武建鑫 宋 雨

(陜西科技大學(xué)教育學(xué)院 陜西 西安 710021)

一、引言

隨著人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，計算思維已經(jīng)成為現(xiàn)代公民開啟智能化時代大門的“入場券”。從《2017地平線報告(基礎(chǔ)教育版)》可知，“計算思維是一項基本技能，這種能力可以表述為：‘在理解和解決問題的過程中，運用技術(shù)來形成和驗證解決方案是否正確有效的能力?！嬎闼季S’應(yīng)該是閱讀、寫作、計算之外的另外一項需要熟練掌握的基本技能?！盵1]74。由此產(chǎn)生的有關(guān)計算思維如何培養(yǎng)等問題受到社會廣泛關(guān)注。例如，國際教育技術(shù)協(xié)會(International Society of Technology in Education,ISTE)于2018年在學(xué)生教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中明確將計算思維作為K-12學(xué)習(xí)者必不可少的技能之一[2]。歐盟委員會聯(lián)合研究中心明確將計算思維納入各級義務(wù)教育，歐洲大多數(shù)國家已將計算思維整合到學(xué)校課程中[3]。從計算思維的教育實踐來看，《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》明確指出：“信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任。”[4]目前，我國中學(xué)生的計算思維培養(yǎng)途徑側(cè)重于信息技術(shù)課程，且主要圍繞Word、Excel、PowerPoint和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等基礎(chǔ)性知識內(nèi)容展開，通過簡單操作即可完成，學(xué)生進行的思維反思和實踐探究比較少。當(dāng)前這種培養(yǎng)計算思維的方式呈現(xiàn)出重操作技能、輕思維培養(yǎng)的態(tài)勢，學(xué)生的計算思維學(xué)習(xí)過程脫離了真實復(fù)雜的社會情境，一定程度上導(dǎo)致計算思維的教育教學(xué)實踐失去了解決真實世界問題的價值。由此可知，改變傳統(tǒng)信息技術(shù)課程的教學(xué)模式、準(zhǔn)確把握計算思維的內(nèi)涵及教育價值、探索適切于培養(yǎng)計算思維的課程教學(xué)模式，無疑是當(dāng)前計算思維研究領(lǐng)域的重要課題。

作為一種重實踐、跨學(xué)科的教育理念，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(Science、Technology、Engineering、Mathematics，STEM)教育倡導(dǎo)將各個領(lǐng)域的知識加以整合形成綜合性課程，加強學(xué)科間的相互配合，在項目活動中應(yīng)用多學(xué)科的知識解決真實問題，發(fā)揮綜合育人功能。STEM這一概念運用場景過于廣泛，其內(nèi)涵和指向因情景差異而有所不同，通常情況下對STEM有三種理解。第一，STEM是分科的，它代表著科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門獨立的學(xué)科領(lǐng)域；第二，STEM又是整合的，這或許是今天強調(diào)和重視STEM時最為看重的；第三，STEM還是延伸和擴展的，表現(xiàn)出極大的包容性，比如其融入藝術(shù)(Art)元素后成為STEAM[5]?；赟TEM教育內(nèi)涵的后兩種理解，學(xué)者們認(rèn)為STEM問題解決中的一項關(guān)鍵能力當(dāng)屬計算思維，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已逐漸成為STEM教育的重要目標(biāo)。斯韋德(Swaid)介紹的HBCU-UP II項目即致力于將計算思維帶入科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STEM)學(xué)科中[6]。李(Lee)等人梳理了在K-12學(xué)習(xí)中對“STEM+計算思維”整合的重要性和理解[7]。溫特羅普(Weintrop)等人系統(tǒng)論述了STEM教育與計算思維的互惠關(guān)系，指出計算思維在幫助學(xué)習(xí)者解決真實生活中復(fù)雜問題的同時，習(xí)得學(xué)科知識與多元能力，計算思維在實踐計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)和科學(xué)的概念與知識的基礎(chǔ)上互利共生[8]。顯然，將STEM教育視為培養(yǎng)計算思維的重要方法論，且依托其高度的整合性和包容性特征，在解決真實問題的過程中跨越計算機科學(xué)邊界培養(yǎng)計算思維，已然是目前眾多計算思維教育研究者所尋求的實踐路徑?；诖耍狙芯繉⒂嬎闼季S視為人工智能時代的必備素養(yǎng)，嘗試建構(gòu)面向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模式，以期為我國K-12階段學(xué)生計算思維習(xí)得提供有益參考。

