面向计算思维培养的跨学科教育项目设计

吕琳 余峻展 钟柏昌

摘要：计算思维包含分解与模块化、抽象与建模、模拟与验证、优化与迭代、复用与迁移等要素，具有明显的跨学科特性，与跨学科的STEAM（为science、technology、engineering、art、mathematics五个单词的首字母）教育相融合具有理论可行性，但相关研究与实践依然较为匮乏。为此，本研究结合逆向工程教学模式（解构复原型）设计并开发了面向计算思维培养的STEAM教育项目——“模拟投篮游戏”，详细阐述了教学实施的各个环节，为进一步研究和实践提供了重要基础。

关键词：计算思维；STEAM教育；项目式学习；教学模式；模拟投篮游戏

计算思维是指个体运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^[1]，是信息时代每个社会公民所应具备的基本能力，被称为21世纪关键技能。计算思维自2006年被提出以来，就受到了世界各国的高度重视，成为培养创新型人才的重要内容。2017年，我国教育部明确将计算思维列为高中信息技术学科的核心素养之一^[2]，开始重视培养高中生的计算思维。2022年，教育部将信息科技纳入义务教育国家课程，计算思维又成为信息科技课程的核心素养之一。自此，计算思维的培养覆盖了小学、初中和高中三个学段，旨在提升学生的问题解决能力，使其更好地适应数字社会。国家政策的颁布，是时代发展对人才能力诉求的直观反映，而人才能力的发展归根到底在于思维的发展。在此背景下，“如何切实培养学生的计算思维”已然成为教育研究的热点话题。

一、计算思维培养与跨学科教育理念相契合

根据我国教育部近年来颁布的课程方案与课程标准，义务教育阶段的信息科技课程和高中阶段的信息技术课程是培养学生计算思维的主阵地。但实际上，随着计算机科学的不断发展，计算机在不同行业中已经扮演着重要的角色。计算思维源于计算机科学，是数学思维和工程思维的结合与补充，与跨学科学习有着密不可分的关系。它不仅适用于计算机科学领域，还能提供一种广泛应用于工作、生活、学习的分析问题的视角，是各个领域求解问题的基本途径。同时，它可以连接计算机科学与其他学科知识领域，包括科学、技术、工程和数学^[3]，本质上跨越了不同学科之间的界限。换言之，计算思维具有明显的跨学科特性，与跨学科教育融合具有理论可行性。

跨学科教育近年来在我国开始受到关注和重视。教育部颁布的《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》提出“跨学科主题学习”，就彰显了跨学科教育的重要性。作为跨学科教育的典型代表，STEAM教育旨在将科学、技术、工程、艺术和数学这五门学科的知识融为一个有机的整体，以培养学生的跨学科思维、解决问题的能力和创造力^[4]。鉴于计算思维具有跨学科特性，STEAM又是跨学科教育的代表，二者存在着天然的联系。早在2015年，就有学者提出应将计算思维的培养引入STEAM课程中^[5]。然而，如何将二者有机结合至今仍是一个严峻的挑战，现有STEAM教育中的计算思维培养往往局限在编程环节，本质上对计算思维的培养还停留在单学科，而非跨学科^[6]。本研究结合逆向工程教学模式（解构复原型）设计和开发了面向计算思维培养的STEAM教育项目，从结构设计和程序设计两个方面突破了单一学科培养计算思维的局限，取得了初步的教学效果。

二、“模拟投篮游戏”项目的创新设计与跨学科教育价值

从现有文献来看，对于计算思维的培养，Brennan和Resnick提出的计算思维三维框架“计算概念（顺序、循环、事件、并行、条件、运算、数据）、计算实践（增加与迭代、测试与调试、再利用与再混合、抽象化与模块化）和计算观念（表达、连接、质疑） ”^[7]具有良好的操作性，但覆盖面不足。本研究将其修订为如下五个要素：分解与模块化、抽象与建模、模拟与验证、优化与迭代、复用与迁移。其中，分解与模块化指的是将大问题分解成小问题，将复杂问题（系统）自顶向下划分（分解）成若干个子模块；抽象与建模是指能够运用计算机科学领域的思想方法，通过问题抽象来形成模型化的问题解决方案；模拟与验证是指能通过模拟、仿真、验证的过程尝试解决问题；优化与迭代是指能够持续反思当前方案的不足，逐步求精和优化完善；复用与迁移是指能够利用已有问题解决方案，并将其迁移运用于解决其他问题。下面以“模拟投篮游戏”教育项目为例，阐述各个教学环节是如何培养学生计算思维的。

