基于計算思維培養(yǎng)的小學STEM課程實施初探

1、基于計算思維培養(yǎng)的小學STEM課程實施初探作者：周迎春來源：基礎教育參考2018年第21期摘 要計算思維已成為世界公認的普適思維方式，但是在我國9年義務教育階段尚未有具體的目標要求和實施案例。結合面向STEM的信息技術課程的創(chuàng)建實踐，提出在小學信息技術課堂中培養(yǎng)學生計算思維的具體路徑與方法。關鍵詞信息技術；計算思維；STEM；小學自周以真教授發(fā)表論文Computational Thinking和計算思維和關于計算的思維開始，短短十數(shù)年間，計算思維已和理論思維、實驗思維一樣成為世界公認的普適思維方式，并同閱讀、寫作等一起成為人類需要熟練掌握的基本技能之一。美國中小學計算機科學標準分階段設計了計算

2、思維的教學實施方案。英國教育部于2014年9月引入了新的計算機教學大綱，其中亦突出了計算思維的培養(yǎng)，將計算思維、計算實踐和編程納入學科主線。在我國，2017年頒布的新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃及普通高中信息技術課程標準（2017年版），為計算思維的培養(yǎng)營造了良好氛圍。計算思維被確定為高中學科核心素養(yǎng)之一，那么在9年義務教育階段的信息技術課程中就不需要注重計算思維的培養(yǎng)嗎？答案顯然是否定的。計算思維作為一種能力，其培養(yǎng)過程需要潛移默化，循序漸進。在小學、初中信息技術課程的實施過程中，需要著力創(chuàng)設培養(yǎng)計算思維的良好情境，努力在信息技術課程中融入計算思維屬性。一、計算思維與編程教學1.概念界定周以真教授認

3、為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)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。普通高中信息技術課程標準（2017年版）給出的界定是：計算思維是采用計算機方式界定問題，運用合理的算法形成解決問題的方案，并遷移到與之相關的其他問題解決中。目前國際公認的定義尚未形成。2.計算思維與編程教學的關系計算思維雖然不僅僅局限于計算機科學領域，但主要基于計算機技術實現(xiàn)最終的自動化，很多時候需要把抽象出來的問題通過計算機可以理解的方式來編制程序，但歸根到底還是人的思考、解決問題的方式在計算機運行程序中的投射，并不是計算機的思維。計算思維的培養(yǎng)目標主要包括以下三個方面：一是建

4、構目標問題域的能力；二是明晰任務并有效分解任務的能力；三是抽象系統(tǒng)方法加以實現(xiàn)的能力。計算思維包括了算法思維、評估、分解、抽象、概括等多種思維方式，程序設計是計算思維解析抽象出來的解決問題的方法得以自動化運行的重要實施途徑，但并非唯一途徑。傳統(tǒng)意義上的編程教學往往從語法知識入手，忽視程序設計思想和方法的引領，計算思維的培養(yǎng)往往不是其教學目標的選項。3.培養(yǎng)小學生計算思維的編程工具C+、Java等程序設計語言的教學，前期需要花費大量時間講授語法知識，而學生的信息技術課時有限，目前很多省市的小學3至6年級每周只安排一課時。LOGO語言曾是小學信息技術教材中的主要程序設計語言，但隨著圖形化編程語言S

5、cratch的出現(xiàn)，也逐漸退出舞臺。而與外圍硬件銜接更好的基于Scratch核心的S4A、mBlock，更容易創(chuàng)設有利于小學生跨界融合解決真實問題的可以觸摸的STEM教育情境，把學生從繁雜瑣碎的語法學習中解救出來，將寶貴的時間用于培養(yǎng)計算思維能力。二、國內(nèi)外計算思維研究與實施的現(xiàn)狀分析與途徑探討1980年，麻省理工學院的西摩帕爾特（Seymour Papert）教授在頭腦風暴：兒童、計算機及充滿活力的創(chuàng)意中首次提到計算思維。2006年，美國卡內(nèi)基梅隆大學的周以真（Jeannette M. Wing）教授提出了計算思維的定義。2011年，計算思維被納入美國CSTA K-12標準（2011修訂版）

6、。英國2013年的“新課程計劃”、澳大利亞2015年的“新課程方案”將計算思維培養(yǎng)作為新信息技術課程的教學目標。2015年，美國總統(tǒng)簽署讓每個學生取得成功的法案，將以計算思維為核心的計算機科學提高到與數(shù)學、英語相同的地位。2010年，我國發(fā)布了九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明，強調(diào)把培養(yǎng)學生計算思維能力作為計算機基礎教學的一項重要的、長期的和復雜的核心任務，此后制定的普通高中信息技術課程標準（2017新版）將計算思維確定為一項重要的信息技術學科核心素養(yǎng)。按CNKI的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2011年后，有關計算思維的論文發(fā)表量明顯上升，到2015年達到峰值，之后再次回落。其中，高等教育對計算思