二、計算思維：人工智能時代必備的素養(yǎng)

以人工智能為核心的產(chǎn)業(yè)革命宣告了一個新時代的到來，這不僅是一次技術(shù)變革之于人才培養(yǎng)的強烈訴求，而且是一次反思教育和重塑課程教學(xué)的良好契機。

(一)計算思維概念追溯及其內(nèi)涵學(xué)說分支

作為計算機科學(xué)領(lǐng)域的一個新概念，計算思維(Computational Thinking，CT)最早見于麻省理工學(xué)院佩珀特(Papert)于1980年出版的著作《頭腦風(fēng)暴：兒童、計算機及充滿活力的創(chuàng)意》(Mindstorms:Children,Computers,andPowerfulIdeas)中，他認(rèn)為可以將計算機作為兒童思維的輔助工具，改變現(xiàn)在學(xué)生在學(xué)校的學(xué)習(xí)方式和思考方式，比如通過分解計算步驟的方式展示運用計算思維解決非程序問題[9]。顯然，佩珀特所指的計算思維還停留在計算機學(xué)科的程序化操作過程，尚未指向解決更廣闊世界的復(fù)雜問題所需要的思維技能的本質(zhì)內(nèi)涵。正式提出計算思維的學(xué)者當(dāng)屬美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真(Wing)教授，她于2006年提出這一概念，并將其界定為運用計算機科學(xué)基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，并描述了計算思維具有概念化、基礎(chǔ)化、以人類為思維主體、強調(diào)數(shù)學(xué)與工程思維的互補融合、強調(diào)思維特點、面向所有人及所有領(lǐng)域的六大特性[10]。此后，周教授對計算思維這一概念進行了完善，進一步將計算思維表述為一種解決問題的思維過程，能夠抽象、清晰地將解決方案和問題用信息處理代理(人或機器)有效執(zhí)行的方式表示出來。盡管這一概念奠定了之后計算思維研究與實踐的基調(diào)，但是伴隨著信息技術(shù)時代的風(fēng)云變幻，這一概念的內(nèi)涵和外延也呈現(xiàn)出層次多樣的變化。

當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對計算思維的闡釋主要有以下四種學(xué)說分支。一是能力說，強調(diào)信息時代解決復(fù)雜問題必需的一種本領(lǐng)或力量。2018年，ISTE將計算思維界定為利用計算機科學(xué)的核心原理和實踐來解決模糊、復(fù)雜和開放式問題，利用計算的力量設(shè)計解決方案?？茽柨笋R茲(Korkmaz)等人在此基礎(chǔ)上指出，計算思維作為一種復(fù)合型能力，包含協(xié)作思維、計算思維、創(chuàng)造力、批判性思維以及問題解決能力[11]。二是過程說，強調(diào)人類在解決問題過程中的心理活動。南安普敦大學(xué)的塞爾比(Selby)和伍拉德(Woollard)指出計算思維應(yīng)關(guān)注問題的解決過程，最終得出計算思維包含五個方面，即抽象、分解、算法、評估以及概括[12]。三是特征說，強調(diào)計算思維在操作認(rèn)知層面所呈現(xiàn)的特性和表象。2011年，ISTE和CSTA從操作層面指出計算思維的特征主要表現(xiàn)在：(1)能針對具體問題構(gòu)想出利用計算機或相關(guān)工具解決問題的方案；(2)有邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；(3)通過抽象的方式表示數(shù)據(jù)；(4)通過算法形成自動化解決方案；(5)針對達到目標(biāo)結(jié)果的效率和效能，判斷、分析和實施可行性方案；(6)將解決問題的過程一般化，并應(yīng)用于更寬泛的問題解決中[13]。四是框架說，強調(diào)計算思維的透視維度和基本架構(gòu)。布倫南(Brennan)和雷斯尼克(Resnick)基于兒童編程環(huán)境Scratch構(gòu)建的計算思維三維框架，即計算概念、計算實踐、計算觀念，對計算思維的教學(xué)培養(yǎng)設(shè)定了層次路徑，成為此后諸多計算思維教學(xué)的理論支撐及實踐指導(dǎo)。

