基于工程设计的STEM教学培养学生计算思维的研究与实践

摘 要：STEM课程是培养学生计算思维的重要载体，计算思维则可促成学生在真实情景下多元能力的发展。在新工程教育背景下，本研究提出以工程设计循环组织教学过程、以史密斯框架五要素创建支持学生运用计算思维的STEM教学活动设计框架。并以小学“船模”课程为例，进行具体的活动设计与实施。本研究采用单组前后测实验，通过为期九周的跟踪，同时辅以任务单，探究课程实施对小学生计算思维能力与计算思维实践的影响。结果表明，课程教学对小学生计算思维能力有促进作用；认知网络分析结果表明，课程实施推动了学生计算思维实践，船模制作完成后，学生的算法思维有明显发展且各要素连接更紧密。

关键词：STEM课程；计算思维；工程设计循环；培养框架；船模

中图分类号：G622.0 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2024）03-0038-10

引言

随着信息技术的发展及其与人们生活的紧密结合，计算思维（Computational thinking）作为一种独特的问题解决思维方式，已经成为数字化生存的一种必备能力和面向智能时代的创新能力构成要素。因此，培养学生的计算思维已成为高等教育和基础教育的研究与实践热点，对计算思维的概念界定、构成要素、培养模式、多维评价等也已有了诸多讨论。STEM课程以跨学科的方式实践项目学习，其情境性、体验性等特征成为培养计算思维的载体，使计算思维能够在实践情境中得到不断发展。工程学作为促进STEM教育整合的有效方式[1]，通过工程项目来串联各学科知识，创造性地解决复杂问题，亦是培养计算思维的有效场景。在新工科教育转型的背景下，计算思维成为新工科人才所需具备的思维方式之一，以计算思维促成学习者在真实情境中专业知识的获得与多元能力的发展是跨学科问题解决的重要引擎[2]。

工程设计作为新工程教育背景下STEM课程培养学生计算思维的主要方式，已有研究探索了基于工程设计的STEM教学对学生计算思维的作用。较之基于设计学习、问题驱动架构的“STEM+C”教学实践，工程项目可以为学生提供不断优化迭代的探索过程，在设计与探究中完成计算思维的培养与应用。然而，在工程项目设计中，如何更好地指向学生计算思维的培养目标，还需要在工程设计模式的基础上加强落实对计算思维各要素的设计。乔伊斯·史密斯（Joyce Smith）等[3]提出的基于学科视角培养计算思维的框架（以下简称“史密斯框架”），为课程中创建支持学习者使用计算思维的STEM活动提供了设计要点，基于此框架的实践将STEM活动作为实践计算思维的载体，强调在活动设计时将计算思维实践作为解决问题的工具整合到课程中。因此，本研究在已有基于工程设计的STEM活动基础上，整合史密斯框架，探究工程项目中计算思维各要素的发展与实践。

一、STEM背景下的计算思维教育

尽管目前对计算思维作为专业术语的讨论尚未达成共识，但学校教育中一直隐含着计算思维的教育实践，在不同的教育阶段体现出不同的特质，培养目标从计算机科学家发展为信息时代的数字公民，课程载体也从编程教育到信息技术课程再到真实情境下的多学科、跨学科课程（如STEM课程）。这可以明显看出计算思维已经成为一种学生必备的能力，并逐步内化为稳定的思维过程。

从理论发展来看，STEM背景下计算思维教育发展的两个重要里程碑是：（1）戴维·温特罗普（David Weintrop）在2015年提出了针对嵌入数学和科学学科课堂的计算思维框架，描述了计算思维在STEM学科中的应用，开发了CT-STEM技能分类。该技能分类清晰地展示了计算思维在数学和科学学科中的概念和实践，回答了计算思维在数学和科学课堂上如何培养的问题。基于此框架，专业团队在CT-STEM平台上开发了60多门课程，涵盖数学、生物、物理等多门学科。（2）2018年，研究者以培养胜任STEM工作者为目标，提出了史密斯框架，即通过理解复杂系统（CTF1）、用计算表示创新（CTF2）、利用计算能力和资源设计解决方案（CTF3）、对数据进行集体意义创造（CTF4）、理解行为的潜在后果（CTF5）五个要素，落实对计算思维抽象、分解、算法、仿真与建模等单个与整合技能的提升。随后，《科学教育与技术杂志（Journal of Science Education and Technology）》中专设计算思维特刊，并呈现了诸多应用此框架的实践案例。

