基于STEM的中小学信息技术编程课教学设计与研究

李静 王嘉庆

摘  要 基于STEM的中小学编程教学以学生为主体，以解决现实问题为主线，以培养和提升学生的编程技术与素养为基本目标，让每个学生亲自体验思考和解决问题的过程，通过合作探究、实践操作、展示交流等多种教学活动，促进知识的建构与内化，提升思维能力和解决现实中复杂问题的能力。

关键词 STEM;信息技术;编程课程;Scratch;信息素养;计算科学素养;思维导图

中图分类号：G623.58 G633.67    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）09-0116-03

0  前言

现代信息技术的快速发展对社会的发展产生巨大的推动作用，新一代信息技术作为国务院确定的七个战略性新兴产业之一，正在引发新一轮的产业变革，形成新的生产方式、商业模式和经济增长点。信息技术课对学生掌握现代信息技术知识，强化多学科知识融会贯通能力，提升自身综合素质，起到至关重要的作用。随着社会对人才需求的不断细化，以培养创新型、复合型人才为目的的STEM教育正逐步在全球普及推广，一些发达国家陆续制定本国的STEM教育发展规划，如美国最先将编程课程纳入STEM教育体系，并给予财政专项资金支持。因此，我国中小学信息技术课要适应STEM教育要求，积极开展编程课程，为未来培养创新型、复合型人才打下坚实基础。

1  STEM教育的概念与特性

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，简言之，STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育，依靠多学科的协同，培养学生解决现实问题的能力。STEM教育作为一种教学策略，具有跨学科性、趣味性、情境性、协作性、设计性等核心特征[1]，总体目标是通过符合STEM特性的教学活动，提升学生的思维能力和解决现实中复杂问题的能力。

2  中小学信息技术课现状与改革对策

目前，我国中小学信息技术课大多仍沿用传统教学方式，忽略了对学生基本信息素养的培养。主要体现在：信息技术课的教学内容过于简单机械，不能适应信息技术发展现状;课堂任务缺乏对现实问题的分析和解决，难以引起学生的学习兴趣;衡量教学效果的标准单一，限制了学生思维及能力的发展[2]。

2017年6月，中國教育科学研究院发布《中国STEM教育白皮书》，提出：STEM教育是面向所有学生的培养综合素质的载体[3]。2019年3月，教育部印发的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》中指出：推动在中小学阶段设置人工智能（AI）相关课程，逐步推广编程教育，推动大数据（Big Data）、虚拟现实（VR）等新技术在教育教学中的深入应用[4]。因此，中小学信息技术课应积极适应国家教育政策和STEM教育要求，针对小学高年级和中学阶段的学生开设编程课，引导学生用编程思想来分析和解决问题，有针对性地培养学生前瞻性、全局性、系统性、灵活性的思维和解决实际问题的能力。

3  编程课教学设计与实施

3.1  编程教学的思路和目标

STEM教育的最终目标是解决现实问题。基于STEM的中小学编程教学活动应以学生为主体，以解决现实问题为主线，以培养和提升学生的编程技术与素养为基本目标，让每个学生亲自体验思考和解决问题的过程，并通过一系列的教学活动，最终提升学生综合思维能力和解决现实问题的能力。

3.2  编程工具（语言）选择

鉴于中小学生的特点，一些主流编程语言，诸如C++、JAVA、Python具有结构复杂、逻辑思维抽象等特点，不适合中小学生学习。麻省理工学院（MIT）媒体实验室开发的Scratch编程工具，可以让学生在图形化、模块化的环境下，较轻松地理解程序设计的基本原理与思想，并在生动、活泼的情境中加以理解和掌握。目前，世界上一些发达国家已经将Scratch纳入编程入门课程系统。本文以Scratch编程教学作为研究对象，对Scratch编程教学进行剖析和设计。

3.3  Scratch课堂任务的开发和实施

编程课的教学应以任务驱动式教学为主线，因此，课堂编程任务的设计和实施是整个教学设计的核心。教师在课前应做足准备工作，广泛收集资料和案例，挖掘现实中可以通过编程来解决的问题，然后根据问题的特征和应用场合，构想适合学生特点的应用场景。教师在对编程任务的开发和选取上，要体现出任务的可行性和有效性，既不能超过学生的整体认知水平，又要保证学生通过编程实践提升多种能力。概括来讲，Scratch编程课堂任务应体现出STEM的跨学科性、趣味性、情境性、协作性、设计性等特性。Scratch课堂编程任务的开发和实施如图1所示。

3.3.1  跨学科性  Scratch课堂编程任务的选取应源于生活实践，任务可以是用程序来解决现实问题，也可以是用程序来做动画、游戏，进行互动式的艺术创作。这些任务具有跨学科、跨专业、综合性强等特点，帮助学生在完成任务的过程中不断扩充知识面，训练创新能力和逻辑思维能力。

3.3.2  趣味性  编程教学内容和形式的游戏化设计，可以增强编程教学的趣味性。游戏化学习起源于杜威的“做中学”思想，通过游戏和生活中的具体操作来获取知识和生活经验。同时，游戏也契合中小学生的心理发展特征和认知特点，有利于激发他们的学习兴趣，取得困难问题、非结构化问题的突破 [4]。

