計算機科學教育有效助力STEM教育實踐

李軍

【摘要】STEM教育通過項目式學習，是培養團隊合作、批判性思維、技術運用綜合能力，培養核心素養的最好載體，強調學生在真實任務中，通過動手實踐學習，日益受到各國重視。但目前而言，計算機科學教育，特別是計算思維的培養，在STEM教育中的作用卻仍未得到足夠的重視。本文通過計算思維能力培養和STEM能力培養的比較，發現它們都有助于發展相似能力。因此，重視和落實計算機科學教育，培養計算思維將有效助力STEM教育實踐。

【關鍵詞】計算機科學；計算思維；STEM教育；學科融合

毫無疑問，科學技術的進步不僅影響了我們的工作和生活方式，也影響了我們的思維和學習方式。思維模式和學習過程已經從一種單向知識傳遞轉變為一種互動動態體驗。在傳統教學過程中，教師在課堂上的角色被視為知識的唯一傳授者，而學生的角色則是被動的接受者。如今，我們的學習者不再是被動等待被教導的學習者，他們想要掌控自己的學習過程，學習者必須處于學習體驗的中心。學習將成為一種知識重構，而僅僅是知識的傳遞。當學習者通過在他們實際參與現實生活中問題解決或制造一件藝術品的實踐活動時，學習就會發生。

這種思維和學習方式的轉變可能是近年來STEM教育和兒童編程教學都獲得了廣泛關注的原因之一。2015年，教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》中首次提出了“探索STEAM教育、創客教育等新教育模式”。雖然STEM教育的定義中包括了技術，但就當下而言，計算機科學仍是“STEM”中無聲的“主角”，尚未引起足夠的重視。雖然信息技術課程已經在我國中小學得到開設，但大部分地區的信息技術課程側重于培養學生使用辦公、繪圖、音視頻編輯、動畫制作等軟件的使用技能，而忽視了編程教學，計算思維的培養。因此，有必要充分認識到計算機科學與數學、科學以及工程和技術之間的緊密聯系，進而用來支持和促進兒童在這些學科的學習。這為教育工作者提供了一個獨特的機會，使他們能夠整合各種活動，支持學習者發展他們多學科的知識和技能。

“STEM”一詞是由美國國家科學基金會于2001年提出的，STEM 是科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）的英文首字母縮略語。到目前為止，對STEM教育仍未有一個公認的定義，各個國家和地區及組織對其理解都不盡相同。近年來，STEM教育也出現了許多不同的擴張，例如，STEAM（科學、技術、工程、藝術和數學）、STREM（科學、技術、機器人、工程和數學）、eSTEM（環境、科學、技術、工程和數學）等等。但數學、生物學、化學、計算機科學和電子、通信和機械工程被確定為主要STEM學科。STEM教育旨在通過基于項目的學習和實踐，將不同課程學科知識融會貫通，并能運用于實際生活中問題的解決。重點是培養學生的批判性思維、問題解決、邏輯推理、技術、溝通、協作，自學和創新能力 。

STEM教育讓學生有機會在不同的情境中研究一個想法，并將學習與各學科有機聯系起來。這種有目的學習整合不能僅僅被看作是跨課程學習，因為它要求學習者使用更高層次的策略來促進他們的創造性和批判性思維，以解決現實生活中的問題。他們需要能夠利用自己的認知資源，通過綜合實踐活動組織、遷移、應用和評估他們在不同學科的知識和技能。此外，他們需要有能力掌控他們的學習過程，在這個過程中，僅僅掌握技能是不夠的，學生在解決問題時，需要理解這些概念，成為技能方面的專家，然后知道何時以及何時將這些技能應用于新的情況。

計算機科學是研究計算機和計算過程是如何工作的，以及它們是如何設計的。計算機科學家創造了將信息和抽象轉化為復雜模型系統的算法。對于一個計算機科學家來說，最重要的技能是解決問題，這包括確定問題，創造性地思考解決方案，以及設計一個清晰的解決方案。在創建程序和解決問題時，他們還使用諸如邏輯推理、問題分解、編碼、測試、調試等方法。這些技能和方法的結合形成了另一種更高層次的技能，即計算思維。