从培养实践来看，问题驱动的学习、基于设计的学习、工程设计是STEM课程中培养计算思维的主要教学模式。在此基础上，亦有研究从计算思维的构成要素入手，对应STEM教育全过程进行案例设计与验证。其中，工程设计作为一种学习、应用和连接STEM学科概念的手段，已有多项研究让学习者整合STEM内容参与工程循证推理实践，并在基于工程设计的STEM教学中培养计算思维。杰伊兰·申（Ceylan Sen）等[4]、杨大治（Dazhi Yang）等[5]分别在机器人设计和桥梁工程项目中进行了基于工程设计的STEM活动的设计与实践；周平红等[6] 借鉴工程设计流程和基于设计的双循环探究模型，构建了整合计算思维培养的STEM工程设计教学模式，并将其应用于“植物工厂”课程，从而在工程设计的各个活动环节中培养计算思维。在此过程中，如何让学生在参与工程设计时有效地使用STEM概念知识是创新整合工程设计和STEM的关键，而如何设计活动实现对计算思维各要素的培养又是基于工程设计的STEM教学的实践取向之一。

以上研究与实践表明，STEM课程中计算思维的培养从信息技术学科到嵌入数学、科学学科，再发展至跨学科，并从解答如何培养的问题转向强调表征计算思维在学科内的应用结果，采用的教学模式包括问题驱动学习、基于设计的学习、工程设计教学等。

二、面向计算思维培养的STEM工程设计活动

（一）STEM课程中整合计算思维培养的新思路

最早卡伦·布伦南（Karen Brennan）及其团队[7]基于Scratch编程环境下的计算思维实践，总结了三维培养框架，为相应课程设计提供了指导。随后，有研究者在此框架的基础上不断扩充维度，但该框架的提出及维度的细化都是从编程角度出发的，易导致后续计算思维的培养绝大多数局限于编程环境，限制了课程设计；同时，该框架的提出源于课外社区的实践，因此未能充分考虑课堂教学的诸多特点。戴维·温特罗普团队提出的计算思维培养框架紧贴数学和科学课堂，提供的案例也较为经典，表明计算思维的培养在课内逐渐走向“专业化”，且在计算思维之上关注学科特点。但其存在学科局限性，且未能表征计算思维与学习结合产生的结果。

史密斯提出的计算思维培养框架的5个要素都经过了STEM领域专业人员的认证，确保与STEM课程紧密联系，为STEM课程中的计算思维培养提供了可实施的设计要点。同时，五大要素相辅相成，学习者在数据分析中可以理解系统各部分的关系，在改变变量的过程中发现不足、提出问题，而后利用算法和整合资源，设计并优化解决方案，之后在方案应用的过程中探究出现不同结果的原因，最后再次进行迭代，直至找出最优解。在此框架中，学习者通过体验系统、理解系统，从而发现问题。这种方式更加符合STEM领域的真实情况——对计算思维的培养，由建模和仿真转向理解复杂系统，从单纯的情景问题抽象到用计算表示创新而产生新的想法，由算法、编程和软件开发转向利用计算和整合资源，从数据收集和分析转向集体感知、理解后果并预测。值得注意的是，该框架中的“理解行为的潜在后果”这一维度适应了人工智能的迅速发展，可以帮助学生通过组合分析现有情况来预测未来事件的可能后果。

