基于STEAM理念的计算思维培养——以初中信息技术编程课为例

黄黎茵 湖北省武汉市博学初级中学

●基于计算思维的问题解决

关于计算思维，不同的机构、学者提出了不同的观点。笔者结合相关研究，根据自己的实践和思考，将计算思维划分为“界定问题、分解问题、概括表达、算法设计、评估、迁移”六个过程，具体内容如表1所示。

表1 计算思维过程

●基于STEAM理论的问题解决

S T E A M是美国学者格雷特·亚克门2010年在原有的STEM教育中，加入A（Arts，艺术）演变而来。笔者认为，STEAM理念是以数学为基础，通过工程、艺术去解读科学与技术，注重培养学生的创造力、发散思维、知识潜移、跨学科思维及应用能力，培养问题分析、设计方案、实施方案等解决问题的能力。因而在解决问题过程中，STEAM理论具有跨学科性、情境性、实践体验性、协作性及艺术性五大理念（如表2）。

表2 STEAM理念内涵

●STEAM理论与计算思维培养的可行性

①具有情境性。两者都强调真实情境下的问题解决，都努力创造与生活息息相关的环境，而真实情境中的问题，便于学生理解、利用已有的知识，从多方面多角度进行思考分析，打破学科限制，融会贯通，找出最佳解决方案，确保问题得以解决。

②具有综合性。STEAM教学内容具有多学科性，能有效提高学生的综合素质，增强学生解决问题的能力；计算思维的培养，即培养解决问题的能力，将客观世界的问题进行分解、抽象、概括、设计、评估，最终迁移应用。在此过程中，学生仅凭单一的学科知识无法实现，必需具备有效的综合能力，将不同学科依据内在逻辑关系联系起来，从整体上把握，以便于问题解决。

③具有实践性。STEAM教育注重“做中学”，重视培养学生的动手实践能力，在探究过程中促进跨学科知识的融合与迁移，描述了学生的外显行为；计算思维是解决问题的一种方式，在问题解决过程中进行培养和加强，描述了学生的内在思维。行为与思维，互为表里，互相促进。

●基于STEAM理论的计算思维培养教学实践

如何在STEAM教育理念中有意识地培养计算思维及解决实际问题的能力，是初中信息技术教学的挑战和机遇。笔者通过对STEAM理念、计算思维及课标的梳理，结合学生的实际，将教学内容聚焦图形化编程模块，以“模拟地月日运动”为主题，开展教学活动。

1.教学内容分析

本课内容基于STEAM教育理念进行跨学科学习，并通过尝试利用图形化编程工具来实现，因而教学内容具有综合性、跨学科性。跨学科知识点如下图所示。

2.学习者分析

本课的教学对象为七年级学生，其认识发展处于具体形象思维向抽象思维过渡阶段，具有一定的逻辑推理能力；会基本的计算机操作，具有一定的信息能力和信息素养，能理解顺序、循环、选择等概念；已经掌握图形化编程工具的基本操作，会用顺序结构、简单的循环结构的积木搭建；在数学学习中接触算法，能绘制简单的流程图；学习过月球、地球、太阳的相关知识，对地月日的运动关系、位置关系能用语言进行描述，对公转、自转有所认识；能对舞台、角色进行设计，有一定的语言文字表达能力及绘画音乐基础；能写简单的设计方案。

3.教学目标

①STEAM目标。

S（科学）目标：掌握地球、月亮、太阳三者关系；理解公转自转的含义；能列出除地球、月球之外，进行公转、自转的行星。

T（技术）目标：掌握利用图形化编程工具编写程序的基本方法；掌握创建角色、添加音乐、更换背景等方法；掌握循环结构及表达方式；掌握图形化编程工具条件语句的应用与表达；掌握绘制流程图的方法；能够说出模拟运动不同方法（至少两种）。

E（工程）目标：能将想法通过流程图表达；根据流程图，设计实现目标的方案，明确功能模块及相应编程语句；完成方案，设计整合程序，逐步实现各功能；调整和优化方案。

A（艺术）目标：了解各行星的外观和形态，体验其美；感受自然界、银河系的恢宏浩大；观看相关影视感受文学之美。

M（数学）目标：球体的相关知识—球体的三视图都是圆、地月日的比例关系；地月日的位置关系—能用三角函数确定地月的位置、能用两点移动的方式确定位置。

②计算思维目标。

界定问题：确定地日月的运动模型是否能够模拟？能否通过编程实现？图形化编程工具是否可以？如何编程？

分析问题：理解公转、自转概念并能进行表达；能够确定角色并选择适当的表现方式；能分解运动过程，确定运动对象的逻辑关系。

概括表达：确定基础位置，能用适当方式（如坐标等）表示三者位置关系；能确定基点，明确对象数量、比例关系，开始、结束的条件；确定实现结构（顺序、循环、选择）；初步画出总体流程图。

