基于STEM教育理念的小学生计算思维能力培养研究

牛冬雪 庄天宝

摘  要 随着计算思维成为教育领域的研究热点，许多专家和学者对计算思维的培养问题进行研究与探索。在借鉴国内外培养计算思维的教学方法后，提出基于STEM教育理念，将图形化编程与小學数学进行跨学科整合，培养学生的计算思维能力，并设计数学教学中的具体实施案例，以期为小学数学教师培养学生的计算思维能力提供借鉴与参考。

关键词 计算思维;STEM教育;图形化编程;小学数学;PBL教学方法

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）07-0051-05

0 引言

随着信息技术的发展，计算思维成为现代社会公民必备的技能之一。通过查阅计算思维相关文献不难看出，目前我国对计算思维的培养研究主要集中在高等教育领域，对基础教育阶段学生计算思维能力的培养仍处于探索阶段，尚未构成较为系统的计算思维培养方案，而国外对计算思维的培养研究则涵盖了学前教育到高等教育的所有学龄段。因此，我国越来越多的学者认识到仅将计算思维局限于高等教育领域是远远不够的，在基础教育阶段就要重视并强化学生的计算思维，将其作为学生综合能力培养的重要内容。STEM教育作为一种跨学科融合的教育方式，着重于将不同学科知识相融合，提高学生的创新创造能力以及培养学生在现实生活中解决问题的能力，这种跨学科融合的教育理念对学生计算思维能力的培养大有裨益。本文基于STEM教育理念，将信息技术与小学数学两门学科相结合，在小学数学教学中培养学生的计算思维能力，促进学生综合素养的发展，以期为小学数学教师培养学生的计算思维能力以及在教学创新方面提供一些有益参考。

1 计算思维的概念及其培养意义

2006年，周以真对计算思维作出概念界定：计算思维是建立在人机互动基础上所形成的思维模式，其中包含系统设计、问题探究以及行为理解的思维活动[1]。这引起国内外学者对计算思维的广泛关注。美国国际教育技术协会与计算机科学教师协会联合对计算思维的操作性定义进行界定，对运用计算思维进行问题解决的过程作了具体表述。该定义将计算思维界定为问题解决的过程[2]。任友群等[3]研究指出，计算思维更接近一种思维过程，是理解、分析、解决问题中所形成的方式方法，能够帮助学习者理解抽象和复杂的问题，并在此基础上形成系统化、模块化的问题应对方案。国内外学者对计算思维所下定义说明计算思维与问题解决有着密不可分的联系，因此可以通过培养学生的问题解决能力进而培养学生的计算思维能力。

自从计算思维的概念被提出后，计算思维逐渐成为信息化社会中每名社会成员都需要具备的一向基本思维技能。计算思维的获得对学生提升对问题的解决能力具有非常重要的应用意义。在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中确定信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成[4]。在基础教育阶段，虽然相关课程没有直接提出计算思维这一概念，但是在五、六年级的拓展课程“算法与程序设计入门”中体现了计算思维的培养。这都充分说明了培养学生的计算思维能力具有重要意义。

2 基于STEM教育理念培养计算思维

计算思维并不是计算机科学家所独有的思维，就像读、写、算一样，是现代信息社会每个人都应具备的一项基本能力。因此，计算思维不仅存在于信息技术课程中，也存在于其他学科的课程中。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）的融合，在教学实践中又不局限于上述内容[5]。STEM跨学科整合的目的自然不仅仅限于“看世界”，更在于“做东西”，通过“做东西”去解决某种问题[6]，在解决问题的过程中培养学生的计算思维。美国密歇根州立大学教育技术系教授亚达夫认为，计算思维本身就是跨学科技能，已经融入许多学科，尤其是STEM学科，学生在掌握计算思维能力后就是要用于解决其他学科问题[7]。英国教育对计算思维的培养融合于语文、数学、物理等学习中，这种跨学科教育经验的逐步积累，为计算思维的培养拓展出新路径[8]。

