用PBL項目教學法為驅(qū)動，激發(fā)主觀能動性，分解任務(wù)，逐步實習目標，從而培養(yǎng)解決問題的綜合能力，建構(gòu)其個人知識體系。

參考文獻：

[1]李琦.美國《STEM教育法（2015年）》生效[J].世界教育信息，2015，28（22）：76.

[2]于曉雅.計算思維：面向智能時代的基本思維[J].中國民族教育，2021（06）：15.

[3]李幸，張屹，黃靜，等.基于設(shè)計的STEM+C教學對小學生計算思維的影響研究[J].中國電化教育，2019（11）：104-112.

作者簡介：

齊海燕（1979—），博士，副教授，研究方向：計算思維。