（二）STEM工程设计循环下计算思维培养的设计

1. 设计思路

以工程设计循环（engineering design process）组织教学过程，以史密斯框架五要素指导计算思维培养活动设计，解决当前创新整合工程设计与STEM教学、将计算思维各要素落实于STEM教学各阶段两个方面的问题。

工程设计循环主要包含提出问题、设计解决方案、创建原型、验证和改进等阶段，用以支持学生实现从需求到设计的发展过程。工程设计循环的教学模式既体现了“设计”，又突出了“探究”，符合STEM教育的要求。同时，工程设计循环的具体步骤为STEM活动中计算思维的培养提供了实践场域。在真实环境中，学生以科学家或工程师的身份，通过现实与理想之间的差距，驱动主动探究，进而产生强烈的疑问和好奇心。学生进入工程项目设计后，将外在的好奇冲动（探究）转化为寻找问题解决办法（设计）。在这个过程中，学生整合资源、设计算法、调查分析，使用并发展计算思维技能，从而创建原型、完成设计。

对应工程设计循环的5个阶段，参考史密斯框架提出的计算思维培养五要素，形成（如图1所示）的教学活动设计思路，在实践视角下落实对计算思维各要素的培养。①数据分析及可视化模拟：提供模拟系统供学生调试操作（如鱼与浮游生物组成的模拟生态系统），基于可视化结果了解系统变化，从而发现系统中隐含的问题；②理解系统：学生根据模拟结果理解复杂系统，并产生“如果……会……”的思考，以根据情境提出问题；③抽象问题、分解步骤：学生简化复杂系统情境而明确核心问题，并对所确定的问题进行细分，以形成系列子问题；④整合资源、分析算法、建立模型：获得、整合适用于方案设计的相关资源，选择合适的算法表示方法进行算法的设计与分析，对方案设计进行评估与优化；⑤感知结果：在模拟情境或真实情境下反复测试产品并观察可能结果，体验工程设计的循环与迭代。

2.活动设计框架

根据上述活动设计思路，本研究构建了指向计算思维发展的STEM教学活动设计框架（如图2所示）。该框架依据工程设计循环将学习活动划分为4个阶段，在每个阶段，教师和学生都有相应的角色和任务，设计意图则呈现了设计要素的落实及对计算思维的培养作用。通过五要素的循环递进、相互作用与师生活动的有序开展，最终实现学生计算思维的培养。

（1）提出问题。教师发布特定主题的学习任务，扮演“客户”，明确项目需求；学生通过系统模拟感知问题情境，从中发现问题并确定需要解决的关键问题。此阶段有助于对学生概括能力的培养与提升。

（2）设计解决方案。当明确关键问题之后，教师将进行多学科的知识讲授，为学生提供各类课程学习资源，让学生掌握与问题解决相关的背景知识。学生在厘清问题解决步骤的前后顺序、先决条件的基础上，协商算法，借助必要的建模工具建立模型并不断修正算法。此阶段有助于培养学生的算法设计能力、算法评估能力与资源整合能力。

（3）创建原型。在模型构建的基础上，学生开展小组协作，使用工具与材料按照所确定的模型开展实物搭建。这是将解决方案具体实现的重要过程，在搭建过程中，要求学生不断思考实施的效果并加以修正。该阶段不仅可以增强学生的合作意识与创造性思维，更能帮助学生养成良好的操作习惯，使其在实践探究的过程中提升科学思维能力。

（4）验证与改进。该阶段，学生要对照标准对产品的性能进行测试与验证，再通过教师评价、组间互评和自我评价对作品进行评估。在此过程中，学生可以充分利用工程设计的迭代与循环，在批判与优化过程中提升评估与概括能力。

三、面向计算思维培养的小学“船模”课程实践

（一）“船模”课程概述

“船模”课程通过开展一系列关于船模的理论学习与实践研究，从船的基础结构到船模制作，从外观装饰到动力搭建，帮助学生对船模及船模制作形成新的认识。该课程涉及科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）多学科知识，蕴含对计算思维的培养目标（见表1）。