從信息時代轉(zhuǎn)向人工智能時代的進程中，上述四種有關(guān)計算思維的論說仍然具有重要的價值，然而，如今計算思維已經(jīng)超越狹義層面計算機科學(xué)的學(xué)科核心素養(yǎng)，其內(nèi)涵和外延變得越來越多元，需要從現(xiàn)代公民必備的技能或素養(yǎng)的層面來把握成為必然。就本研究而言，課題組立足人工智能時代計算思維的廣義理解，借鑒英國學(xué)者阿松(Curzon)和麥克歐文(McOwan)對計算思維的分層學(xué)說，面向綜合問題解決能力的培養(yǎng)，聚焦于中學(xué)生計算思維的教育教學(xué)實踐，從微觀技能層面將計算思維轉(zhuǎn)化為學(xué)生分解、抽象、算法、評價和概括等系列程序性技能，在此基礎(chǔ)上形成整合性素養(yǎng)，主要包括以算法思維為核心的計算建模、科學(xué)思維、邏輯思維、模式匹配，寄希望于人人都能超越計算思維所賦予的能力形成一種計算文化的認(rèn)知方法論。

(二)計算思維的教育價值

人類已踏入人工智能時代，很多行業(yè)都將因人工智能的發(fā)展而快速升級和轉(zhuǎn)型。處理海量數(shù)據(jù)、模擬復(fù)雜系統(tǒng)、組織大型工程、用計算機精確可控地實現(xiàn)從想法到產(chǎn)品的整個過程，大大拓展了人類認(rèn)知世界和解決問題的能力[14]。2019年5月，聯(lián)合國教科文組織在發(fā)布的《人工智能教育報告》(以下簡稱《報告》)中明確指出，計算思維已經(jīng)成為使學(xué)習(xí)者在人工智能驅(qū)動的社會中蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵能力之一[15]。從《報告》的語境中可以看出，人工智能時代的計算思維將不再僅僅指向人人擁有計算機科學(xué)家思考問題的一種意識，而是基于“計算模型”構(gòu)建的一種能夠運用計算方式和計算工具來幫助解決問題的能力。這一認(rèn)識的重大轉(zhuǎn)變來自丹寧(Denning)于2017年在《美國科學(xué)家》上發(fā)表的一篇文章，文中指出計算思維最本質(zhì)的概念是計算模型，所有學(xué)科的研究都是在一個或者幾個模型架構(gòu)上展開的，即使對于社會科學(xué)和人文學(xué)科也是如此[16]。這也意味著計算思維2.0時代的到來，作為一種基礎(chǔ)性能力的擴展，計算思維將不再限于計算科學(xué)教育的范疇，當(dāng)代教育工作者有責(zé)任通過項目式教學(xué)、跨學(xué)科課程等方式與其他學(xué)科搭建關(guān)系，進而在更廣泛的知識、思維、技術(shù)、視野等層面獲得解決問題的能力。

教育要立足當(dāng)下，面向未來。作為人工智能時代重要能力之一，計算思維理應(yīng)成為各級教育教學(xué)進程、課程建設(shè)、教學(xué)模式當(dāng)中考量的關(guān)鍵變量，有著不同尋常且重要的教育價值。其一，計算思維教育有助于拓展學(xué)習(xí)者認(rèn)知世界的思維方式，特別是身處萬物皆可計算的環(huán)境中，能夠更好地理解并適應(yīng)當(dāng)下的數(shù)字世界及其技術(shù)工具，進而通過計算構(gòu)建全新的社會結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟系統(tǒng)。其二，計算思維教育為學(xué)生提供跨學(xué)科教育成為可能，鑒于計算思維對所有學(xué)科的輻射力，教育教學(xué)實踐中往往通過設(shè)置綜合課程或研學(xué)項目將不同學(xué)科的知識、技能、思維有效地融合在一起。其三，計算思維教育有助于提高學(xué)習(xí)者解決問題的能力，特別是面對“瓶頸”時，可以有效識別問題所在，進而將復(fù)雜問題分解并予以概念化，然后通過選擇、評價、整合的策略創(chuàng)造性地解決困難。當(dāng)然，計算教育在日常生活中同樣具有指導(dǎo)作用，例如，把旅游計劃分為食、住、行三大模塊，用分解的思想做好旅游攻略，所有食譜也都是算法。上述計算教育價值的實現(xiàn)絕非某一學(xué)科或某一階段的教育能夠完成，辦學(xué)者理應(yīng)將計算思維教育貫穿學(xué)習(xí)者整個教育過程，從K-12到高等教育階段都要有系統(tǒng)的協(xié)同和銜接機制。