7、維培養(yǎng)的研究明顯多于初等教育，基礎教育階段的計算思維研究尤其薄弱。國外計算思維的應用研究覆蓋了K12階段，計算思維的研究需要計算機科學與教育科學的整合，總體上缺少復合型人才。20世紀90年代起，西蒙派珀特博士的LOGO語言引導學生“問題確定、模型分析、命令實施、修改完善”，期間也滲透了計算思維培養(yǎng)的一些元素，曾進入許多國家的信息技術教材，但是在跨學科融合知識解決實際問題方面卻無法施展。目前在基于計算思維培養(yǎng)的課程設置方面，有些國家如澳大利亞，有些地區(qū)如我國香港等都開設了面向STEM的全新課程。在課程實施工具方面，采用了Scratch圖形化編程，使學生不必面對晦澀難懂的代碼語法，掃除了編程語言的

8、障礙，直接面對設計與創(chuàng)造，因此而得到了廣泛應用。但是從編程滲透率（即被調(diào)查對象中，參與編程的人數(shù)比例）來看，以全球最主要的少兒編程語言Scratch的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，美國市場的滲透率最高，高達44.80%，英國為9.31%，中國僅為0.96%，不難看出其中的差距。三、創(chuàng)設面向STEM的信息技術課程，培養(yǎng)學生計算思維由于基礎教育階段的計算思維研究相對滯后，筆者在創(chuàng)設面向STEM的信息技術課程的教學實踐中，進行了計算思維培養(yǎng)的嘗試，取得了一定的成效。以下用案例解析對此加以說明。1.巧設代數(shù)表達，拓展滑竿活動區(qū)間在“SCRATCH可控創(chuàng)意動畫制作”一課，要求太陽受滑竿傳感器控制緩慢上升，此時須將滑竿傳

9、感器數(shù)值的變動范圍控制在“0100”，而Scratch舞臺在Y軸方向的范圍是“-180180”，如何設計一個能擴大到目標區(qū)間的代數(shù)表達式呢？學生小組討論的表達式呈交后，教師用課件演示結果。在不斷試錯后，學生慢慢向目標靠近，最終得到多個正確答案，如“（滑竿傳感器的值-50）*180/50”等。思維訓練與體育訓練類似，需要經(jīng)過一定的強化訓練才能達到新的高度，于是教師增加了一些變式練習：變式一增加了小鳥角色，要求云彩和小鳥均能被滑竿傳感器控制且同步平移，學生通過復制腳本即可完成操作；變式二要求小鳥能扇動翅膀，這就需要添加造型變換的腳本；變式三要求云彩跟小鳥的運動方向相反，此時學生需要提取諸如Scra

10、tch舞臺的左右坐標值，考慮如何將滑竿傳感器的控制區(qū)間擴大到“-240240”等，需要將原來的表達式更改為“0-（滑竿傳感器的值-50）*4.8”。以上方法看似簡單，但其中隱含了計算思維培養(yǎng)的元素。2.橫豎切換變式，細微處展現(xiàn)計算思維魅力在“乒乓球游戲制作”一課的創(chuàng)意拓展部分，要求將乒乓球拍的橫板變豎板，在目標任務場景“旋轉(zhuǎn)90度”或者“旋轉(zhuǎn)180度”的同時，算法設計也需同步跟進“旋轉(zhuǎn)”，在這種“旋轉(zhuǎn)”中，使學生的算法設計逐漸運轉(zhuǎn)自如。此過程中，因Scratch舞臺縱橫坐標值不等而涉及到滑竿傳感器表達式的修改；由于拍子從橫向平移變?yōu)榭v向運動要將腳本修改為“將Y坐標設定為”一個小小的創(chuàng)意就需要對

11、原程序做出多處修改。在修改過程中，學生還將面臨一些新問題或障礙，如有學生發(fā)現(xiàn)乒乓球拍只要一移動就不見了，根本無法控制。有的小組通過探究發(fā)現(xiàn)，同一表象后隱藏了不同的因果。例如，把控制腳本中“將Y坐標設定為（滑竿傳感器的值-50）*3.6”中的3.6改寫成36，控制區(qū)間就從“-180180”變成“-18001800”，自然稍一移動就會“跑出”舞臺。有學生把“將Y坐標設定為”改成了“將Y坐標增加為”，于是教師引導學生分析：當目前坐標值為100的情況下，“增加”和“設定”會有什么差別？學生的創(chuàng)意乒乓球游戲也“玩倒”了教師。例如，在橫板改成豎板的游戲中，教師在示范時無法接住球，于是向?qū)W生求助。一位不善言