（二）面向计算思维培养的小学“船模”课程设计

1. 教学活动设计

“船模”课程是以设计与手工制作为主题的课程，参考图2所示的活动设计框架，形成下页图3所示的“船模”课程教学活动。其中，“船体制作”“模型的推进与传动”以及“船体美化”3个阶段均以工程设计循环为主线展开。课程的教学步骤为：通过仿真模拟，让学生理解船模系统的构成，抽象分解构造船模的主要步骤；学生设计、安装主船体和甲板，组装驱动装置，构建船模基本构造；最后对其进行精加工，例如防水防潮处理，进一步完善船模。

在“船体制作”阶段，学生基于船模模拟系统，在游戏中自由模拟船航行的情况，探究影响船航行状况的因素：船的材料、驱动方式以及航向。结合模拟经验，帮助学生了解船的基本构造，促进学生将直接经验与将要进行的项目建立联系，激发其学习兴趣。在此基础上，学生学习理论知识，查找资源，制订初步方案，结合教师对CAD制图软件、比例尺等必要知识的讲解，绘制主船体的设计图。基于设计图，激光切割模板，对照工程图组装主船体。

在“模型的推进与传动”阶段，学生记录主船体内原件的安装位置，并分组讨论可行性；根据搜集的资料，安装船模驱动装置。教师需要补充相应学科和工具知识，帮助学生理解原理，引导学生思考船体设计时预留位置的用意。在充分学习思考之下，各小组确定安装方案并完成驱动装置的安装。电路元件中预留了拓展接口，留给学生课后实践，进一步完善船模。

在“船体美化”阶段，考虑到课时及材料的限制，本次教学活动中，学生只需要设计安装甲板，构成完整船模，其他材料将统一发放。此过程类似主船体的活动过程，其不同之处在于，学生是在基于之前完成的CAD图和已经完成部分的船模基础上来收集甲板的尺寸。学生先在纸上画出船模的大致样子，再测量尺寸，对比着完成甲板的CAD图，进行切割后安装在主船体中。

2. 课程实施环境

在本研究中，实践环境为STEM教室，包括支持学生学习、设计与创造的协作空间，以及支持活动开展所需的工具和原材料，提供CAD制图工具、手工工具、搭建材料等，确保学生顺利进行船模的设计、搭建与实施。考虑到学习者是小学生，教师需要保证环境的安全性，确保尖锐工具（如剪刀、壁纸刀等）使用、电子线路连接的安全。

（三）研究设计与实践

1. 研究对象

本研究的教学实验对象是浙江省某小学参与俱乐部课程的三至六年级学生，其中，男生有25人（73.5%），女生有9人（26.5%）；三年级学生有13人（38.2%），四年级学生有8人（23.5%），五年级学生有10人（29.4%），六年级学生有3人（8.8%）。

2. 实施过程

课程实施9周（每周3课时，120分钟）。实验开始前，让学生填写计算思维量表（CTS）及Bebras计算思维能力测试，以了解参与者的计算思维能力起始水平。实验过程通过船体制作（4课时）、模型的推进与传动（2课时）及船体美化（2课时）3个工程设计循环展开，学生最终制作一艘仿真船模。课程实施结束后，学生完成计算思维量表和能力测试后测。授课教师D老师有20余年教龄，长期负责学校的信息技术课程以及模型类拓展课程的教学工作。

3.测量工具

选用的计算思维量表由厄兹根·科尔克马兹（Özgen Korkmaz ）等[8]开发，白雪梅等[9]翻译修订。已有研究改编该问卷用以评价STEM课程中学生的计算思维变化[2] 。本研究选取量表中创造力、问题解决和协作思维3个维度中的题目。信度检验结果显示，量表的Cronbach α系数为0.751；效度分析结果显示，量表的KMO值为0.704，Bartlett球形度检验p值为0.000lt;0.05。表明该问卷具有较好的信效度。