三、STEM課程：超越傳統(tǒng)的計算思維課程與培養(yǎng)模式

(一)傳統(tǒng)課程與計算思維的培養(yǎng)

近年來，我國中小學(xué)計算思維的培養(yǎng)仍然依托計算機科學(xué)，在具體的信息技術(shù)課程中呈現(xiàn)核心內(nèi)容或偏向于程序設(shè)計語言，或偏向于技術(shù)工具應(yīng)用，學(xué)生對計算的理解較為狹隘，難以形成計算思維能力[17]。在我國，以培養(yǎng)數(shù)字化工具應(yīng)用能力為主的信息技術(shù)教育已經(jīng)不能滿足當(dāng)前國際在科技創(chuàng)新和科技人才培養(yǎng)上的新形勢[18]。信息技術(shù)世界風(fēng)云變幻，我國基礎(chǔ)教育階段有關(guān)計算思維教育的實踐與改革仍顯滯后。雖然已經(jīng)完成從計算機教育到信息素養(yǎng)教育的轉(zhuǎn)變，但是尚未全面實現(xiàn)超越信息技術(shù)課程開展計算思維的培養(yǎng)模式，特別是在計算模型架構(gòu)下的抽象、分解、編程、評價等相關(guān)知識和技能的教育教學(xué)體系[19]。例如，當(dāng)前中學(xué)計算思維教育的方式主要是信息技術(shù)課程教學(xué)，其教科書大多以“編程知識講解”方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，約72%屬于編程教學(xué)范疇，24%涉及跨學(xué)科課堂計算思維的培養(yǎng)”[20]64。

傳統(tǒng)的基于計算程序設(shè)計的計算思維培養(yǎng)策略存在許多局限性。其一，信息技術(shù)課堂以知識點的講授為主，教學(xué)方法比較單一。而計算思維比較抽象，教學(xué)過程中容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)興趣[21]。其二，側(cè)重以計算機語言編碼為主的程序?qū)W習(xí)，在強調(diào)學(xué)生動手操作能力的同時，忽略了程序模塊之間更加廣闊的關(guān)系，以及對學(xué)生創(chuàng)造力的激發(fā)和計算思維的引導(dǎo)。其三，在信息技術(shù)項目式教學(xué)設(shè)計中，缺乏具體能力培養(yǎng)的模塊化課程的體系化設(shè)計，不利于學(xué)生計算思維的訓(xùn)練及能力的養(yǎng)成。計算思維不應(yīng)該讓每個人像計算機科學(xué)家或者程序員一樣思考，而應(yīng)該教學(xué)生學(xué)到這種思維所傳遞的思想和方法，應(yīng)用所學(xué)來發(fā)現(xiàn)新問題并解決問題，以便在更廣闊的知識海洋和真實情境中探索。事實上，計算思維先于計算機科學(xué)出現(xiàn)，程序也不是計算思維的唯一培養(yǎng)模式，因此計算思維教育就超越了傳統(tǒng)的代碼操練式學(xué)習(xí)，應(yīng)該跳出傳統(tǒng)模式的限制尋求更多可能。

(二)STEM課程與計算思維的培養(yǎng)

計算思維的內(nèi)在價值是數(shù)據(jù)抽象、模型假設(shè)、自動化實現(xiàn)和解決問題，兼具數(shù)學(xué)思維、工程思維、科學(xué)思維和跨學(xué)科思維，是能夠?qū)?shù)學(xué)、科學(xué)與工程思維互補融合的、動態(tài)的和綜合性的思維，對提升問題解決能力具有重要價值，可以融入不同學(xué)科、場景乃至生活各方面[22]。

