融入计算思维培养的小学STEM教学实践研究—以“垃圾分类”为例

齐海燕 张永恒

摘  要∶根据小学生的身心发展特点和认知特点，文章提出将计算思维融入小学六年级 STEM 课程教学中。以“垃圾分类”为例，提炼其中的计算思维元素，利用 Scratch 图形化编程开展了教学设计的初步探索和实践。

关键词∶STEM;人工智能;计算思维;编程中图法分类号∶G623    文献标识码∶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，美国颁布的《STEM教育法（2015年）》中特地将计算机科学教育列入了STEM教育，法规中这样界定术语STEM教育：指科学、技术、工程、数学等学科的教育，其中还包括计算机科学的教育[1]。2022年，中华人民共和国教育部颁布《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，明确了信息科技课程的核心素养内涵，其中同样包含计算思维[2]。可见，计算思维的重要性已经在STEM教育及信息技术素养中日渐凸显。

计算机科学的发展日新月异，计算技术无处不在，每天都会产生上亿的海量信息数据，这些信息数据被小小的芯片处理计算，嵌入我们生活的方方面面。而计算思维是指个体应用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。计算思维传承于数学算法思维，作为智能时代跨越学科存在的最基本思维方式，在解决数学、工程技术、科学等问题时至关重要，正是科学、技术、工程和数学（STEM）的融合体现，在未来其必将成为衡量人才是否胜任智能化时代需求的重要标准[2]。

计算思维的培养与STEM教育融合具有天然的优势：首先，在数学和科学学科的核心知识中必然存在抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。其次，应用计算思维可丰富数学和科学概念的学习，而数学和科学的学习又可进一步促进计算思维的培养。最后，计算思维可以帮助学生完成模拟、仿真、验证并解决问题，从而最终反思、优化解决问题的方案，这恰好与STEM教育的目标不谋而合[3]。

2教学设计理念

基于上述计算思维培养与STEM课程融合的优势，以及《新一代人工智能发展规划》《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》等重要文件的精神和要求，本文将小学生计算思维的培养融入小学高年级STEM课程教学中，对课程的设计和开发进行了初步探索和实践。

2.1通过学习算法，感知算法的特征

基于小学生思维发展规律，五、六年级学生的思维基本上才开始由具象转换为抽象。在计算思维初步形成的过程中，需要充分考虑小学生的身心发展特点和认知特点，不应该过多涉及难以理解的复杂算法逻辑和编程知识。否则，反而让小学生望而生畏，觉得信息技术、人工智能等都是复杂的、遥不可及的，无法产生强烈的认同和兴趣。应该充分利用小学生的好奇心，以视觉效果明显的游戏化图形编程为切入点，从学习简单的逻辑判断开始，感知算法的特征，逐步实现向抽象思维模式的转变。

2.2注重真实问题和情境创设结合，激发学生的学习兴趣和好奇心

小学STEM课程尤其注重解决实际生活中的真实问题，同时为了激发学生的兴趣和好奇心，也要根据实际情况合理创设情境。因此，情境的创设不是无源之水，应该根据现实要解决的问题，引导学生发现问题，根据逻辑推理、条件判断等，主动将脑海中的想法转换成可操作的模型，进而利用现有条件，通过合作交流、探索实践，最终找到最优解决方案。

2.3利用逻辑流程图示，辅助培养计算思维

在小学STEM课程中经常使用PBL项目教学法，为了让学生直观地简化复杂问题，可以把困难的任务进行分解，通过观察、描述提取出重要信息，然后提出相应的假设和逻辑推断，最终把问题转化为简单的数学模型。而在这个过程中，条理清楚、逻辑清晰的流程圖示可以帮助学生一步步接近自己想要的结果，也可以在逻辑判断中不断梳理算法逻辑，从而达到程序各模块之间协调调用和整体发挥作用的目标。

2.4联系社会发展和工程实际，聚焦育人目标

小学生的价值观还正在形成阶段，感知能力强、约束能力差是其显著特点，从育人的角度设计教学目标，适当的约束和正确的引导才是关键。小学STEM课程不仅关注学生科学知识与实验技能的学习，更以跨学科的方式，将社会发展、工程实践、个人生活紧密相联系。在小学STEM课程目标设计时，应该设立育人目标，将科技与社会责任相结合，注重在探究、合作、实际操作中培养学生的沟通能力、合作精神以及社会责任感。

3小学STEM教学设计案例—“垃圾分类”

本教学设计的教学对象是小学六年级学生。在这个学年段开展融入计算思维培养的STEM教学实践具有以下三方面的优势：首先，六年级的小学生已经完成了四则运算基础知识学习，对简单的逻辑条件判断已经具備识别能力。其次，在之前的编程学习中，六年级的小学生已经初步认识了Scratch图形化编程的界面和环境，以及图形化编程的表达和实现，对基本的执行指令及其组合（动作、外观、控制、侦测）有了一定程度的应用。最后，本节课是在原有小学科学课程基础上开展的STEM项目拓展，在教科版小学科学六年级下册的“分类回收与利用”一节中，学生已经对废物处理、垃圾分类有了初步学习基础。

基于上述学情分析，合理制定三维教学目标，将编程任务分解，帮助学生实现对基本指令模块的综合应用和协调调用，在此过程中培养学生的逻辑判断能力，初步形成计算思维，“垃圾分类”的教学设计案例如表1所列。

4总结

关于小学STEM课程中的计算思维培养，仍需要教师充分考虑小学生的身心发展特点和认知特点。挖掘和筛选教学内容，提炼其中的计算思维元素，在真实情境中设计能被小学生理解和接受的故事情节，利用PBL项目教学法为驱动，激发主观能动性，分解任务，逐步实习目标，从而培养解决问题的综合能力，建构其个人知识体系。

参考文献：

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

[2]于晓雅.计算思维：面向智能时代的基本思维[J].中国民族教育，2021（06）：15.

[3]李幸，张屹，黄静，等.基于设计的STEM+C教学对小学生计算思维的影响研究[J].中国电化教育，2019（11）：104-112.

作者简介：

齐海燕（1979—），博士，副教授，研究方向：计算思维。