在“STEM+项目”中培养学生计算思维的实践探究

程育艳

STEM教育强调跨学科的整合学习，尤其强调通过以工程为核心的设计和制造活动来解决生活中真实而有意义的问题。美国卡内基·梅隆大学周以真教授提出，计算思维是一个运用计算机科学基础概念进行系统设计、解决问题与人类行为理解的过程。以上两种阐述在真实问题解决方面具有一定的融通之处。为此，笔者尝试在“STEM+项目”中培养学生的计算思维，现以“制作雨量器”项目中的“水循环”探究活动为例加以阐述。

一、背景介绍

STEM教育是融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的教育，但不仅限于这四个领域。它倡导以項目式的学习方式融合多学科的内容，解决真实环境下的实际问题。STEM强调通过课程融合帮助学生将不同课程中学到的知识融会贯通，并运用于实际生活，借此获得综合性发展。这对学生的成长和社会的发展都具有重要意义。

计算思维是计算机科学实践的核心，是21世纪公民的一项基本素养。依据我国高中信息技术新课标中的界定，计算思维是信息技术学科的核心素养之一。2016年，美国计算机科学协会（ACM）联合其他部门发布了《K-12计算机科学框架》，提倡将计算机科学与数学、工程、科学等多学科进行整合，通过STEM教育等方式，促进学科间的融合。总之，探索“STEM+项目”试图为学生提供真实问题情境下的深入思考和探究实践，学习问题解决的新方法，拓展计算思维的培养空间。

二、实例探究

1.项目描述

在“制作雨量器”的STEM项目中，学生首先要学习“雨的形成（以下简称水循环）”“风向和雨”等基础知识，再在此基础上发现问题——怎样测量雨量（雨量器的作用）；定义问题与分析问题——雨量器的草图设计；解决问题——雨量器的制作、测试、分享、改进及展示。这样，学生在一个真实的项目情境中进行深入思考与探究性实践，通过“发现问题—定义与分析问题—解决问题”的思维路径展开探究式学习。仅以“水循环”为例，学生将通过“数据抽取—抽象模型—算法优选—编程模拟”，经历一个计算思维的训练过程。

2.项目实践

一是数据抽取。小组讨论“雨从哪儿来，又到哪儿去”，并借助思维导图梳理观点、观看微视频“雨的形成”、在网上搜索资料等活动，了解相关信息并获得数据，进而得出水的三态（固态、液态和气态）、水循环的三个步骤（蒸发、冷凝、降水）、水循环的三种途径（海陆间循环、陆地内循环和海上内循环），以及水循环的意义——维持地球上水的动态平衡、维持地球的热量平衡、联系海陆间的重要纽带、塑造地表形态。

二是抽象模型。抽象作为计算思维的常用方法，是计算机科学教育主要培养的目标之一。抽象是将某一过程或某一信息集合简化，只保留某些重要特征以便获取计算方法；通过去除个别化属性、提取公共要素来概括多种情境或事物，从而创建普适性方案。在实际学习与生活中，学生要运用抽象的方法提取事物的关键特征，并与其他事物建立关系，进而根据以往经验制订合理的解决方案。在“水循环”活动中，教师引导学生借助思维可视化工具将隐性的知识显性化，并抽象出模型。这样，就能得到“水的三态循环”模型和“大自然中常见的水循环模式”。其中“水的三态循环”模型包括：水在液态下通过吸热汽化变成气态，或者通过放热凝固成固态；水在气态下通过放热液化成液态，或者通过放热凝华成固态；水在固态下通过吸热熔化成液态，或者通过吸热升华成气态。

三是算法优选。结合抽象模型提取算法，在教师的引导下各小组自主设计完成小实验。每个小组的实验材料和实验内容略有不同，在此以其中一个小组的实验为例。实验材料包括：保鲜膜1张、大容器1个（保鲜盒）、热水1杯、小容器1个（酸奶盒）、冰块2～3块。实验主要步骤包括：将酸奶盒放入保鲜盒中心，开口朝上；往保鲜盒内加入热水，不能浸没酸奶盒；用保鲜膜封住保鲜盒；将冰块放在酸奶盒上方的保鲜膜上；观察实验现象。最后，每个小组要完整地写出实验报告。学生通过探究，不仅知道了如何借助水循环更好地回收水并进行再利用，还可以把这些知识和方法迁移到生活中。

四是编程模拟。首先，利用流程图梳理“水的三态循环”程序。程序开始，水以液态的形式呈现在舞台上，舞台的一侧有“升温”“降温”按钮，单击“升温”按钮，温度值不断上升，当高于100摄氏度时则变成气态形式，单击“降温”按钮，温度值不断下降，当低于0摄氏度时则变成固态形式。其次，编程模拟实现。使用Scratch编程需要确定三大要素，即舞台、角色和脚本。在“水的三态循环”程序中，主要角色是液态水宝宝、固态水宝宝、气态水宝宝，脚本语句中主要运用了循环语句、判断语句及逻辑判断。调用舞台背景后，通过单击“升温”“降温”按钮控制温度变化，模拟实现水的三态循环。

三、实践反思

1.寻找STEM教育和编程教学融合的契机

笔者分析了《2017地平线报告（基础教育版）》中“技术促进教育的六大趋势”，结合上海市闵行区七宝明强小学的STEM课程和编程课程开展的情况进行了梳理，旨在寻找STEM教育和编程教学融合的契机，最终对编程教学模块作出校本化调整。根据学生的年龄特点，在编程教学中选用了Scratch软件。Scratch是美国麻省理工学院开发的一套开源程序，专门为八岁以上儿童设计。借助此软件，主要是为了让学生在编程过程中，提高逻辑思维能力、数字化文化创作能力和解决问题的能力并让学生感受到学习的乐趣。笔者在“制作雨量器”项目的“水循环”活动中将两者进行了融合，收到了较好的效果。实践证明，学生在真实问题情境中进行探究，运用编程辅助解决问题，有利于计算思维的培养。

2.借助思维可视化工具培养学生的计算思维

人与计算机沟通的方式是使用程序设计语言。每一种程序设计语言都有自己的指令、语法和符号，人们将这些指令按照一定的语法规则进行组合，完成所需功能，就是程序设计。借助流程图梳理得出“水的三态循环”程序实现的过程，较好地帮助学生理清了思路，最终通过程序模拟实现了生活中水的“三态循环”，有利于培养学生的计算思维。在“水循环”探究活动中借助了思维可视化工具，帮助学生将隐性知识显性化，也有利于学生计算思维的发展。

（责任编辑 郭向和）