在STEM校本科技課程中培養小學生計算思維能力

黎尚斌

一、計算思維及其特點

計算思維是人類在使用計算工具中形成并發展的思維，并在人類文明中與人類共存長達數千年。從古代的算盤到現代的手機，每個人都受到計算思維的影響。美國卡內基·梅隆大學的周以真教授指出，計算思維是指運用計算機科學的基本概念進行的一系列涵蓋了相當廣度的思維活動，例如問題解決，系統設計和人類行為理解等。可見，計算思維雖然在計算機科學中從朦朧走向明晰，卻不僅僅應用于科學領域，它連結計算機科學與人類生活的方方面面，為人們提供了能廣泛應用于工作、學習和生活的分析和解決問題的新視角、新途徑。

對于尚處于成長關鍵期的中小學學生而言，這種靈活且全面性的思維模式體現了一種全人教育的精髓，它不僅幫助學生積極地投入現實應用場景，而且在人文科學、人際交往、實踐創造等方面為學生提供理性分析問題和解決問題的新視角，為學生在高速發展的信息化社會更好地適應與發展打下堅實的思維基礎。

二、STEM課程與計算思維培養的關系

正因為計算思維所蘊藏的的教育智慧和能量，所以計算思維被越來越多的教育者關注，并作為人才培養目標投入到教育改革浪潮中。對于如何培養學生的計算思維，也成為廣大教育工作者孜孜探求的教育實踐。對此筆者認為，STEM課程與計算思維有相關的契合點，而STEM課程的特點，也使其對于學生的計算思維的培養具有相當的優勢。

其一，STEM課程強調學科的融合性。STEM課程其本質將是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Math）四門學科統一整合而成的課程領域，在這個課程領域中，各學科之間相互聯系、相互貫通。計算思維培養是全人教育的一種體現，所以計算思維的培養無法在單一的課程中完成。而STEM課程的學科融合性特點，使其成為計算思維培養的豐沃土壤。例如在STEM課程中，在科學或是數學領域的演算和問題設置，可以在工程和技術領域得到建模的證實。STEM課程不僅給予了學生在抽象上設計問題和分析數據的基礎，也提供了整合數據解決問題的途徑，這種跨學科融合的綜合課程，使學生的計算思維得以充分開發。

其二，STEM課程強調場景的重要性。基于中小學STEM校本課程和兒童早期的思維特點，STEM教育強調創造有趣的、貼近學生認知的場景進行教學。比如通過設計游戲、角色扮演、利用小程序等以增加教學趣味性，提高學生的興趣，培養好奇心和專注力;又比如聯系實際生活形成團隊協作的場景，更好地幫助學生進行“人類行為理解”等社會性探索。STEM課程通過貫穿不同學科、整合不同資源，創設不同場景，使學生在課程學習中從能力的提高上升到思維的養成，計算思維的培養也因此在STEM教育中的流動式場景中得以實現。

三、在STEM課程教學中培養計算思維

App Inventor應用編程，是一門融合數學、現代科學、現代計算機技術的STEM課程，它以可視化、模塊化的方式讓學生學習編程，有別于以往枯燥的編程設計，有利于激發學習興趣，促進學生主動學習。因此筆者以這門課程中《變魔術——初步認識App inventor應用編寫》這一課的教學為例，探討如何在STEM課程的教學中，通過開展不同的教學活動培養學生的計算思維。

1.以自主探究激活計算思維

App Inventor對代碼進行封裝，組成視覺效果豐富的模塊和組件，學生通過拖放代碼塊便能輕松編程。豐富的視覺和簡易的操作，不僅契合學生的認知特點，極大提高學生的學習興趣，而且便于教師創設啟發式的情境，引導學生開展自主探究學習。

在引入新知教學環節，教師以復習舊知識為導入，學生先復習選擇組件、調整屬性等系列操作，再生成二維碼下載apk并安裝，在安裝后學生發現問題——不能調用組件變魔術。教師通過引導學生發現新難題，為其創設啟發式的學習情境，而這一亟待解決的問題也成為學生躍躍欲試、進一步探究的動力。在帶領學生探究的過程中，教師要注意有目的、有條理的設問和引導，這樣才有助于在自主探究中，真正啟發學生的計算思維。比如，筆者在學生進行自主探索前，設置了“為什么裝上軟件之后不能調動組件”“我們在制作中缺少了什么東西”“請問如何解決這個問題”，這些能引發學生層層深入思考的問題。在這些問題的引導下，學生利用電腦和設備進行自主探究學習，便潛移默化地形成發現問題、分析問題的能力，從而有效激活、鍛煉計算思維。

2.以合作討論深化計算思維

合作學習能夠有效凸顯學生的主體地位，培養學生的參與意識，發揮學生的創造能力，帶動學生的共同進步，是教學活動中常用而卓有成效的方式。合作學習的形式多種多樣，有小組討論、合作探索、角色扮演等，教學中，以小組討論的合作學習形式，引導學生在合作討論中深化其計算思維。

教師以“使用導航指導駕駛”這一貼近學生生活的例子，啟發學生思考，并讓學生開展學習小組間的討論。首先，筆者讓學生討論“導航靠什么”，學生經過激烈討論，得出“汽車導航靠接收衛星信號”的結論;接著，筆者再讓學生思考討論“傳遞的信號需要包含哪些信息才能精確導航”，在教師的指引下，學生討論分析了傳遞的信號需要包含高度、汽車速度和方位等信息。最后，筆者回歸到本課教學，引導學生得出解決問題的關鍵所在——這一組件的調動需要運動來觸發。可見經過系列的小組討論，學生找到本課編程設計中的內在邏輯，從而有效的開發、培養了計算思維。

3.以操作實踐鍛煉計算思維

教學中，教師在學生討論得出解決難題的關鍵點、找到其內在邏輯和規律后，便指導學生通過實踐將討論的問題設計成可實現的程序，以此鍛煉其計算思維。首先，在學生動手實踐前，播放視頻讓學生清楚這一應用要實現的多個功能，具體包括：出現圖像——設備晃動、圖像消失——偵測到物體運動、再次出現圖像——調用照相機拍照。然后學生以小組為單位，對照所需的具體功能，共同進行代碼塊的編寫，學生編寫的代碼塊包括：①點擊設備按鈕1（Welcome！）出現圖像1;②設備的加速度傳感器被晃動，圖像1消失;③設備的距離傳感器偵測到有物體運動，圖像1出現;④點擊設備按鈕2（拍照）調用照相機拍照;⑤拍照完成將拍照圖像設置為圖像1。最后，學生通過掃二維碼進行檢測編程結果。可見，學生在實踐操作中，根據一定的邏輯，將需要解決的問題分解為清晰、具體的流程，并逐一加以實現，其分解能力、抽象能力和評估能力等計算思維能力得到深入鍛煉。

[基金項目：廣州市教育科學規劃2018年度重點課題——“新一代信息技術在中職創客教育的應用研究”（項目編號201811592）的課題論文]