12、辭的學生上臺將Picooard板倒置，問題就迎刃而解了。原來滑竿的方向與球拍的運動方向反了。于是教師因勢利導：能否不改球拍方向，僅在程序上進行修改呢？學生很快想到用0減去原來的表達式即“（滑竿傳感器的值-50）*3.6”。還有一種創(chuàng)意，稱為“五彩乒乓游戲”，學生將運動的球改成彩色，將無序運動的球增加了3個，并且速度很快。教師演示時屢接不中，學生們哄堂大笑，于是一位游戲高手上臺解決了問題：根本不看球的運動，當綠旗被點擊（即程序開始運行），就不停地快速上下滑動滑竿。教師對學生評價時，稱“玩倒老師”也是加分項。學生聽到教師在講座中演示他們的作品時，尤其興奮。這也是多元評價的一個范例。3.問題分解細化

13、，反復演進中體驗迭代思維“智能可識別序號機器人”的目標任務是設計制作能自動識別集裝箱序號的小車，能將1、2、3號集裝箱搬運到對應置上（見圖1）。較為復雜的任務需要先進行分解和模式識別，即確定具體的實施方案。在確認使用比較可靠的磁感應識別策略后，引導學生對目標任務進行拆解：集裝箱及自制“起重機”的3D設計建模及打印、集裝箱數(shù)據(jù)的獲取、路口序號的獲取、機器人試驗場地繪制。程序完成后，先進行單個集裝箱搬運實驗，看能否到達指定位置。然后在此基礎上匯總集成、迭代優(yōu)化，讓機器人逐個搬運三個集裝箱到指定位置。學生會不斷優(yōu)化完善所編寫的程序以實現(xiàn)任務目標，在此過程中培養(yǎng)了迭代思維。以上是問題解決過程中所謂“終

14、端產(chǎn)品”的迭代，是一種廣義的迭代思維。在程序設計中也可以培養(yǎng)迭代思維，是一種微觀層面的狹義的迭代。以“智能端茶杯機器人”為例，除了需要整體反復演進優(yōu)化外，其中機械抓手準確對準杯子的程序設計是一個難點，因為每次檢測到的杯子的位置包括方向都有差異，很難以不變應萬變。而執(zhí)行取杯動作前是否已經(jīng)在抓取的有效范圍內(nèi)也是能否順利抓舉杯子的關鍵，這里的程序設計運用了一個循環(huán)語句反復檢測與杯子的距離：當機器人超聲波傳感器探測到與杯子距離小于25厘米時停止轉(zhuǎn)向，小于13厘米時則停止前進。每次循環(huán)都會拾取機器人與杯子的距離，并且與所設置的條件數(shù)據(jù)進行比對，以確定是否達到最佳位置，是否要停止當前動作轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一動作。

15、這個過程很好地體現(xiàn)了程序設計的迭代思維。如果說程序設計是目標任務的一個子問題，這里顯然又將這個子問題分解成了若干更小的子問題。事實上，越是復雜的問題越會出現(xiàn)更多的這種層級。以上STEM項目是數(shù)學與工程思維融合的范例，當機器人的動作自動化到匪夷所思的地步，人們將很自然地聯(lián)想到“智能”二字。4.九章算術遷移，程序完善中培養(yǎng)遞歸思維“會算最大公約數(shù)的機器人博士”的設計目標是：讓機器人程小奔（普及型編程機器人Codey Rocky）能識別語音輸入的兩個數(shù)字，并且自動計算出最大公約數(shù)，在屏幕上顯示并且讀出答案。具體實施方案是用mBlock5編程上傳到程小奔，這里將用到最有意思的算法處理模塊。公約數(shù)的計算常用短除法進行，如何讓計算機接受“短除法”是個難題，于是師生試圖用“九章算術”中的“更相減損法”來完成。如圖2所示，它是不斷用兩數(shù)差的絕對值跟較小的數(shù)比較，當兩者相同時，此數(shù)即是兩數(shù)的最大公約數(shù)。這里用到了mBlock的新建模塊功能，當不符合“程序出口”條件時，此模塊將使“計算m與n的最大公約數(shù)”被反復執(zhí)行，該程序的研制過程滲透了遞歸思維。為強化學生的遞歸思維，在課后拓展環(huán)節(jié)，教師讓學生用輾轉(zhuǎn)相除法設計一個自動計算兩數(shù)最大公約數(shù)的程序。在此過程中，學生需搜索相關算法的原理，修改原程序。能否獨立完成這一拓展作業(yè)，可以檢驗學生遞歸思維的水平。以上在STEM課程中進行