1.STEM課程與計算思維的契合性

STEM課程與計算思維發(fā)展之間存在許多契合點，這對于精準(zhǔn)培養(yǎng)學(xué)生的計算思維極其重要。兩者的契合點主要表現(xiàn)在兩個方面。一方面，在課程組織方面，兩者內(nèi)在聯(lián)系緊密。STEM課程最基本的含義是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科的有機整合。“STEM課程強調(diào)跨學(xué)科的整合，它是基于高新技術(shù)的應(yīng)用，基于實踐中的科技問題的”[23]16。計算思維的許多思想與STEM課程中的學(xué)科有聯(lián)系。例如，計算思維與數(shù)學(xué)中的建模、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計和概率等為共同概念。計算思維與工程之間的重疊包括迭代思想、理解復(fù)雜系統(tǒng)在現(xiàn)實世界中的運作方式等。因而將計算思維融入STEM課程中具有可行性。另一方面，在教學(xué)資源方面，兩者具有天然的適配性。在STEM教育中，上課地點可以在配有平板電腦、傳感器、電路板、單片機、3D打印機、體感設(shè)備等先進科技工具的工作坊中。因此，可以利用各種工具及技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，在學(xué)習(xí)過程中加強計算工具組件的體驗感，提高計算思維能力。

2.STEM課程教學(xué)模式的優(yōu)勢

目前，我國中小學(xué)STEM課程主要通過綜合實踐課、信息技術(shù)課、創(chuàng)客活動來實施，以可視化編程、機器人設(shè)計、3D打印等為課程主題，以探究式學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)、設(shè)計型學(xué)習(xí)等教學(xué)模式指導(dǎo)學(xué)生實踐[24]。其中，項目式學(xué)習(xí)(Project-Based Learning，PBL)是“以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心”的一種教學(xué)組織方式。本研究所指的STEM課程即指基于項目式學(xué)習(xí)的STEM課程，采用這種課程培養(yǎng)學(xué)生的計算思維具有獨特的優(yōu)勢。

綜合來看，STEM課程教學(xué)模式的優(yōu)勢主要包括三點。一是情境性。計算思維本質(zhì)也是為了解決真實世界問題的一種方式，而STEM課程的選題原則也是基于真實世界的實踐訴求。以真問題引入特定情境中，一方面，相對于枯燥乏味的傳統(tǒng)計算思維培養(yǎng)模式，STEM課程能導(dǎo)向性地吸引學(xué)生的注意力，更為生動和貼近生活，并且能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面，在具體情境中學(xué)到的思維能力，學(xué)習(xí)效果比直接灌輸?shù)闹R印象更深刻，在遷移應(yīng)用時也更容易調(diào)動思維，激發(fā)學(xué)生更多的學(xué)習(xí)行為，從而適時進行啟發(fā)式教學(xué)。二是跨學(xué)科。在萬物互聯(lián)和提倡跨界融合的時代，計算思維的培養(yǎng)也需要科學(xué)革命。STEM課程最核心的特征就是跨學(xué)科，利用多學(xué)科的知識與技能解決問題。將計算思維的培養(yǎng)滲入多學(xué)科中，有助于引導(dǎo)學(xué)生突破思維定勢，打通學(xué)科邊界，使學(xué)生意識到計算思維無處不在、處處可用，從而實現(xiàn)計算思維的遷移和融會貫通，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維[25]。三是整合性。STEM課程以項目的進行貫穿整個教學(xué)過程，可根據(jù)項目涉及的不同學(xué)科知識之間的連接點和整合點，將分散的學(xué)科知識以問題的方式邏輯結(jié)構(gòu)化，整合在學(xué)習(xí)情境中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出問題解決方案、遷移運用知識[26]。綜上所述，本研究基于STEM課程的項目式教學(xué)模式，讓學(xué)生在真實情境中體驗計算思維、應(yīng)用計算思維、提供計算思維與多領(lǐng)域相結(jié)合的實踐機會，發(fā)展學(xué)生在人工智能時代的適應(yīng)力和創(chuàng)新力。