投篮机是娱乐场所常见的游戏设备，兼具娱乐功能和锻炼功能。传统的投篮机体积较大，篮筐只能横向运动，且仅限于手投的方式。为此，本研究搭建了一个沉浸式投篮环境，模拟投篮游戏，旨在为用户提供真实、丰富的游戏体验。在实现细节上还做了多方面的创新设计：一是在横向运动的基础上增加了纵向运动，从而完成完整的平面运动，同时能演变出各种复杂的平面移动或转动路径；二是在手投的基础上增加了摇杆控制发射，用户还可以DIY编程，控制篮筐按照预设的路径运动，并可以设置不同的闯关模式，进而增强其趣味性和可玩性（如图1）。

本项目作品的设计、开发和使用不仅有利于计算思维的培养，还涵盖了科学、技术、工程、艺术、数学等多个学科领域，与跨学科教育相契合，适合充当跨学科教具使用，其教育内容见表1。

在教学设计和教学实践中，可以围绕本作品，从机械、电子、编程、绘画、音乐等五个方面，以项目的方式开展探究性合作学习。其中，计算思维的培养与不同学科的对应关系见表2。

三、基于逆向工程教学模式的“模拟投篮游戏”项目教学

为了更好地实施“模拟投篮游戏”项目教学，教师需要对其进行创新设计。一方面，传统的STEAM教育项目采用的教学方法较为单一，如要求学生从零开始设计与开发项目，教学周期较长，同时，开发的过程中也存在着许多局限性，不适用于较为复杂的“模拟投篮游戏”项目教学；另一方面，许多STEAM课程出现“重形式，轻本质”的现象，偏重工具的学习而缺乏思维的引导。因此，如何合理地设计STEAM课程目标、内容和项目，如何在整合各学科内容的同时还能注重计算思维的培养，提升学生解决问题的能力，存在颇多挑战^[8]。本研究团队曾将逆向工程方法引入机器人教育、创客教育和STEM教育中，提出了逆向工程教学模式的“灯笼模型”，其包括四种具体的教学模式^[9]。其中，解构复原型教学模式（如图2）既强调基础知识和基本技能的学习，又适用于面向计算思维培养的教学。因此，本文基于该模式介绍如何在初中阶段开展“模拟投篮游戏”项目的教学。

为充分发挥“模拟投篮游戏”项目的教学价值，使学生能够在设计和制作中最大程度地发展计算思维和跨学科素养，教师在教学设计阶段应当明确和把握好教学目标。教学目标可以表述为：（1）学生通过体验投篮游戏机，对现有产品进行细致观察和分析，结合个人的知识经验，对投篮游戏机进行功能分解；（2）在教师的指导下，学生比较投篮游戏机和模拟投篮游戏系统的相同点和不同点，明确模拟投篮游戏系统的设计要点；（3）学生在设计和制作模拟投篮游戏系统的过程中，运用计算思维解决实际问题，最终实现模拟投篮游戏系统的稳定运行。

由于模拟投篮游戏系统具有一定的复杂性，课程计划使用4个学时，每个小组由4名学生组成，在组内分成两个子组，分别称为A组和B组。其中，A组负责平面运动篮筐的结构搭建和程序设计，B组负责投掷机械手的结构搭建和程序设计。根据逆向工程解构复原型教学模式，面向计算思维培养的“模拟投篮游戏”教育项目的各个教学环节如下。

（一）试用与感知

该阶段旨在让学生基于现有产品进行游戏体验，激发学生的兴趣，让他们对产品的功能与结构形成初步的认知，如了解该产品是由“篮筐”和“投掷”两大部分组成。在这个过程中，教师需要引导学生用语言来描述该产品的功能与结构，如水平运动结构如何实现左右运动。学生需要描述如何判断产品成功地解决了问题。教师可以为学生提供工作纸，帮助学生记录产品的功能与结构，便于及时准确地把握学生的体验与感悟。

（二）分解与观察

分解与观察环节是结合逆向思维对产品进行自主解构和复原的过程，旨在让学生解剖产品，培养学生动手操作能力，了解产品的内部结构和工作机制。本环节中，教师会要求各小组通过观察将该产品尽可能地分解成一个最小的系统，便于解决问题，如最小系统为“输入—处理—输出”，并要求学生在工作纸上做好拆分记录。同时，教师应给予适当的指导，以确保学生理解各零部件的作用和相互关系。该过程主要培养学生的“分解与模块化”能力。

（三）还原与测试

还原与测试是教学实施的关键环节，指将产品正确复原，培养学生的动手操作能力和责任心，检验学生对产品结构和工作机制的熟悉程度。该阶段可以为学生提供该产品的所有零部件，包括已切割好的木板和各类型的主控板等，教师应引导他们按照零件的功能进行分类，比如第一级分类是区分结构件和电子件，随后让学生自行完成进一步分类，并要求他们在归类的同时制订分类的依据，如电子件中的执行器和传感器，结构件中的运动件和静止件。