算法设计：理解每个角色公转、自转的运动过程及实现步骤；进行角色设计、分步骤实现功能，绘制角色功能流程图；编写角色程序；运行调试程序。

评估：运动过程是否完整呈现；角色设计、数量关系、位置关系是否合理；程序编写是否简洁优美；作品是否具有艺术性；背景、音效是否恰当；学生讲解自己的设计思路；对作品的完整性、艺术性、简洁性进行评价；优化、改进方案。

迁移：八大行星的运动；如何显现运行轨道；地球运行轨道是椭圆的，利用已掌握的知识技能可以实现椭圆轨道吗？

4.教学重难点

重点：图形化编程工具的熟练应用；顺序、循环结构的应用；流程图绘制。

难点：流程图转化为具体程序；模型的建立；循环结构语句的应用。

5.教学过程

（1）情境创设

教师活动：播放日蚀记录片，并提问—记录片中讲述了哪种天文现象？能用所学的知识来呈现吗？

学生活动：观看记录片，思考问题。

设计意图：激发学习兴趣，初步了解天文现象，从真实环境中考虑问题，启发学生思考。

STEAM知识点及目标：情境性。

计算思维：界定问题。

（2）自主学习

教师活动：引导分析所需要的相关知识有哪些？已有的知识有哪些？需要学习的知识有哪些？运动有哪些过程？如何表示它们的数量关系、逻辑关系？同时，提供学习资源，分组并巡视。

学生活动：分析已有知识基点，学习相关知识，根据教师的引导，将“模拟日月地（日蚀）”运动分解成可以求解的步骤。同时，四人为一小组，对疑难问题进行讨论与交流。

设计意图：让学生对所掌握知识进行分析和了解，能使其更有针对性地学习，有利于问题解决。同时，通过小组合作培养学生的协作能力。

STEAM知识点及目标：跨学科性。

计算思维：分析问题，概括表达。

（3）实践练习

教师活动：课堂巡视、指导，提出问题—地球是否有自转？用哪些方法可以解决？地日月的比例是否合适？运动方向是否合适？运行速度是否恰当？

学生活动：描述算法，绘制方案流程图，并分析比较，择优采用；实施调试方案，编程实现。

设计意图：通过实践练习，体验思维可视化过程，培养学生规划统筹能力；通过不同的实现方法，培养学生多角度解决问题的能力。

STEAM知识点及目标：协作性、实践性、体验性。

计算思维：算法设计（问题解决）。

（4）反馈小结

教师活动：呈现评价量表；对个人及小组表现进行点评；强调艺术性、协作性；概括总结存在的问题及有效的解决方法。

学生活动：各小组展示作品，进行师生评价，交流经验。

设计意图：通过展示、交流，锻炼学生的语言表达能力、评估能力、协作能力。

STEAM知识点及目标：艺术性、协作性。

计算思维：评估。

（5）拓展

教师活动：提出新任务—八大行星的运行如何实现？如何呈现日蚀？如何让三者处在一条直线（同一角度）上时暂停3秒？如何呈现椭圆形轨迹？

学生活动：分析、界定问题，明确前三个问题目前可以解决。

设计意图：启发学生思考，将所掌握的知识方法迁移至新的情境中，巩固所学，强化计算思维在解决问题中的应用。

计算思维：迁移。

6.教学反思

在以问题解决为导向的教学实践中，学生掌握了必要的科学知识，体验了工程开发设计过程，提高了语言表达等艺术素养，培养了数学抽象思维能力。同时，从真实情境出发，学生的问题界定、问题分析能力得到了一定的提高，能用流程图概括表达，并通过图形化编程工具实现，对自己的作品与表现能进行恰当评价。

但是，本课的教学也存在一些不足之处，如：由于教学形式、教学内容略有变化，学生不能很快进行实质性学习，教师花费较多的时间进行说明；学生独立思考能力欠缺，遇到困难过于依赖教师；对于合作学习，任务分配不均，导致个别学生参与度不高；学习内容过多，学生自主学习时间分配不均，导致实践阶段时间紧张，讨论交流不充分；教学评价设计不完善。

今后的教学中，可尝试采用混合学习方式，让学生在课前进行知识学习，并给予其更充分的学习时间。同时，加强教学评价的设计，除作品评价外，还需要对学科知识掌握、计算思维进行一定的量化评价。

●总结

教学实践证明基于STEAM理念，选择适当的主题，通过图形化编程工具培养计算思维是可行的。跨学科学习有效地提高了学生问题描述、问题界定、抽象分析问题、设计解决方案，以及按步骤解决问题的能力，促进了他们计算思维的发展。在今后的教学过程中，笔者将致力于培养学生的计算思维，选择更适当的STEAM主题，为学生提供更充分的学习时间，创造更佳的学习环境。同时，笔者将进一步实践优化整合STEAM和计算思维培养的信息技术编程教学，使之更具有参考价值。