选用的Bebras计算思维能力测试（2020年）是通过一系列现实生活中的情景问题来测量学生对抽象、分解、算法、评估和概括这5方面计算思维能力的掌握程度。该测试共10题，均为选择题，并仅有唯一正确答案。题目划分为3种难度：简单（第1～5题，10分/题）、中等（第6～9题，15分/题）和高等（第10题，20分/题）。

学生的船模制作过程，也是其运用计算思维解决问题的过程，能够反映出学生的计算思维实践水平。本研究在每个工程设计后提供评价反馈单，用于记录学生的过程性数据。评价单中的问题映射活动设计要素，透过此反馈文本能反映出学生在活动中的计算思维发展情况。

4.数据分析方法

采用配对样本t检验分析参与者在课程前后的计算思维能力变化；采用认知网络分析（Epistemic Network Analysis，简称ENA）方法分析学生在实践过程中计算思维的发展情况。

ENA过程中，根据计算思维的五个要素建立学生反馈文本编码框架（见表2）。通过将任务评价单中的手写评语逐条录入Excel中，共得到332条有效反馈话语。依据编码框架，每行话语均对应编码框架中的五个维度，研究者对每一行话语采取二进制编码，即判断该话语是否包含五个维度，一句话可以标记一个或多个维度。为消除编码时掺杂的主观因素，所有对话记录由两名研究者独立编码，分析结果显示（Kappa=0.808），两个编码具有较强的一致性。所有会话数据编码后，将每一个维度的纵向编码进行二进制求和，若某位同学将一个点重复说两遍，也就意味着他在某个维度上重复理解了两次，最终只需要记录1次。随后，将累加好的编码导入ENA工具，可自动完成转换、降维等步骤，并生成相应的模型。

（四）数据分析结果

1. 计算思维能力分析

配对样本t检验结果显示（见表3），在开展“船模”课程后，学生的创造力、问题解决和协作思维均有不同程度的提升，其中在创造力和问题解决维度上存在显著性差异（t=-3.74，p＜0.01；t=-5.18，p＜0.001）。此外，学生计算思维测试后测得分高于前测，且存在显著差异（t=-9.87，plt;0.001）。这表明课程的实施对于提升学生的计算思维能力产生了积极效果。

2.计算思维认知网络分析

根据文本编码数据，将“船体制作”设为第一阶段，将后两个工程设计循环设为第二阶段，采用ENA工具生成了两个阶段对应的认知网络图（如图4所示）。为了从统计学意义上了解不同阶段学生认知网络结果的差异，采用t检验对X维度和Y维度的组间差异进行分析。结果发现（见表4），两组认知网络在X维度上存在显著差异（第一阶段M=0.65，第二阶段M=-0.70，t=-9.95，plt;0.05，Cohen’s d =2.62），在Y维度上不存在显著性差异，第一阶段元素节点的连接在X轴正方向上更强，第二阶段节点间的连接在X轴负方向上更强，说明学生在两个阶段有着不同的计算思维发展水平。

已知两阶段在X维度上存在显著差异，将认知网络图进行叠减呈现，以分析两个阶段中学生计算思维在各维度的表现。如果两组存在元素间连线的重叠，最终呈现出来的是连接较强组的颜色，并且线条粗细都会相互叠减。分析发现：第一阶段中，抽象、分解、评估与概括两两要素之间建立了较强的联系，算法思维与其他要素之间未有明显的相关链接，说明第一阶段学生对制作船模的工具、资源还在摸索阶段，影响了制订具体解决方案过程中算法思维的应用。第二阶段的认知网络图中，算法思维与其他要素的连接加强，表明随着经验的加深与学习内容的不断深化，学生的算法思维得到了发展，5个要素之间的联系更为紧密。同时，两个阶段的叠减图也显示出学生的算法思维在第二阶段发展更突出。可见，课程的实施提升了学生的计算思维实践水平。

