在STEM校本科技课程中培养小学生计算思维能力

黎尚斌

一、计算思维及其特点

计算思维是人类在使用计算工具中形成并发展的思维，并在人类文明中与人类共存长达数千年。从古代的算盘到现代的手机，每个人都受到计算思维的影响。美国卡内基·梅隆大学的周以真教授指出，计算思维是指运用计算机科学的基本概念进行的一系列涵盖了相当广度的思维活动，例如问题解决，系统设计和人类行为理解等。可见，计算思维虽然在计算机科学中从朦胧走向明晰，却不仅仅应用于科学领域，它连结计算机科学与人类生活的方方面面，为人们提供了能广泛应用于工作、学习和生活的分析和解决问题的新视角、新途径。

对于尚处于成长关键期的中小学学生而言，这种灵活且全面性的思维模式体现了一种全人教育的精髓，它不仅帮助学生积极地投入现实应用场景，而且在人文科学、人际交往、实践创造等方面为学生提供理性分析问题和解决问题的新视角，为学生在高速发展的信息化社会更好地适应与发展打下坚实的思维基础。

二、STEM课程与计算思维培养的关系

正因为计算思维所蕴藏的的教育智慧和能量，所以计算思维被越来越多的教育者关注，并作为人才培养目标投入到教育改革浪潮中。對于如何培养学生的计算思维，也成为广大教育工作者孜孜探求的教育实践。对此笔者认为，STEM课程与计算思维有相关的契合点，而STEM课程的特点，也使其对于学生的计算思维的培养具有相当的优势。

其一，STEM课程强调学科的融合性。STEM课程其本质将是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Math）四门学科统一整合而成的课程领域，在这个课程领域中，各学科之间相互联系、相互贯通。计算思维培养是全人教育的一种体现，所以计算思维的培养无法在单一的课程中完成。而STEM课程的学科融合性特点，使其成为计算思维培养的丰沃土壤。例如在STEM课程中，在科学或是数学领域的演算和问题设置，可以在工程和技术领域得到建模的证实。STEM课程不仅给予了学生在抽象上设计问题和分析数据的基础，也提供了整合数据解决问题的途径，这种跨学科融合的综合课程，使学生的计算思维得以充分开发。

其二，STEM课程强调场景的重要性。基于中小学STEM校本课程和儿童早期的思维特点，STEM教育强调创造有趣的、贴近学生认知的场景进行教学。比如通过设计游戏、角色扮演、利用小程序等以增加教学趣味性，提高学生的兴趣，培养好奇心和专注力;又比如联系实际生活形成团队协作的场景，更好地帮助学生进行“人类行为理解”等社会性探索。STEM课程通过贯穿不同学科、整合不同资源，创设不同场景，使学生在课程学习中从能力的提高上升到思维的养成，计算思维的培养也因此在STEM教育中的流动式场景中得以实现。

三、在STEM课程教学中培养计算思维

App Inventor应用编程，是一门融合数学、现代科学、现代计算机技术的STEM课程，它以可视化、模块化的方式让学生学习编程，有别于以往枯燥的编程设计，有利于激发学习兴趣，促进学生主动学习。因此笔者以这门课程中《变魔术——初步认识App inventor应用编写》这一课的教学为例，探讨如何在STEM课程的教学中，通过开展不同的教学活动培养学生的计算思维。

1.以自主探究激活计算思维

App Inventor对代码进行封装，组成视觉效果丰富的模块和组件，学生通过拖放代码块便能轻松编程。丰富的视觉和简易的操作，不仅契合学生的认知特点，极大提高学生的学习兴趣，而且便于教师创设启发式的情境，引导学生开展自主探究学习。

在引入新知教学环节，教师以复习旧知识为导入，学生先复习选择组件、调整属性等系列操作，再生成二维码下载apk并安装，在安装后学生发现问题——不能调用组件变魔术。教师通过引导学生发现新难题，为其创设启发式的学习情境，而这一亟待解决的问题也成为学生跃跃欲试、进一步探究的动力。在带领学生探究的过程中，教师要注意有目的、有条理的设问和引导，这样才有助于在自主探究中，真正启发学生的计算思维。比如，笔者在学生进行自主探索前，设置了“为什么装上软件之后不能调动组件”“我们在制作中缺少了什么东西”“请问如何解决这个问题”，这些能引发学生层层深入思考的问题。在这些问题的引导下，学生利用电脑和设备进行自主探究学习，便潜移默化地形成发现问题、分析问题的能力，从而有效激活、锻炼计算思维。

2.以合作讨论深化计算思维

合作学习能够有效凸显学生的主体地位，培养学生的参与意识，发挥学生的创造能力，带动学生的共同进步，是教学活动中常用而卓有成效的方式。合作学习的形式多种多样，有小组讨论、合作探索、角色扮演等，教学中，以小组讨论的合作学习形式，引导学生在合作讨论中深化其计算思维。

教师以“使用导航指导驾驶”这一贴近学生生活的例子，启发学生思考，并让学生开展学习小组间的讨论。首先，笔者让学生讨论“导航靠什么”，学生经过激烈讨论，得出“汽车导航靠接收卫星信号”的结论;接着，笔者再让学生思考讨论“传递的信号需要包含哪些信息才能精确导航”，在教师的指引下，学生讨论分析了传递的信号需要包含高度、汽车速度和方位等信息。最后，笔者回归到本课教学，引导学生得出解决问题的关键所在——这一组件的调动需要运动来触发。可见经过系列的小组讨论，学生找到本课编程设计中的内在逻辑，从而有效的开发、培养了计算思维。

3.以操作实践锻炼计算思维

教学中，教师在学生讨论得出解决难题的关键点、找到其内在逻辑和规律后，便指导学生通过实践将讨论的问题设计成可实现的程序，以此锻炼其计算思维。首先，在学生动手实践前，播放视频让学生清楚这一应用要实现的多个功能，具体包括：出现图像——设备晃动、图像消失——侦测到物体运动、再次出现图像——调用照相机拍照。然后学生以小组为单位，对照所需的具体功能，共同进行代码块的编写，学生编写的代码块包括：①点击设备按钮1（Welcome！）出现图像1;②设备的加速度传感器被晃动，图像1消失;③设备的距离传感器侦测到有物体运动，图像1出现;④点击设备按钮2（拍照）调用照相机拍照;⑤拍照完成将拍照图像设置为图像1。最后，学生通过扫二维码进行检测编程结果。可见，学生在实践操作中，根据一定的逻辑，将需要解决的问题分解为清晰、具体的流程，并逐一加以实现，其分解能力、抽象能力和评估能力等计算思维能力得到深入锻炼。

[基金项目：广州市教育科学规划2018年度重点课题——“新一代信息技术在中职创客教育的应用研究”（项目编号201811592）的课题论文]