［摘 要］通過對現(xiàn)行高中信息技術課程標準及教材進行分析，明確高中程序設計教學的主要目標。在此基礎上，基于STEM教育理念，結合學生的勞動課程背景，設計了以“智慧農(nóng)場”為主題的程序設計課程。該課程在激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生計算思維方面成效顯著。

［關鍵詞］STEM教育理念；程序設計；課程開發(fā)；Python

［中圖分類號］ G633.67 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-6058（2024）26-0097-03

如今，科技已成為各國推動經(jīng)濟發(fā)展、參與國際競爭的核心要素，因此各國均高度重視科技人才的培養(yǎng)。在人才培養(yǎng)的課程實施中STEM（科學、技術、工程、數(shù)學）的導向已成為一種流行趨勢。將STEM教育理念融入信息技術課堂也已成為廣泛共識。

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確指出，普通高中信息技術課程旨在全面提升學生信息素養(yǎng)，幫助學生掌握信息技術基礎知識與技能、增強信息意識、發(fā)展計算思維、提高數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力、樹立正確的信息社會價值觀和責任感[1]。作為培養(yǎng)學生計算思維的關鍵課程，程序設計課程備受矚目。20世紀80年代，受“程序設計是第二文化”觀念的影響，我國中小學開始開設程序設計課程，這在一定程度上促進了計算機教育的普及。然而，這也帶來了一些問題。部分教師錯誤地將培養(yǎng)計算思維等同于“代碼操練”，過于強調(diào)程序設計語言的語法和格式，導致教學內(nèi)容過難、教學方法單一，實施困難。這種教學方式限制了學生的思維，使學生覺得課程“沒意思”、“枯燥”且“學不懂”[2]。

高中程序設計課程是培養(yǎng)學生計算思維的一項重要途徑，其并非要求每個學生都成為軟件工程師，而是讓每個學生理解信息技術學科領域的思想方法，并應用這些思想方法創(chuàng)造性地解決問題，這體現(xiàn)了“計算思維+”的教育理念。因此，程序設計課程不應只是簡單的知識傳授和技能訓練，也不應局限于傳統(tǒng)的編碼?；赟TEM教育理念設計程序設計課程，旨在通過項目式學習為學生提供體驗、應用計算思維及實現(xiàn)計算思維與其他領域相結合的機會[3]，實現(xiàn)信息技術與多學科知識的融合?；赟TEM教育理念、設計程序設計課程，能夠有效提升學生在數(shù)字化環(huán)境中的應變能力和創(chuàng)新能力，以及運用信息化手段解決問題的能力。

在筆者所使用的教材《數(shù)據(jù)與計算》（上?？萍冀逃霭嫔绯霭妫┲?，程序設計模塊的內(nèi)容編排偏向于傳統(tǒng)的數(shù)學類問題，較難激發(fā)學生的學習興趣。為了更好地開展教學，并滿足課程標準的要求，筆者根據(jù)課程開發(fā)的“泰勒原理”，基于STEM教育理念進行了高中程序設計課程的開發(fā)與實踐。

一、基于課標和教材確定課程知識點

根據(jù)目前信息技術學科的課時總量安排，程序設計模塊通常僅能獲得10～12課時。因此，課程設計必須在大約10課時內(nèi)達成課標能力要求。

在《數(shù)據(jù)與計算》中，算法和程序設計模塊安排在第三單元，共四個項目，項目主題無緊密關聯(lián)性，涉及核心知識點如表1所示。

設計的程序設計課程要求涵蓋信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任四個核心素養(yǎng)，覆蓋如下知識點：算法概念和特征、算法描述方式、算法控制結構；程序概念、程序設計基本流程；Python基本語法；枚舉算法。

二、結合學習環(huán)境和課程背景設計主題內(nèi)容

筆者所在學校擁有生物園和耕讀園，并開設以植物種植為主的勞動課程，學生對農(nóng)場植物種植活動非常熟悉。因此，設定課程主題為“智慧農(nóng)場”，旨在引導學生利用種植經(jīng)驗來設計問題解決方案，加快知識網(wǎng)絡的構建。為了便于教學實施，課程并不直接在園區(qū)進行，而是以編程學習套件作為教學實踐工具，在機房中開展教學活動。該編程學習套件包括Maker ESP32 V1.3主板、OLED顯示模塊、小風扇、溫濕度傳感器、光敏傳感器、土壤濕度傳感器、觸碰傳感器、MQTT物聯(lián)網(wǎng)模塊、水泵、水槽等配件，支持圖形化和Python編程，并可通過Mu編輯器燒錄程序很好地滿足“智慧農(nóng)場”課程主題的教學需求。

筆者圍繞“智慧農(nóng)場”大主題設計了包含10節(jié)課的教學主題內(nèi)容。這些教學主題內(nèi)容之間緊密相連，知識點呈現(xiàn)層層遞進的關系，具體安排如表2所示。

每節(jié)課包含對應的《項目使用手冊》和《導學案》，可作為學習支架，供學生使用。

三、基于5E教學模式和計算思維過程設計教學模型

傳統(tǒng)的編程教育側重語法與算法，常從結構良好、適合編程的問題入手，較少探討如何將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為計算機可處理的問題，而這正是問題解決的第一步[4]?；诖耍P者基于5E教學模式和計算思維過程，構建高中程序設計教學模型。