四、结论与讨论

（一）基于工程设计的STEM活动促进计算思维的发展

本研究在STEM课程中的“船体制作”“模型的推进与传动”以及“船体美化”3个阶段均以工程设计循环不断强化计算思维实践，提升学生的计算思维能力。学生在“探究”和“设计”的双重驱动下，体验跨学科知识应用，实践计算思维技能，从而完成船模制作安装。从ENA分析结果来看，在活动推进过程中，算法思维与分解、抽象、概括和评估的连接逐渐加强。同时，计算思维量表与测试的前后测也都证实学生的计算思维能力得到有效提升。这一研究结论与周平红等[6]利用此模式培养计算思维的实践结果一致，同时也有效支持了学者提出的使用工程设计循环组织STEM教育活动能有效培养高阶思维的观点[10-11]。

（二）基于工程设计的STEM学习活动中五要素的落实促进计算思维实践发展

深耕“STEM+CT”领域需要更扎实的培养框架来指导设计实践。本研究结果表明，依据史密斯框架五要素设计的STEM工程设计活动可以为学生提供真实的实践机会，激发他们对手工类课程的操作热情，并通过积极的合作交流完成作品制作，从而有效地培养他们的计算思维能力。在每阶段活动开始时，引导学生调动使用概括技能，通过积累模拟经验来识别系统各部分之间的关系。尔后，依据学习项目需求，抽象描述所聚焦的问题，分解解决问题的步骤，此时学生需要用到抽象、分解两大计算思维技能。在设计解决方案的过程中，学生需要合理利用资源，并精准安排安装顺序及位置，在反复策划中，算法思维会被重复利用，进而通过比较得到最佳方案。最后，学生体会新模型构建的系统，并对成果再次识别、评估，对整个项目进行全面评价。如此往复3个循环，结合计算思维发展轨迹及测试结果发现，第二阶段中算法思维和其他维度的连接加强，说明本阶段学生注重算法思维的应用以系统设计解决方案，而算法思维与评估能力的加强预示着学生纠错迭代能力的提升。总的来说，整合五要素的STEM工程设计活动使得学生的计算思维实践成为项目完成的必经之路，并且运用计算思维技能水到渠成。

（三）不足与展望

本研究针对工程设计与STEM创新整合以及在此过程中落实计算思维构成要素的培养问题，构建了面向计算思维培养的STEM工程设计活动框架，并在小学“船模”课程中进行了应用。实践证明，该框架具有可行性和较好的实际效果。然而，本研究仍有一定不足：由于课程实践周期较短，高阶思维能力提升需要较长时间才能显现，因此下一步研究需进行长期教学实践以验证效果。同时，本研究所构建的设计框架的适用性有待在未来实践中持续优化和完善。

参考文献

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（责任编辑 李强）

Research and Practice of Engineering Design Based STEM Teaching Approach on Students’ Computational Thinking

Guan Jueqi， Wang Wenzhuo， Lan Tingting

（College of Education， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang， China 321004）

Abstract： STEM curriculum is an important carrier to cultivate students’ computational thinking， which in turn can facilitate the development of students’ multiple abilities in real-life situations. In the context of new engineering education， this study proposes to organize the teaching process with the engineering design cycle and create a framework for designing STEM teaching activities to support students’ computational thinking with the five elements of Smith’s framework. The design and implementation of the activity is based on the example of the elementary school “Ship Model” course. A pre-text and post-test experiment with a nine-week follow-up is utilized， supplemented by a task list， to explore the impact of curriculum implementation on elementary students’ computational thinking skills and practices. The results of the data show that the curriculum stimulates students’ computational thinking ability; the results of the cognitive network analysis show that the implementation of the curriculum promotes students’ computational thinking practice， and that students’ algorithmic thinking develops significantly and the connection of elements is stronger after the completion of the ship modeling.

Key words： STEM curriculum; Computational thinking; Engineering design cycle; Cultivation framework; Ship modeling