STEAM課程框架下的例題設計策略研究

鄭長宏+郭建+譚樂婷

STEAM課程可以粗略地分為兩條主線：知識學習主線和項目任務主線。知識學習主線多是通過求解例題讓學生學習基本知識、基本技能和基本思想，為項目任務主線的學習奠定基礎。因此，STEAM課程設計中的例題設計顯得尤為重要。筆者總結多年的信息學奧林匹克競賽、機器人、圖形化編程教學經驗，特別是近年來在全年級開展的STEAM模塊化系列課程之“C++編程基礎”的實踐研究，得出以下例題設計策略。

● 鋪墊例題，讓學生學會分解任務以降低難度

STEAM課程的教育目標之一是培養學生分解任務的能力。在STEAM課程中，教師主要引導學生完成任務（或項目），但很多時候這些任務的難度較大，不太容易一次就完成，所以需要把任務分解為難度相對較低、更容易完成的子任務。在設計例題時，教師也可以將其分解為多道子例題，把包含基礎知識的例題放到前面作為鋪墊，由易到難逐步提升。

案例一：比較兩個變量的大小，由小到大輸出。

在學習第4講《if語句與關系表達式》一課時，筆者準備了這樣一道例題：輸入兩個不相等的數a和b，由小到大輸出。解題方法之一：如果ab，則先交換a和b的值，然后輸出a和b。解決這個題目有兩個關鍵點：一是使用if語句對條件進行選擇，二是交換變量a和b的值。學生認為交換變量a和b的值只需要這樣兩條賦值語句：a=b；b=a。然而，這樣執行的結果是錯誤的，因為a和b的值最后都是b的值。為了解決這個難點，筆者花了不少時間來給學生講解如何交換兩個變量值。結果，教學超時，沒有完成教學任務。

解決策略：把這道題的兩個任務分解開，把交換兩個變量a和b值的問題放到第3講《變量的定義與賦值》中，同時，筆者設計了這樣一道例題：請輸入變量a、b的值，然后交換變量的值，再輸出。學生通過第3講的學習，清楚地理解了交換兩個變量的值需要用到第三個變量臨時存儲數據，代碼如下：

t=a；a=b；b=t；

在學習《if語句與關系表達式》比較兩個數大小的時候，教師可以用這樣的偽代碼將程序表示如下：

if（b>a） 交換a和b的值；

輸出a的值，輸出b的值；

有了前面的鋪墊，學生理解起來就容易多了。

● 優化例題，讓學生體驗項目優化的過程

STEAM課程強調項目式學習，項目的設計與制作過程就是一個不斷優化的過程。教師可以把例題設計得有些小缺陷，讓學生在解題的過程中不斷思考，不斷優化，同時體驗項目優化的過程。

案例二：寶庫密碼問題的兩次改進。

筆者在第7講《計數循環與for語句》中設計了這樣一道例題A：富翁有個寶庫，輸入密碼才可以打開。如果密碼正確，則提示“寶庫即將打開，請稍后……”；如果密碼錯誤，則提示“密碼錯誤，請重新輸入密碼”！并再次輸入密碼，但只能輸入三次。請用程序模擬這個寶庫密碼。

這道例題就是一個小小的項目，類似于手機輸入密碼解鎖屏幕，或銀行ATM取款的過程。如果直接這樣設計例題，沒有給學生優化改進這個項目的機會，學生就失去了思考的原動力，能力的培養有限。

解決策略：筆者把這道例題簡化成了一個不完善的例題B：富翁有個寶庫，輸入密碼才可以打開。如果密碼正確，提示“寶庫即將打開，請稍后……”；如果密碼錯誤，則提示“密碼錯誤”！請用程序模擬這個密碼寶庫。筆者把這道例題設置在《if語句與關系表達式》一課中，當學生調試成功以后，有位學生提出這樣的疑問：“老師，輸入錯誤密碼，程序要終止，這時還要再運行一次程序，才能輸入正確密碼。這太麻煩了，如何才能在輸入錯誤密碼之后，程序報錯但不停止運行，直接再次輸入密碼呢？”筆者在全班表揚了這位勤于思考的學生，也順理成章地在第5講《while語句與邏輯表達式》用例題B的改進版例題C作為引入。

改進后的例題C是這樣的：富翁有個寶庫，輸入密碼才可以打開。如果密碼正確，提示“寶庫即將打開，請稍后……”；如果密碼錯誤，則提示“密碼錯誤，請重新輸入密碼”！請用程序模擬這個密碼寶庫。學生使用while語句調試成功以后，又提出問題：“密碼錯誤可以一直輸入密碼，直到密碼正確。我同桌都把我的密碼試出來了！”筆者：“那怎么優化呢？”學生：“我覺得應該限定次數，比如三次，手機就是這樣的?！?/p>