四、面向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模式構(gòu)建

由上述分析可知，計算思維是一套完整的技術(shù)，不僅將算法作為解決方案，還能夠提供一種強有力的模式來改善事物和思考世界。本研究嘗試提出一種課程教學(xué)模式，即通過基于項目的STEM課程活動來發(fā)展學(xué)生的計算思維。

本研究按照計算思維的廣義界定，從解決問題的綜合技能與思維架構(gòu)出發(fā)，構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模式圖，如圖1所示。該模式圖包括兩個環(huán)形圖，左圖是計算思維的結(jié)構(gòu)圖，整體分為程序性技能和整合性素養(yǎng)兩個層面。程序性技能主要包括分解、抽象、算法、評價和概括；整合性素養(yǎng)主要包括以算法思維為核心的邏輯思維、計算建模、科學(xué)思維和模式匹配。模式圖的核心是將計算思維的培養(yǎng)融合到基于項目的STEM課程中，利用項目式的學(xué)習(xí)與實踐過程，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計算思維。

圖1 指向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模式圖

(一)計算思維的分層與整合培養(yǎng)

算法思維是計算思維的核心，它本身包括一系列其他技能，如抽象、概括、分解以及評價等，學(xué)習(xí)算法技能就是在培養(yǎng)算法思維。算法思維的核心在于邏輯思維、模式匹配以及待解決問題選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)表現(xiàn)方式。它通過計算建模方式，運用科學(xué)思維，正在不斷改變科學(xué)研究的方式[27]。簡而言之，學(xué)生通過基于項目的STEM課程學(xué)習(xí)掌握程序性計算思維技能，再通過多次STEM課程的訓(xùn)練形成整合性計算思維素養(yǎng)。

計算思維在思維能力層面屬于復(fù)合思維，具體包括四方面。

1.邏輯思維，學(xué)生經(jīng)歷STEM課程的整個流程，就是在踐行如何有邏輯地思考問題。從微觀層面來看，STEM課程包含數(shù)學(xué)科目內(nèi)容，而邏輯本身就是非常簡單和精確的數(shù)學(xué)語言。因此，通過該模式既可以提高學(xué)生的數(shù)學(xué)水平，又可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。

2.計算建模，即根據(jù)現(xiàn)實世界中的復(fù)雜系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進行求解，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果輔助人們回應(yīng)實踐訴求。一般情況下，面臨現(xiàn)實生活中的常規(guī)問題，可通過計算建模來提供高效便捷的解決方案。對于較為復(fù)雜的新型問題，可通過模擬現(xiàn)實來把握其運行機理，進而做出科學(xué)有效的決策。

3.科學(xué)思維，要求以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ê蛻B(tài)度通過實驗來驗證預(yù)設(shè)命題?；陧椖康腟TEM課程符合這一要求。學(xué)生在STEM課程具體實踐中構(gòu)建知識、驗證方案，不斷發(fā)現(xiàn)錯誤并糾正，將理論變?yōu)楝F(xiàn)實。

4.模式匹配，即可以識別兩個相同或類似問題的能力。在日常生活中提到的直覺就是一種基于許多經(jīng)驗在潛意識層面進行的模式匹配。在STEM課程中，特別是教師的回顧反思階段，能夠有效地激發(fā)學(xué)生聯(lián)想現(xiàn)實生活中遷移應(yīng)用的場景或作答類似問題的方案。

綜上所述，基于項目的STEM課程有利于教師借助于實踐培養(yǎng)學(xué)生的一系列計算思維技能，把學(xué)生潛意識當(dāng)中的各項計算思維得以外顯化和不斷強化，助力學(xué)生遇到實際問題時可以更快速更靈活地調(diào)用成熟的解決方案。

(二)基于項目的STEM課程教學(xué)流程

圖1右邊是基于項目的STEM課程教學(xué)流程圖，包括確定問題、制定計劃、實施項目、評價修改和回顧反思五個階段。教師可通過這五個階段引導(dǎo)學(xué)生參與真實的項目實踐，體驗從確定問題、分析問題到形成解決方案的完整實踐過程。

1.確定問題。分析教學(xué)目標(biāo)、學(xué)習(xí)者特征和跨學(xué)科知識，確定項目主題，依托真實情景中的具體問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。