Karp教授研究指出，通过跨学科教学设计，有利于提高学生的问题解决能力，促进知识迁移，使学生能够逐步理解问题并生成问题解决路径[9]，而在这种逐步理解并解决问题的过程中培养学生的计算思维具有良好的效果。因此，基于STEM教育理念采用跨学科整合的教育方式对于计算思维的培养具有重要作用。

3 图形化编程与小学数学结合

目前，我国中小学计算思维的培养以及编程教育等相关内容是在信息技术课中展开的，而计算思维的培养不仅仅局限于信息技术课程，在其他学科课程中也有所体现。因此，有学者提倡，应在其他学科教学中进一步发展学生的计算思维能力[10]。那么，如何进行跨学科课程的整合以培养小学生的计算思维能力，就成为本研究的重点。有相关学者研究发现，学生的数学态度对计算思维能力有显著的正向影响，换而言之，提升学生的数学态度是培养学生的计算思维的有效途径之一[11]。数学是小学阶段的核心学科，它关系到学生算法思维的形成以及逻辑思维的发展。算法思维是计算思维五大核心概念之一，是利用计算思维解决问题时的必备能力。因此，在数学教学中培养学生的算法思维也是培养计算思维的有效途径之一。另外，数学思维是利用逻辑分析能力将复杂的问题转化为一个个简单的问题并求解的过程，而计算思维也是将复杂的问题转化为一个个小问题分步解决，可见学生数学思维的形成会进一步促进计算思维的发展。

在基础教育阶段，图形化编程教育是培养计算思维的主要教学方式。图形化编程软件所采用的图形界面由不同类型的积木块组成，使用者不需要掌握复杂的计算机语言和难以理解的代码，只需对积木块进行简单拼接即可构建出可以运行的程序。图形化编程软件极大地降低了学习编程的门槛，适合没有编程基础的小学生，可以提高学生学习编程的兴趣，有利于促进基础教育领域中学生计算思维能力的培养。图形化编程软件有“运算”模块，该模块由各种数学符号积木块组成，可以用于数学教学中不同等式的运算以及图形的学习。另外，图形化编程作为学习数学的工具，让学生在做中学并解决相应的数学难题，以此激发学生自主探究、自主学习的积极性，以及培养学生的数学态度和计算思维能力。

目前，各种图形化编程软件层出不穷，种类丰富。本研究采用的图形化编程平台是菠萝编程（www.boboluoluo.com），这是一款免费的在线学习编程网站。这种在线平台使用环境簡单，只需登录网址就可以免费试用，省去了安装软件的过程，无论是在课上还是课下，学生都可以使用电脑、智能手机或平板电脑登录网址进入编程页面学习。另外，菠萝编程网站中上传了许多他人做得比较好的作品，学生在每个作品下面可以互相评论交流，有助于激发创作的积极性。并且学生可以在网站上参考或修改他人作品，在此过程中得到创作灵感。

菠萝编程平台主要由四个部分组成，如图1所示。

1）模块区。模块区由各种功能的模块图标组成，共有运动、外观、声音、画笔、控制、探测、运算、变量等八大模块。

2）脚本区。学生将模块拖放到脚本区即可进行编程，有时需要自己设置参数。

3）角色背景区。学生可以在该区看到所添加的角色和背景。

4）舞台区。该区是程序效果展示的地方，学生可以在该区看见自己所做动画的效果。

本研究将图形化编程与小学数学课程相结合，在小学数学教学中将图形化编程平台即菠萝编程平台作为学生学习数学的工具，并采用案例设计的方式探索如何在小学数学教学中培养学生的计算思维能力。

4 小学数学教学中的具体案例设计

设计思路  通过国内外学者对计算思维所下定义可知计算思维与问题解决有着密不可分的联系。所以，教师要注重培养学生的问题意识，提高其学习能力，以此促进其计算思维的发展。PBL教学方法以问题为导向，帮助学生梳理问题思路，有助于从侧面激发学生自主解决问题的积极性[12]。PBL教学法所涉及的问题均来自现实世界，当学生投入到解决真实世界的问题中时，能够激发解决问题的兴趣以及对知识技能进行迁移。与此同时，PBL教学法还强调小组合作交流，通过小组分工合作的形式，将大问题分解成小问题后分配给各个小组，最后将各小组的答案进行汇总，从而得到解决问题的最终答案。各小组成员在交流过程中，在思维碰撞中分享答案，从而对问题的理解更加透彻。