在教学中，教师还需要引导学生积极参加头脑风暴，对问题进行概括分类，制订出一种或多种解决问题的方案，然后选择其中一种方案制订详细的计划，并确定问题解决方案的步骤。例如，学生需要列出编程的操作、确定要使用的程序和部分可重复使用的代码模块。该过程旨在让学生运用计算机科学领域的思想方法，通过问题抽象来形成模型化的问题解决方案，进而有针对性地培养学生的“抽象与建模”能力。

在小组合作时，教师可采用作品模块化的方式分配任务：2人（A组）负责“篮筐”的搭建（分为电机控制和命中响应两部分），并使用Arduino IDE编译和运行程序（如图3、图4）；2人（B组）负责“投掷”的搭建和编程（如图5），最终整合作品。

在教学中，教师需收集前两个阶段中学生对系统的分解结果和对零部件的分类结果，引导学生进行外观搭建。教师还需要提供对应的表格，可采用三列多行的形式，并要求学生将“子系统”“零件类别”和“子程序”进行一一对应，旨在引导他们形成知识网络。

学生通过算法设计将解决方案编写成一个子程序，包括顺序、循环、函数构建等操作指令。在这个过程中，学生尝试模拟、仿真、验证解决问题的过程并验证方案的可行性，同时需要判断程序运行结果是否解决了实际问题以及该作品是否达到了预期功能。值得注意的是，在教学中学生遇到问题时，教师应加强引导，鼓励学生自主解决问题，自主评价所采用的解决方案是否为最优的解决方案，从而培养学生的“模拟与验证”和“优化与迭代”能力，提升学生的实践能力和问题解决能力。

（四）评价与总结

评价与总结是指对复原作品进行评价交流，包括自评、组评和师评，并反思分解和复原过程中遇到的问题。该阶段主要是让学生展示作品并交流，首先由A组和B组开展组内交流，组内学生需整合前阶段各自梳理好的对应表格，共同形成一个更大的、更复杂的知识网络。然后，教师需要再次组织学生对最终作品进行组间展示与交流，包括展示和解释自己最优的解决方案，并举一反三。在教学中，教师要引导学生对作品进行多主体评价，如师评、自评、组评，同时需注重引导学生反思与总结，概括解决问题的一般方式，并将已有问题解决方案迁移运用于其他问题的解决。教师还需要进一步引导学生对知识网络进行“大概念化”，整合若干小概念，提取出知识网络中使用到的最具有代表性概念，以便深化学生对相关知识的理解，提升学生“复用与迁移”知识的能力。

四、总结与展望

本研究结合逆向工程教学中的解构复原型教学模式设计和开发了面向计算思维培养的STEAM教育项目——“模拟投篮游戏”，阐述了各个教学环节培养学生计算思维的过程，为设计和实施面向计算思维培养的跨学科课程提供了较为详细的参考案例。

计算思维不仅在计算机科学领域中有所应用，也被广泛地应用于其他学科中。本文将使用计算思维解决问题的过程归结为分解与模块化、抽象与建模、模拟与验证、优化与迭代、复用与迁移五个要素，并将其融入具体的教学环节中，旨在更具有针对性地培养学生的计算思维。计算机的出现和发展给人类社会带来了空前的生产力，而教育作为培养社会公民的重要途径，培养学生的计算思维亦是顺应时代发展需要的重要举措。可以预见，计算思维的培养在跨学科教育中将会占据更加重要的地位，探索通过跨学科教育培养学生的计算思维，是对新时代人才发展需求的有力回应。

有学者提出，STEAM教育具有融合学科、倡导问题解决式教学、技术赋能等特征，可以为深度学习的发生提供基础^[10]。计算思维是使用计算机科学领域的思想来解决问题，它具有跨学科解决问题的潜能，鉴于面向计算思维培养的STEAM课程可能更有利于深度学习的发生，后续可以基于本研究进一步探索实现深度学习的方式与策略。

综上，面向计算思维培养的STEAM课程的设计与实施具有重要研究价值，不仅摆脱了在单一学科中培养计算思维的窠臼，还能通过在STEAM课程中引入计算思维的培养来助力跨学科学习的开展。二者相互促进，有利于推动“五育融合”教育的创新发展。

注：本文系2022年广东省学位与研究生教育改革研究项目“硕士生跨学科创新能力培养的4C教学模式研究”（编号：2022JGXM_48）的研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

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[9] 康斯雅，钟柏昌.机器人教育中的逆向工程教学模式构建[J].现代远程教育研究，2019（4）：56-64.

[10]朱立明，宋乃庆，黄瑾，等.STEAM教育核心理念下的深度学习：理据、架构与路径[J].中国教育学刊，2022（1）：69-73.

（作者吕琳、余峻展系华南师范大学教育信息技术学院硕士研究生；钟柏昌系华南师范大学教育信息技术学院教授、博士生导师，本文通信作者）

责任编辑：牟艳娜