筆者又順勢設計出了較為完善的例題，也就是最開始的第7講的例題A。

于是，例題B只判斷密碼是否正確；例題C判斷密碼是否正確，如果錯誤要求重新輸入密碼；例題A判斷密碼是否正確，如果密碼錯誤要求重新輸入，但只能輸入三次。

通過對例題B、C、A三個版本的設計，讓例題不斷優化。這不僅讓學生的思考步步深入，還讓學生體驗到了STEAM項目優化的過程。

● 多解例題，讓學生從多角度思考問題

一題多解，能夠讓學生從多個角度觀察問題、思考問題，在STEAM教學過程中可多加運用。

案例三：三個變量a，b，c排序的問題。

為了引入if語句的嵌套和邏輯表達式，筆者設計了例題：給a、b、c三個數排序，由大到小輸出。

首先，筆者給出了較為困難的使用if語句的嵌套的解法一：先判斷a>b，再分情況判斷b>c，然后再分情況判斷a>c。具體求解思維導圖如圖1所示。

學生看到上面的層疊關系就覺得很難，再看到密密麻麻的程序代碼時，更感覺是一頭霧水。筆者順勢引導學生學習第二種解法：利用學過的數學知識，不難分析出這樣六種關系：①a>b>c；②a>c>b；③b>a>c； ④b>c>a；⑤c>a>b；⑥c>b>a。

可以用六條不帶else的if語句解決，思路如下：

① if（a>b>c），輸出“a>b>c”；

② if（a>c>b），輸出“a>c>b”；

③ if（b>a>c），輸出“b>a>c”；

④ if（b>c>a），輸出“b>c>a”；

⑤ if（c>a>b），輸出“c>a>b”；

⑥ if（c>b>a），輸出“c>b>a”；

但是新的問題來了，C++語言雖然允許類似“a>b>c”的表達式，但“a>b>c”并不表示“a>b并且b>c”。于是，筆者引入邏輯運算符和邏輯表達式“a>b&&b>c”來表示“a>b并且b>c”。

筆者帶著學生總結了解法一的主要特點是if語句的嵌套，解法二的主要特點是分情況討論。當學生認為問題圓滿解決的時候，筆者又提出：“我們可以綜合解法一和解法二的特點，設計一個既簡單又不需要邏輯運算符的解法?！蓖ㄟ^思考，有學生綜合了解法一的嵌套和解法二的分情況討論，得出了解法三：運用不帶else的if語句的嵌套，用偽代碼表示如下：

① if（a>b）if（b>c），輸出“a>b>c”；

② if（a>c）if（c>b），輸出“a>c>b”；

③ if（b>a）if（a>c），輸出“b>a>c”；

④ if（b>c）if（c>a），輸出“b>c>a”；

⑤ if（c>a）if（a>c），輸出“c>a>b”；

⑥ if（c>b）if（b>a），輸出“c>b>a”；

同一例題，從多個角度思考，運用不同的方法求解，拓寬了學生思維的廣度。

● 改編例題，讓學生注重解決問題的過程和方法

STEAM教育是注重過程和方法的教育。教師通過改編例題可以讓學生關注解題的過程和方法，而不僅僅是答案。

案例四：1到100的整數和求解問題。

在for循環的經典例題中，“求1+2+3+……+100的和”是最常見的例題。筆者也使用過這道例題來講解for語句，但學生往往看到這道題就想到它的結果是5050。因為這道題在數學課上已經學習過了，利用求等差數列和的方法（首項+末項）×項數÷2可以輕松算出結果。但為了讓學生掌握for語句計數循環的方法，即通過for循環和語句“sum=sum+；”把每一個數加起來，筆者把例題改編成求20+21+23+……+108，改編后，學生不容易一眼算出結果，就把注意力集中到使用for語句求解的問題上來。

● 美化例題，讓學生領略編程之美

在“C++編程基礎”教學中，筆者注重美化例題，把藝術教育融入到C++代碼的字里行間和程序格式的排列縮進之間，讓學生在潛移默化中領略編程之美。

案例五：編寫一個小小的計算器程序。

排版優美的程序代碼，不僅利于閱讀，而且可以感受到C++的代碼之美。在學習if語句和switch語句的時候，有這樣一道例題：編寫一個小小的計算器程序，輸入變量a和b，再輸入+、-、*、/中的一個符號，完成相應的計算，輸出答案。筆者在講解該例題時，特別強調書寫的規范性，即代碼的縮進與對齊，程序部分代碼如圖2所示。

以上是編寫程序時體現出的代碼美感，還可讓程序輸出結果也體現出美感。

案例六：運用二重循環輸出圖形符號。

學習循環語句的嵌套可以通過使用二重循環輸出特定的圖形符號來練習。筆者設計了如圖3所示的圖形，編制例題，讓學生學習二重循環的使用。

由此可見，美化例題是讓例題在設計中融入藝術教育，讓學生潛移默化地感受編程之美。

合理運用例題設計策略精心設計例題，讓學生在STEAM課程中學習方法，培養思維，增長能力。這需要教師不斷探索，不斷實踐。endprint