基于编程思维的小学STEAM课程的设计与实施

2019-10-30胡蓉

中国信息技术教育 2019年18期

摘要：本文以校本课程“智能苗圃的制作”为例阐述了基于编程思维的小学STEAM课程的教学分析、具体教学流程，通过实例说明将编程思维融合到STEAM课程中，在项目式学习中提供一种高效的技术手段及思维方式，将更有助于培养学生创造力、运用技术解决现实问题的能力，促进学生的全面发展以及复合型人才的培养。

关键词：编程思维;STEAM课程

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2019）18-0073-04

STEAM代表科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics），但它并不是五者的简单组合，而是一种新的教学方式或教学变革，STEAM是注重实践的超学科教育理念，也是落实核心素养的体现，STEAM课程是让学生自己动手完成他们感兴趣并且和他们生活相关的基于真实情境的项目，从项目探究的过程中学习各种学科以及跨学科的知识。编程思维是指“理解问题—找出路径”的思维过程，它并不是简单的编写程序的方法技巧，而是一种高效的解决问题的工具或思维方式，将编程思维融合到STEAM课程中将更有助于高效地解决问题，有助于培养学生的抽象逻辑思维以及应用技术解决现实问题的能力。

● 基于编程思维的小学STEAM课程教学分析

1.课程目标分析

现代农业正朝着精细化、智能化方向发展，这有利于降低人工成本，削减对抗病虫害方面的成本，提升农产品的品质。在“智能苗圃的制作”课程中，学生通过学习建设一个智能苗圃，认识各种常见的植物及对植物生长所需要的因素进行分析，利用互动教学软件图形化编程软件与智能苗圃主题包，借助主控板、土壤湿度传感器、温度传感器、光敏传感器以及无色透明亚克力板，搭建一套智能苗圃模型，进行智能温控、智能光控，智能灌溉系统等实验，学习用编程控制智能苗圃内植物生长条件，从而完成智能化培育植物的任务，加深对植物器官形态、生长条件等方面的理性认识，学习一定的编程思维以及利用编程实现对土壤湿度、空气温度、光照强度等生长条件的控制。结合该门课程的主要内容，借鉴李克东教授提出的STEM教学目标的分解方法，将STEAM课程“智能苗圃的制作”的教学目标设计如下。

（1）目标的总体描述

知识与技能目标：①能够根据工程目标中需要解决的问题绘制流程图;②能初步利用可视化编程软件根据流程图实现功能;③能初步利用主控板及所需传感器组件结合智能苗圃模型进行优化测试;④能在项目学习过程中掌握所涉及的各学科知识。

过程与方法目标：①通过画流程图，培养良好的编程习惯;②通过编写程序，提高科学思维能力和创新能力;③通过模型的搭建、测试、修正，优化锻炼动手能力、观察力和分析能力;④通过参与互动交流和汇报，提升表达能力与合作能力。

情感态度与价值观目标：①通过学习和制作，培养善于分析、乐于思考的好习惯，培养科学的思维方法;②通过合作探究活动，增强合作意识和探索、创新精神;③通过工程模型的设计和制作，培养新时代“工匠精神”。

（2）STEAM教学目标分项描述

科学知识（S）：了解植物的分类，了解植物受光、温度、水等生长条件的控制，了解苗圃种植事项。

技术知识（T）：运用编程思维解决实际问题，用可视化编程软件类似Scratch根据流程图实现智能光控、温控、灌溉系统。

工程知识（E）：制订项目计划，根据工程目标绘制流程图，智能苗圃模型的搭建稳固性检测。

艺术知识（A）：智能苗圃模型的美观，种植区规划设计图的设计。

数学知识（M）：数值的转换公式，判断条件的使用，材料价格、性能选择，传感器原理。

2.课程学情分析

本课例是校本教材STEAM课程“智能苗圃”活动六的内容，在结合前节课搭建好智能苗圃框架基本模型的基础上小组合作完成智能苗圃的制作，本课程的学习是在基于云平台的智慧课室环境下进行，因此对学生的信息素养要求比较高。六年级学生的逻辑思维正逐步从经验型向理论型发展，观察能力、记忆能力和想象能力也随之发展，同时还普遍具有求知欲高、模仿能力强，思维多依赖于具体直观形象的特点。他们已经具备操作网络学习空间的基本技能，能够在教师的指导下完成云平台中相关资源的下载和工具的使用，有一定的搜索分析资源的能力。另外，他们已经学会用图形化编程软件进行简单的程序编写，了解了画流程图的方法，尝试过用主控板测试传感器，初步具备程序编写并借助传感器解决常见问题的综合能力。

3.课程设计分析

教学设计理念：根据所确定的教学目标和教学对象的特点，结合笔者所在学校的智慧教室環境条件，本课程遵循STEAM教育理念、项目式学习理念和创客教育理念，强调基于真实情境项目中的动手实践和探索唤醒学生与生俱来的创造力潜能，尤其重视对学生解决问题的能力培养，使学生具有将创新观念转化为具体成果的能力，对项目的选择也让学生更早和更深入地面对和解决现实生活中的问题，使学生具有应对未来挑战的能力。