2.制定計劃。學(xué)生以小組為單位采用頭腦風(fēng)暴和繪制思維導(dǎo)圖等方式剖析問題、梳理關(guān)鍵步驟。在此過程中教師通過學(xué)習(xí)支架引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷高階思維過程，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

3.實施項目。學(xué)生按計劃參加項目活動，在實踐過程中體驗和訓(xùn)練計算思維的程序性技能和整合性素養(yǎng)，教師適時為學(xué)生提供輔導(dǎo)和資源。

4.評價修改。在初步完成項目后，學(xué)生繼續(xù)測試和完善作品，教師設(shè)計評價方案，通過評價提高學(xué)生的項目完成度和迭代能力。

5.回顧反思。學(xué)生借助于知識圖譜和項目復(fù)盤表對項目做總結(jié)。教師設(shè)計可遷移應(yīng)用的實例，讓學(xué)生鞏固習(xí)得的知識與技能，使其計算思維得到強化和外顯化。

五、案例呈現(xiàn)

本研究以“制作紅外測溫儀”為具體案例闡述上述課程教學(xué)模式。該案例富含課程思政元素，具有培養(yǎng)愛國主義精神和社會責(zé)任感的重要價值。

該課程的授課對象是初中生。由皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段論可知，初中生正處于形式運算階段，具備歸納邏輯和批判性思維，已經(jīng)能夠理解復(fù)雜抽象的概念，并將概念賦予具體的情境中加以分析。這些思維與計算思維具有一定的重合性，說明將初中生作為授課對象具有可行性。此外，在學(xué)科知識方面，初中生在函數(shù)計算、語法邏輯、電路圖、電子元件等知識方面有積累，卻對于完整的工程操作以及新興技術(shù)的應(yīng)用鍛煉較少，故該課程處于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)。

(一)案例簡綱

1.項目主題

項目主題為“制作紅外測溫儀”，它是融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科的STEM項目，在知識、技能、素養(yǎng)的培養(yǎng)要求上比較符合初中生的學(xué)習(xí)特征和認(rèn)知需要。首先，在項目執(zhí)行過程中，學(xué)生可以有效體驗計算思維在解決問題中的方式和作用，比如應(yīng)用分解技能制定項目計劃、利用概括解決同類問題。其次，在制作紅外測溫儀的完整學(xué)習(xí)活動中，有助于學(xué)生了解發(fā)現(xiàn)問題、確定問題、制定計劃和解決問題的全過程。最后，該項目將學(xué)科知識與社會生活中廣泛關(guān)注的熱點問題結(jié)合起來，能更有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的社會觀察能力和責(zé)任感。

2.項目內(nèi)容

該課程共分為6課時，具體參考“制作紅外測溫儀”課程框架簡介，見表1。

表1 “制作紅外測溫儀”課程框架

3.項目目標(biāo)

(1)在教師指導(dǎo)下，學(xué)生以小組為單位完成紅外測溫儀的制作，能在班級、校園或社區(qū)中投入使用。

(2)學(xué)生掌握科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識?？茖W(xué)涉及理解紅外線傳感器、開發(fā)板、顯示屏、蜂鳴器、3D打印機的工作原理和功能等，技術(shù)上主要了解編譯、編程等概念的學(xué)習(xí)和軟件的操作，工程方面主要了解設(shè)計圖的繪制、各組件的組裝、程序結(jié)構(gòu)的迭代優(yōu)化、CAD制圖、激光切割等，數(shù)學(xué)涉及函數(shù)、邏輯語句等知識。

(3)學(xué)生達到義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中計算思維能力要求。能對問題進行抽象、分解、建模，并通過設(shè)計算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運用于解決其他問題。

(4)學(xué)生通過STEM項目實踐，認(rèn)識到技術(shù)和思維方式對人類生活和科學(xué)的深刻影響。鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維、邏輯思維、模式匹配能力。培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作、敢于批判、對解決復(fù)雜問題具有信心等品質(zhì)。

4.項目過程

按照項目任務(wù)，活動過程包括確定問題、制定計劃、實施項目、評價修改、回顧反思等環(huán)節(jié)，見表2。

5.項目資源

相關(guān)項目資源包括課堂組織常用的圖表、項目實施過程中應(yīng)用到的硬件和軟件工具以及學(xué)生知識輸出時的知識圖譜和項目“復(fù)盤”表，見表2。

