基于“STEM+C”的計算思維培養的模型設計

曹曉靚

摘? 要：計算思維和STEM教育都強調要解決情境中的真實問題，由此提出了基于“STEM+C”活動的計算思維培養模型。通過“想象－研究－設計－制造－優化”的迭代過程，著重培養青少年計算思維、創意設計表達和跨學科解決真實問題的能力。

關鍵詞：“STEM+C”計算思維培養模型

一、STEM教育和少兒編程教育教學實施現狀

《中國STEAM教育發展報告》指出，國內的STEM課程存在諸多“水土不服”：STEM教學體系和評價缺乏系統化規范性；硬件設施和材料損耗較高，導致經費負擔重、課程更新慢等。能夠真正做到“跨學科”和“真落實”的本土化優質STEM課程并不多[1]。大多發生在校內信息技術課堂上的編程教育內容都側重編程語法和算法構建，缺乏培養學生創新素養和跨學科解決真實問題能力的探究活動。計算思維強調要基于真實問題展開，與之相似，STEM教育同樣注重通過多學科知識和多元化工具解決真實情境中的復雜問題。因此提出了基于“STEM+C”（此處的“c”computing，下同）的計算思維培養模型。

筆者主要采取文獻研究法，運用美國舊金山大學管理學教授韋里克提出的SWOT分析法，從四個維度對國內STEM教育實施現狀進行分析總結，旨在使基于“STEM+C”的計算思維培養模型設計更具科學化。

二、基于“STEM+C”活動的計算思維培養模型設計

《普通高中信息技術課程標準》明確將“計算思維”與“信息意識”“數字化學習與創新”“信息社會責任”作為信息技術學科的核心素養。可見，聚焦計算思維的培養是信息技術課程的重要方向，它強調培養學生運用計算機的處理方式界定實際生活中的問題、抽象特征、建立結構模型、科學整合數據，綜合各種資源和算法，形成問題解決方案。

有學者提出，計算思維包含“分解、抽象、算法、調試、迭代、歸納”六個要素[4]。STEM課程注重探究、學科整合與真實情境的交互。在活動設計時，應培養獨自探究與合作探究的能力。探究要注重課程之間的銜接性，調動興趣和求知欲，促使學習者自主發現并學會解決問題。設置層次分明的遞進式任務，步步深入發展學生的高階思維，同時做好相關拓展課程的延伸和知識遷移。在課程設計時，應注重多學科間的深入整合，情境的創設與支持也應從雙向角度考量，從真實情境中的問題出發再回歸到真實情境。根據這些特點，筆者構建了如圖1所示的基于“STEM+C”活動的計算思維培養模型。

三、教學案例剖析

通過對“基于SIR模型的疾病傳播模擬”活動案例的分析，具體闡述上述模型的應用。第一步：情境設置，激發興趣。2020年新冠病毒疫情暴發，鐘南山院士曾預測南方地區２月中旬會達到發病最高峰。第二步：定義問題－明確任務－知識儲備。鐘南山院士對疫情的預測并不是憑借經驗，而是通過數學模型分析并結合實際情況做出判斷。本次活動主要任務是了解疾病傳播的過程，建立從簡單到復雜的疾病傳播模型，編程實現疾病傳播的模擬。首先了解基本傳染數R0，指在沒有外力介入，同時所有人都沒有免疫力的情況下，一個感染者會把疾病傳染給多少人的平均數[3]。再了解SIR模型，又叫“易感者－感染者－免疫者”傳染病模型，指得了一次病就不會再得第二次，但有些疾病感染之后不會獲得免疫力，就像常見的感冒和流感，稱為“易感者－傳染者－易感者”模型（SIS模型）。第三步：問題分解-模式識別-抽象化。（1）問題分解。計算思維的第一個步驟是把復雜的問題分解成若干易處理的小問題，首先將人群分成易感者、感染者、免疫者三大類。（2）模式識別。構建出它們的關系模型：易感者→感染者→免疫者。（3）抽象化。定義“鄰居”：把每個人抽象成一個方塊，與方塊任意一邊相鄰的方塊代表的是社交圈里的一個人，假設每個人有4個鄰居；定義“一格”：現實生活中從傳染、生病到治愈需要一定時間，假設這段時間周期為一格。第四步：算法構建－流程設計－編寫程序。算法構建，也就是模型運行的規則。規則一是感染者有一定概率在下一步讓易感者鄰居成為感染者。規則二是疾病只能通過感染者傳播給“鄰居”，而不能隔空傳播。通過思維導圖的方式進行數據流分析，梳理每個角色之間的結構關系和事件關系，最后編寫程序實現。第五步：測試優化與分享交流。通過修改規則增加挑戰，使其更貼近真實生活。譬如提出“如果是SIS模型，思考改變哪些規則？”。

四、總結與反思

STEM教育融入C（computing），是以信息技術為抓手、項目化學習為方式，運用科學原理、數學計算、工程設計培養學生計算思維的有效手段。該模型通過“想象-研究-設計-制造-優化”的迭代過程著重培養青少年計算思維、創意設計表達和跨學科解決真實問題的能力，將分解、抽象、算法、調試、迭代和歸納六個要素滲透在各個環節。由于該案例正是源于當時疫情背景設計的，大大調動了學生的學習研究熱情。

經過實踐，筆者做出如下反思：一是進一步完善評價指標。現存課程評價指標較模糊，缺少量化數據支撐課程實施后學生在創意表達、跨學科學習能力和計算思維方面的明顯變化。應在后續研究中進一步完善評價體系，做到多元化、多角度，科學、細化、具體的評價指標。二是不斷豐富活動案例的設計。結合青少年身心和認知特點，進一步挖掘提煉，設計更富創意性和開放性的活動案例。三是課程建設要考慮時代性與社會性。科學技術發展日新月異，需要及時更新并淘汰落后于時代發展的內容。課程建設還要考慮社會性，力圖將課堂與社會熱點鏈接，提供解決真實情境中有效問題的機會，引導學生學會思考和分析方案的優點與缺點，再簡化優化算法，逐步找到最優策略。

【參考文獻】

[1]教育部教育管理信息中心.中國STEAM教育發展報告[M].北京：科學出版社，2017.

[2]Shute V J，Sun C，Asbell-Clarke J.Demystifying computational thinking[J].Educational Research Review，2017，22：142-158.

[3]葛瑛，李太生.應對中東呼吸綜合征，要關注不要緊張[J].中華內科雜志， 2015.