卡內基-梅隆大學周以真教授將計算思維定義為：“運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”。這是基于邏輯思維、算法思維和遞歸思維的能力，計算思維涉及到算法、抽象、迭代和概括等計算基礎知識。它還包括邏輯推理、問題分解、測試、調試和可視化技巧。發展這些技能使學生能夠在計算機及其他學科和日常生活中分析和解決問題。在建構主義教學方法的支持下，兒童與數字工具的互動為他們提供了一個發展計算思維的環境，因為它為實踐和發展元認知、解決問題和推理技能提供了空間。

通過比較計算思維和STEM技能，我們可以發現它們都有助于發展相似的能力。我們將邏輯推理、批判性思維、創造性、溝通、合作和解決問題定義為STEM技能。這些技能也是計算思維的基礎。邏輯思維是計算思維的重要組成部分。這一切都是用規則來解決問題。當我們在計算中思考邏輯時，我們實際上是在談論邏輯思維和推理。如果我們給兩個不同的孩子提出一個同樣的問題，他們可能會用兩種不同的方式來解決這個問題。他們會以不同的方式理解問題，提出不同的問題，并使用不同的策略來解決問題。因此，我們無法讓這兩個孩子以同樣的方式進行編程。所以我們很難預測他們的解決方案或他們可能選擇的方法。

學生通過設計解決方案、編碼、測試代碼來嘗試解決問題。他們學會把復雜的問題分解成小的、可管理的部分，這樣他們就能更容易地解決這些問題。他們認識到一系列問題的共同模式，并為類似的問題設計共同的解決方案。

計算思維在STEM教育實踐中所凸顯的優勢有：

1.創造力。在編程時，學生用他們的設計、制作、想象和可視化技巧來創造出解決真實問題的方法。他們從設計開始，然后制作，最后評估他們和他們的伙伴的工作。創造力包括嘗試原創的想法，而不僅僅是抄襲代碼和指令。例如，當使用Scratch程序創建游戲時，學生設計他們的精靈，創建他們的背景，并給他們的角色設計一系列動作。

2.合作。根據蘇聯心理學家維果斯基的最近發展區理論，合作學習、交流互動是學習和發展的核心。團隊合作解決問題是非常有用的，特別是在處理復雜問題時，因為孩子們可以討論各種可能的解決辦法。“小組合作”被許多學校廣泛使用，孩子們通過用共享的計算機編寫代碼，也為兒童分享和慶祝他們的工作成果提供了機會。

3.溝通。溝通是一項非常重要的技能，能夠準確表達你的想法，并有效地與他人溝通。在編程時，孩子們有機會共同探討他們正在解決的問題、所做的事情。他們向別人提出建議，提出問題，進行討論等等。

計算機科學可以促進STEM教育的發展，因為這兩個領域的學習都遵循類似的途徑。例如，解決問題的能力對于STEM的學習是至關重要的，也是計算機科學不可或缺的一部分。在數學學科的學習中，學生開始通過理解問題來解決問題；他們設計了一種解決方法，并將其應用于解決問題，在必要時使用計算機或計算器等工具輔助解決。最后，對他們的解決方案進行評估。同樣地，在科學學科領域，孩子們從提出問題開始，他們思考解決問題的方法，并通過測試他們的想法來研究不同的解決方案。最后，當他們完成調查后，通過討論并得出結論并分享他們所做的事情。在編程中，學習者首先要理解任務和他們需要完成的任務，換句話說，就是問題。他們設計了一個算法來實現特定的任務，然后編寫代碼給計算機執行解決方案。

他們測試代碼以確保其工作正常，并在發生錯誤時進行調試。他們與朋友分享他們的計劃，并討論他們的解決方案的有效性。在許多方面，編程可以被看作是應用數學和科學，因為它為學習者提供了一個使用迭代方法解決問題的環境。因此，計算機科學可以被看作是STEM的一門學科。

作為發展最快的STEM領域，計算機科學為教師提供了打開課程的機會，并為學生創造了一個平臺，讓他們通過親自動手的項目來構建自己的知識體系。加強計算機科學教育，培養計算思維，將有效助力STEM教育實踐。雖然這并不是一項容易的任務，它需要我們從整體上改變傳統的教學方法。學校課程的設置需要有足夠的靈活性，以便通過綜合實踐活動項目來適應跨學科學習。教師也需要對教學內容和知識體系有深入的理解，以設計出合理、高效的學習經驗項目。他們需要了解自己和學生在這一學習周期中的作用，并讓學生參與課程設計過程。精心設計的任務不僅為不同學科知識的學習提供了空間，也為學習者提供了一個連接跨學科知識以實現更深層次學習的空間。