教学流程：课程的教学活动主要基于云平台Aischool，从“课前—课中—课后”进行学习，课前通过在网络空间探索问题、交流设想、选择资源进行自主学习，为课中的学习打下基础，课中由“创设情境，提出问题—分享设计，合作探究—解决问题，模型制作—合作讨论，模型优化—展示分享，总结提升”5个环节14个教学活动组成，将编程思维融入课程教学中，让学生在解决工程问题的过程中动手、动脑，主动参与学习过程，激发学生在团队协助中相互帮助、相互启发，共同商讨完成学习和工程任务，让学生实现可持续发展。

课程环境：本节课是在智慧课室环境下授课，通过对学生在网络学习空间Aischool平台课前学习的诊断，进行相关微课、文档、课件、导学案等资源的推送，课中主要技术应用有电子书包平台、微课、PPT课件、资源包、吉星微录仪、图形化编程软件等，提供给学生网络资源查找、微课学习、作品实时共享、交流评价、分组研讨等学习方式，实现学生自主个性化的学习。

根据上述设计思想，设计“智能苗圃”课程教学结构流程图，如图1所示。

● 基于编程思维的小学STEAM课程教学流程

1.课前：探索问题，交流设想

课前学生利用网络学习空间进行自学，提交作品，交流评价。课前环节实现了学生自主个性化的学习，学生可以相互学习，加深对智能苗圃的认识;教师能了解学情，为课堂开展针对性的学习探究做准备，也能更好地推送资源。

2.课中：创设情境，提出、分析、解决问题

环节1：创设情境，提出问题

教师播放国内外优秀的智能苗圃的微视频，让学生谈观后感，激发学生的问题探究兴趣，引发学生思考，提出利用技术解决农业遇到的问题的想法，再根据学校真实情境确定项目主题：将学校的农业科普基地打造为智能苗圃。

环节2：分享设计，合作探究

教师展示学习空间点赞高的智能苗圃构想设计图，让学生上台借助一体机展示小组作品，同时让学生分享智能苗圃设计方案的工程目标，科学教师讲解智能苗圃种植注意事项，目的在于利用空间数据推荐优秀作品进行分享，提高学生对智能苗圃的认识，为解决问题打下基础。

环节3：解决问题，模型制作

本环节是本课的关键环节，也是学生运用编程思维解决生活中实际问题的体现，学生在加深对智能苗圃了解的基础上，通过编程去实现智能苗圃的制作。这一环节，教师布置任务一“制作模型”，并提出任务要求：①根据分工表进行小组分工，佩戴工作证。②根据设计方案，利用教师推送的导学案、微课资源，分工合作完成智能苗圃的制作。③编程完成后进行作品测试，并将调试情况记录到检测表中便于及时解决问题。④测试成功后录视频上传到Aischool学习空间存档，用于观摩学习。

学生根据任务的要求分工合作编写程序，搭建电子元件，完善植物分享卡、种植区规划，完成程序编写并连接实物模型进行软、硬件联合调试，并填写测试记录表，完成后将视频上传空间。本环节设置了通过推送学习资源辅助解决学生在制作过程中遇到的问题;把作品录制视频上传到空间，方便同伴之间互相学习和评价，也保存了学习的成果，为后续学习提供了方便。本环节的学生活动表如下页图2所示。

环节4：合作讨论，模型优化

在初步完成模型制作测试的基础上，教师布置智能苗圃制作任务二“评价作品，合作讨论”。教师提出任务要求：观察学习空间中别的小组作品或实地观看作品，讨论其优点与不足，同时讨论自己小组作品需要改进的地方，并将讨论结果记录到智能苗圃讨论交流活动表中。学生欣赏作品后，教师引导其进行交流汇报，汇报内容主要包括学生互评及教师点评的结果，如教师引导学生去评价其他小组的优势与不足，提出的改进建议，以及制作过程中遇到的问题，是怎么解决的，交流汇报后根据小组汇总的解决办法教师布置任务三“智能苗圃的优化”。本环节设置了优化作品再次上传空间，开展互动交流和点评，这样就提高了学习效率，促进了同伴之间的互助互学。

环节5：展示分享，总结提升

学生作品优化完成后，按小组进行汇报展示作品，小组成员按自己的分工汇报各自在项目中的成果，之后利用可视化思维工具PMIQ图小结学习收获，提出问题。最后，教师归纳总结，其中包括课程知识点的回顾、智能苗圃制作的步骤是什么、工程项目的实施流程，最后引申到“新时代工匠精神”的重要性。

3.课后：完善创作，拓展提升

课中学习时间有限，通过网络学习空间能够打破时间空间的界限，将学习延伸到课外，学生课后有充分的时间去欣赏其他小组上传的作品，并在空间进行自评与互评，新的想法也可以继续在空间交流分享，从而深化互动和交流，提高作品的质量，促进可持续的学习。