表2 項目活動過程

6.項目評價

針對計算思維的思維層面和技能層面分別采取相應(yīng)的評價方式，包括教師評價、學(xué)生自評和學(xué)生互評，評價手段包括過程性評價和總結(jié)性評價。具體評價方案見表3。

表3 “制作紅外測溫儀”評價方案

(二)案例說明

教師創(chuàng)設(shè)真實情境問題：“在疫情期間有個小衛(wèi)士每天監(jiān)測我們的體溫，我們要用自己設(shè)計的測溫儀保衛(wèi)健康。”在學(xué)生了解紅外測溫儀后，教師講解紅外線測溫的原理，讓學(xué)生頭腦風(fēng)暴初步思考制作方案。學(xué)生繪制思維導(dǎo)圖的過程即應(yīng)用分解的技能。接著教師需要向?qū)W生提供“腳手架”，幫助學(xué)生習(xí)得編程、元件組裝和打印外殼等知識。這樣做的優(yōu)勢，一是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，也學(xué)習(xí)知識中蘊含的思維技能；二是掃清技術(shù)上的難關(guān)，使學(xué)生更有精力分配在思維技能的提升上。例如，學(xué)習(xí)Arduino IDE編程軟件就是在學(xué)習(xí)算法和邏輯思維，軟件中分模塊的設(shè)置就是在強化學(xué)生分解的技能。然后學(xué)生根據(jù)習(xí)得知識制定計劃，該過程會訓(xùn)練抽象的技能。以“用3D打印技術(shù)制作紅外測溫儀外殼”為例，其中涉及很多小步驟，包括用建模軟件進行三維建模、設(shè)置打印路徑、裝入3D打印材料、設(shè)定打印參數(shù)、后期處理等細(xì)節(jié)。在項目實施過程中，學(xué)生實現(xiàn)“做中學(xué)”的目標(biāo)，同時應(yīng)用和體會技能與情感態(tài)度。例如，如果學(xué)生未檢查程序代碼就上傳程序?qū)е率?，他就會切身體會到科學(xué)思維中強調(diào)的預(yù)實驗的重要性，養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度以及明白按照算法程序執(zhí)行的重要性。在評價項目時，可以培養(yǎng)學(xué)生的迭代思想和抽象能力。例如，想比較兩種測溫儀哪一種響應(yīng)速度更快，不需要考慮時間本身而是考查相同時間內(nèi)被檢測的人數(shù)。在回顧反思階段，學(xué)生借助于知識地圖和項目“復(fù)盤”表等認(rèn)知工具，將分科內(nèi)容融合吸收。在強化訓(xùn)練時，學(xué)生能通過概括和模式匹配自覺利用舊知識解決新問題。例如，在學(xué)習(xí)紅外線測溫的原理后，學(xué)生能輕松制作火災(zāi)報警系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)舵機模塊后制作出智能垃圾桶。學(xué)生通過學(xué)習(xí)智能垃圾桶的編程，就可以理解物聯(lián)網(wǎng)的概念，然后很容易就泛化到整個智能家居領(lǐng)域，甚至是理解整個人工智能行業(yè)。綜上可見，通過基于項目的STEM課程教學(xué)模式可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

六、結(jié)語

本研究基于計算思維的分層與整合培養(yǎng)框架，初步構(gòu)建面向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模型，在“制作紅外測溫儀”的課程案例中，遵循項目式學(xué)習(xí)的基本流程，較好地體現(xiàn)了計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)。通過對該模式的分析與描述，一定程度上能夠推動面向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)，并在教育教學(xué)實踐過程中迭代更新、逐步完善。當(dāng)下的教學(xué)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很多變化[28]，在未來的研究中，該模式還需進行課堂環(huán)境下的實證研究，特別是深入挖掘STEM課程助力計算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式，學(xué)生在課堂中習(xí)得計算思維的評價方式，以及教師的跨學(xué)科和信息技術(shù)素養(yǎng)對課程效果的影響。科學(xué)地回應(yīng)這些問題，不僅有利于回答面向計算思維培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模式，還有助于推進我國基礎(chǔ)教育階段計算思維的課程教學(xué)改革實踐。