在培养学生计算思维能力的教学过程中创设问题情境，让学生以小组合作的形式围绕某一问题寻求解决方案，这正与PBL的教学理念相吻合。因此，本研究将PBL教学方法与计算思维核心概念相结合，设计以学生为中心，通过小组合作的学习方式解决问题，进而培养学生计算思维能力的教学过程模型，如图2所示。

该教学过程以学生为中心，而教师作为学生学习的引导者，首先，依据教学目标创设教学情境，提出教学问题;其次，以图形化编程为工具，引导学生把数学问题转化为编程问题，转化的目的是利用编程游戏解决数学问题;再次，促使学生将编程设计问题进行分解，简化为一个个小问题并逐一解决，在学生解决问题的过程中为他们提供一些学习资料，以及组织学生以小组合作的方式解决问题;最后，可以组织学生对当堂内容作出总结，并对学习过程进行评价。评价始终与学习过程相伴，在不同教学环节评价都是不可或缺的。如在抽象问题教学环节，小组以思维导图的方式设计编程方案，各小组间对编程方案进行评价并给出修改意见。评价包括学生自评、学生互评、教师评价三种评价。

教学过程中的教学环节分别对应培养计算思维的五大核心概念：转化问题对应培养学生的抽象思维;大问题分解为小问题对应培养学生的分解思维;根据数学知识创作编程游戏对应培养学生的算法思维;组织学生总结评价对应培养学生的归纳思维和评价思维。由于评价贯穿教学全过程，所以每一教学环节也都对应评价思维的培养。

案例设计  本案例选取的学科主题内容是人教版小学数学五年级上册第四章中的“可能性：掷一掷”这一单元，本节课的教学目标是让学生通过讨论事件发生的可能性，理解游戏规则的公平性。因此，学生需要根据教师提供的事例思考其可能性。这种预判式学习有利于加深学生印象，认识到生活中概率知识的应用价值。在教学过程中，教师会通过引导学生制作编程游戏解决相应的数学问题，在学习本节课知识点的同时培养学生的计算思维能力。

1）创设情境，提出问题。首先，教师可以结合学生的实际生活创设生活化的问题情境，激发学生的探索欲：

小明和小华举办了一场掷骰子游戏，游戏规则是：小明和小华一起掷两枚骰子，如果掷出的和在（2、3、4、10、11、12）这六个数中，则小明获胜;如果掷出的和在（5、6、7、8、9）这五个数中，则小华获胜。请同学们组成小组探讨小明和小华谁获胜的概率大。

2）引导学生，抽象问题。结合教师提问，学生开始利用图形化编程制作掷骰子游戏，在游戏中探讨谁赢的概率大，并根据游戏结果填写表1所示统计表。那么，怎么在图形化编程中制作掷骰子游戏呢？这是学生亟待思考的问题。此时，教师可以将数学问题进行转化，引导学生运用编程思维来思考。因为骰子数是随机出现的，所以两个骰子的和也是随机的。学生应该在图形化编程中设计两个随机数，并求这两个随机数的和，观察和出现的概率并做好记录。在把问题抽象后，教师让学生以小组为单位，设计掷骰子游戏的编程方案。首先，各小组之间制作思维导图展示游戏设计方案;其次，完成思维导图的制作后，各小组之间相互评价并提出修改意见;最后，在修改过后，各小组完成掷骰子游戏的方案设计。

3）促进学生分解问题。教师开始引导学生在菠萝编程平台中设计程序，制作游戏。教师督促学生在组内分工进行探讨，将编程中的问题分解为一个个小问题并分步解决。在这一过程中，学生将学会如何与他人合作分析问题并解决问题。程序步骤设计如下。