5E教學模式包括參與、探究、解釋、遷移和評價五個環(huán)節(jié)，該模式基于建構主義學習理論，強調(diào)學生主動參與、探究，重視知識的形成和應用，并通過評價來促進學生發(fā)展。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，計算思維過程包括問題界定、問題分解、模式匹配、數(shù)據(jù)抽象與表達、算法設計和評估反思，這些環(huán)節(jié)構成了問題分析、問題表達和問題解決的完整框架，其核心在于運用計算思維來解決問題。

筆者在5E教學模式中融入計算思維過程，并依據(jù)STEM教育理念對該教學模式進行了改進，以指導高中程序設計教學。具體教學模型如圖1所示。

四、高中程序設計教學實踐

“智慧農(nóng)場光控——if分支語句（一）”是“智慧農(nóng)場”課程的教學案例之一，主要教學流程如下：

教學環(huán)節(jié)一：設計情境，引入新課

教師創(chuàng)設情境：“我們將要看到一場頗為壯觀的燈光秀，而這場秀的主角是火龍果。為什么我們要給火龍果舉辦這么大型的燈光秀呢？請同學們帶著問題觀看視頻?！痹趯W生觀看完視頻后，教師引入要解決的問題：“火龍果屬于喜光植物，良好的光照有利于火龍果的生長和果實品質(zhì)的提升。相反，光照不足會對火龍果的營養(yǎng)積累產(chǎn)生不利影響。據(jù)研究，光照強度在8000勒克斯以上最為適宜，而光照強度不應低于2500勒克斯。現(xiàn)在，讓我們一起來給火龍果設計一個自動補光程序吧?！?/p>

教學環(huán)節(jié)二：分析交流，整理思路

教師給學生提供《if單分支語句導學案》，引導學生分析問題。所涉及的計算思維是“問題界定”。教師明確提出要解決的問題：“當光照強度達到多少時，我們需要給火龍果補光？”學生針對這個問題進行討論并作出回答。接著，教師進一步提問：“光照強度是通過光敏傳感器來獲取的，阻值越大表示光照強度越弱。假設光敏阻值1500是需要給火龍果補光的臨界值，那么當光敏阻值滿足什么條件時，我們需要給火龍果補光？所涉及的計算思維是“問題分解”。

教學環(huán)節(jié)三：分享表述，凝練方案

在分析《if單分支語句導學案》的前三個環(huán)節(jié)特點后，教師列舉數(shù)學分段函數(shù)的程序例子。通過這個例子，教師引出了if單分支語句的使用范圍與使用方法。接下來，教師逐步引導學生將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為用if單分支語句來表示。在這一過程中，涉及的計算思維是模式匹配、數(shù)據(jù)表達與抽象以及算法設計。為了幫助學生更好地理解相關知識，教師引導學生使用偽代碼和流程圖描述相應的語法。

教學環(huán)節(jié)四：動手編程，轉(zhuǎn)化成果

師生一起完成了對相應程序的編寫工作。以下是所編寫的代碼：

if adc.read（ ） > 1500：

rgb[0] = （255， 0， 0）

rgb.write（ ）

教師提供教學支架，引導學生使用if單分支語句來完成“關閉補光燈”的算法與程序設計。此環(huán)節(jié)是if單分支語句的練習，旨在鞏固新知，促進學習遷移，并為后續(xù)單分支語句轉(zhuǎn)換成雙分支語句提供條件。

教學環(huán)節(jié)五：引出新知，再探究竟

在此環(huán)節(jié)中，教師通過對比“打開補光燈”和“關閉補光燈”的if單分支條件，引出if雙分支語句。這樣對比學習直觀清晰，易于學生理解。教師提問：“同學們，請仔細觀察‘打開補光燈’和‘關閉補光燈’的if單分支條件，它們之間存在什么樣的關系？”學生經(jīng)過思考后回答：“它們是對立關系?！庇纱艘觯涸趦蓚€條件對立的情況下，可以使用if雙分支語句來表示。接下來，教師引導學生使用偽代碼和流程圖來描述相應的語法結構。

學生解決此問題后，輸出的程序代碼如下：

if adc.read（ ） > 1500：

rgb[0] = （255， 0， 0）

rgb.write（ ）

else：

rgb[0] = （0， 0， 0）

rgb.write（ ）

教學環(huán)節(jié)六：展示與評價

此環(huán)節(jié)主要展示學生的優(yōu)質(zhì)思路、方案、算法和程序，反饋存在的主要問題，并總結課程的主要內(nèi)容。教師組織學生進行小組互評，對各組的作品進行評估和總結。

五、實施效果評價

筆者在學校的兩個高中部均進行了課程教學實驗。與僅使用教材項目內(nèi)容授課相比，參與本課程的學生在課堂參與度、小組項目作業(yè)完成度以及實際代碼編寫能力方面均有較明顯的提升。部分學生甚至能夠主動結合程序設計，開展關于“智慧農(nóng)場”的相關研究性學習，這充分體現(xiàn)了他們具備利用信息技術解決問題的能力。這些成果均達到了課程開發(fā)的預期目標。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 張玉寧.基于計算思維的程序設計類課程教學實踐研究[J].現(xiàn)代電子技術，2017（23）：162-165，170.

[3] 李鋒.中小學計算思維教育：STEM課程的視角[J].中國遠程教育，2018（2）：44-49，78-79.

[4] 傅騫，王鈺茹.面向計算思維培養(yǎng)的編程教學研究：以高中生Python編程教學為例[J].創(chuàng)新人才教育，2019（3）：47-54.

（責任編輯 黃春香）