3.3.3  情境性  教师通过创设情境来提出Scratch编程任务，这样能够帮助学生快速与当下的应用需求进行对接，通过聚焦特定情境，使教学内容由抽象转为具体，通过具体情境下Scratch的设计与实现，使学生对编程知识与技能的掌握更有方向感，并较好地完成知识的迁移。

3.3.4  协作性  编程课的课堂任务具有跨学科性，对学生综合能力要求较高，教师应组织学生通过分组探讨、技术交流、分工合作、小组互评等方式，共同完成程序的设计与实现，培养学生的分工意识与团队协作能力。

3.3.5  设计性  程序作品的设计是学生对所学编程知识进行建构的过程，主要步骤包括分析任务、设计算法、编写程序、测试修改。学生通过作品设计的整个过程，可以有效促进知识的融合与迁移。

3.4  Scratch课堂教学流程设计

课堂开始，教师将问题通过情境再现的方式引入课堂并抛出编程任务，接下来可通过绘制思维导图、分组探讨等方式，帮助学生分析和理解编程任务。教师在设计Scratch教学内容和课堂活动方面，结合中小学阶段学生的身心发展特点，将教学内容和教学形式游戏化，以增强教学的趣味性和体验性。整个教学过程和课堂活动的开展，教师应有针对性地培养学生的团队协作能力，加强学生间的分工、合作与交流，引导学生对Scratch作品的分享与互评。本文设计的Scratch课堂教学流程分为三个阶段：程序功能需求分析、算法设计与程序实现、计算科学素养提升。Scratch教学流程如图2所示。

3.4.1  程序功能需求分析阶段  课堂开始，教师一方面要通过创设有趣的情境来吸引学生的注意力，另一方面要通过情境来引出课程主题和任务。引出课程主题和任务后，教师要展示思维导图，让学生通过自主思考、分组探讨等形式来明确课堂任务中的程序功能需求。在该阶段，教师可以根据学生对任务的理解深度，有针对性地对任务进行分解和细化，组织学生汇报任务探究成果，分享任务解决思路，帮助学生梳理任务和问题，培养学生提出问题、定义问题、分析问题的能力。

3.4.2  算法设计与程序实现阶段  这个阶段的基本教学目标是培养和提升学生的编程技术与素养。教师将课堂的主动权交给学生，教师的主要职责是为学生提供编程技术的引导和支持，帮助学生了解程序设计、编译和运行的基本原理。在上一步分析思维导图中，学生已经初步构想出程序的雏形，在接下来的过程中需要按照思維导图整理设计思路，画出算法流程图，然后根据流程图，在Scratch中进行拖拽搭建程序，并完成对程序的功能调试和性能测试。Scratch程序作品完成后，教师组织学生以小组讨论的方式，分享搭建脚本、编程过程中遇到的各种技术问题，并在小组内评选出优秀作品。讨论结束后，教师负责营造适合交流和分享的课堂氛围，每个小组推荐两到三个作品在课堂展示。

3.4.3  计算科学素养提升阶段  该阶段目标是通过多元评价体系和知识的迁移活动，提升学生的计算科学素养。根据STEM教育理论，评价标准不再以单独的任务完成度来评价学生的能力水平，而是通过不同视角，采用多种形成性评价方式判断学生的知识和能力水平，重视学生的综合素质和能力，打破学科之间的界限，实现教育的根本目标 [5]。首先，教师组织学生对展出作品进行讨论和评价，让每个学生在这个活动中取长补短。其次，要求每个学生填写作品自评表，该表主要包括学生对自己软件作品的功能、性能、可靠性、技术运用、改进思路等方面的评价和总结。最后，教师根据编程任务的特点，依据学生操作过程、解答问题口头表达、故障与问题分析、实验资源管理等方面对学生进行多元评价。教师在完成评价总结后，结合本堂课的任务特点和重难点，布置课下作业，促进学生对知识的迁移和升华。

通过Scratch课堂教学中的这几个阶段，学生对软件作品的设计流程、关键技术、评测手段进行全面认识和总结，训练提出问题、定义问题、分析问题的能力，培养程序设计过程中的逻辑与算法思维，锻炼评估和交流信息的能力，增强运用编程技术解决实践问题的能力，不断提升计算科学素养。

4  结语

本文结合STEM教育理念，对中小学信息技术学科的编程课进行研究，提出基于STEM教育特性的中小学编程课的教学设计思路和方法。文中阐述的教学思路和方法，以编程任务的开发和实施为主线，引导学生用程序设计来解决现实中的问题，将跨学科问题的解决与编程实践紧密结合起来，鼓励学生自主完成知识框架的建构，提升解决实际问题的能力。本文是一次中小学编程教学的实践性探索，希望借此引起广大教育工作者对中小学信息技术课教学和改革的关注与深入研究。■

参考文献

[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）：13-22.

[2]杨浩杰.以STEM教育理念为载体构建高中信息技术课堂教学新模式[J].中国教育技术装备，2019（15）：88-90.

[3]教育部办公厅关于印发《2019年教育信息化和网络安全工作要点》的通知[A/OL].（2019-03-01）[2020-07-31].

http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201903/t2019

0312_373147.html.

[4]朱萌.STEM理念下Scratch游戏与数学融合的学习模式研究[D].浙江：温州大学，2019：15-16.

[5]齐秀娇.STEM教育课程开发初探[J].中国教育技术装备，2018（10）：41-45.