步骤1：开始游戏需要有一个开始按键，这个开始按键任意选择，可以是小绿旗，也可以是键盘上的任意按键，当按下该按键时，开始掷骰子游戏。

步骤2：新建三个变量，分别命名为“骰子1号”“骰子2号”以及“和”，点击“变量—新建一个变量”。

步骤3：设置随机数。因为骰子数是从1到6，所以将骰子1号和骰子2号分别设定为从1到6之间随机选一个数，点击“运算—在x到x间随机选一个数”。

步骤4：设置和。把和设定为骰子1号加骰子2号，点击“运算—加法符号”。

步骤5：设置暂停键，记录结果。使程序重复执行直到按下暂停键，该暂停键由学生随机设置，点击“控制—重复执行直到”以及“探测—按下了X键”。

游戏程序完成后，学生小组每掷一次骰子，就在统计表中记录一次结果。完整程序设计如图3所示。

4）帮助学生解决问题。通过学生填写的统计表结果发现，有五个和的小华获胜次数较多，而在开始游戏之前有部分学生认为有六个和的小明会获胜。这时，教师与学生从数学的角度一起探讨小华获胜的原理，通过探讨发现，5～9这一组数的组合有24种，而其余的数的组合一共只有12种，其中和是7的可能性最大，因此，小华获胜的次数较多。

5）组织学生总结与评价。本节课以图形化编程为工具，让学生通过小组制作编程程序来探讨掷两枚骰子，哪些和出现的可能性多的问题，从而激发学生的学习兴趣以及探索知识的欲望。在本节教学结束后，教师需要对新学内容进行梳理、提炼、总结，学生需要分享本节课的收获以及遇见了哪些困难，怎样解决这些困难的。教师要结合学生的实际表现引导学生进行自主评价，了解学生的学习目标是否完成并对知识进行迁移，促进教学目标的完成。学生在教学中的问题解决能力与态度能够反映计算思维培养目标的达成情况。

5 总结与展望

现阶段许多课程的设计较为单一且枯燥无味，这样的课程设计会减弱学生的学习动机，进而使学生的思维受限，难以优质发展。本研究基于STEM教育理念，以跨学科结合的教学方式将图形化编程与小学数学相结合，在学习数学的同时培养学生的计算思维能力。这种教学方式打破了学生以往的学习模式，让学生在小组合作、动手制作中学习，使学生学习数学不再枯燥乏味，而是充满趣味性。并结合具体教学案例，探讨如何将图形化编程与小学数学相结合，在小学数学教学中培养学生的计算思维能力，以期为基础教育阶段小学数学教师培养学生的计算思维能力提供借鉴与参考。■

参考文献

[1]Wing JM. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006（3）：33-35.

[2]杨倩倩，徐晓东.国外中学计算思维教育案例及分析[J].教育信息技术，2015（10）：27-30.

[3]任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？：也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：2-8.

[4]任友群，黄荣怀.高中信息技术课程标准修订说明 高中信息技术课程标准修订组[J].中国电化教育，2016（12）：

1-3.

[5]樊雅琴，黄若琳，崔迎，等.STEM教育背景下学生问题解决能力的培养[J].现代教育技术，2019（1）：114-119.

[6]杨开城，窦玲玉，李波，等.STEM教育的困境及出路[J].现代远程教育研究，2020（2）：20-28.

[7]亚达夫，钱逸舟.如何有效开展编程与计算思维教育：教师教育的视角[J].中国信息技术教育，2020（8）：4-8.

[8]Kong S C， Abelson H. Computational Thinking Edu-cation[M].Singapore： Springer Nature Singapore Pte Ltd，2019：345.

[9]Karp R M. Understanding Science Through the Com-

putational Lens[J].Journal of Computer Science & Tech-

nology，2011（4）：569-577.

[10]范文翔，張一春，李艺.国内外计算思维研究与发展综述[J].远程教育杂志，2018（2）：3-17.

[11]赵明，王小红，杨冬，等.中小学生计算思维能力影响因素分析[J].中国教育信息化，2020（6）：1-6.

[12]仲崇光.基于PBL的高等院校教学模式探讨[J].中国成人教育，2010（2）：123-124.