STAEM教育理念下的Scratch创意编程课程教学设计

林素芳 张锦燕 马梦怡 李新晖

摘  要：STEAM教育的显著特征之一就是跨学科教学，而编程教育则为跨学科融合教学提供了有效途径。文章基于STEAM教育理念，以Scratch编程为手段，将Scratch与语文、数学、美术、音乐、历史等学科进行了有效融合，设计了针对小学4到6年级学生的创意编程课程，以提升学生的核心素养和创新思维能力。该文以《草船借箭》一课为例，以项目式学习的方式展开实际课堂的教学设计，充分发挥了Scratch跨学科教学的内在优势。

关键词：STEAM教育;编程教育;Scratch编程;项目式学习;核心素养

中图分类号：TP311;G434     文献标识码：A文章编码：2096-4706（20210）13-0188-05

Scratch Creative Programming Course Teaching Design Under the STEAM Education Idea

—Take To Borrow Arrows with Thatched Boats as an Example

LIN Sufang， ZHANG Jinyan， MA Mengyi， LI Xinhui

（Foshan University， Foshan 528225， China）

Abstract： One of the salient features of STEAM education is interdisciplinary teaching， and programming education provides an effective way for interdisciplinary integrated teaching. Based on the STEAM education concept， this paper uses Scratch programming as a means to effectively integrate Scratch with subjects such as language， mathematics， art， music， history， etc. This paper designs a creative programming course for students in grades 4 to 6 in elementary school to enhance the core literacy and creative thinking ability of students. This paper takes the lesson of“To Borrow Arrows with Thatched Boats” as an example to develop the teaching design of the actual classroom in the way of project-based learning， which gives full play to the inherent advantages of Scratch interdisciplinary teaching.

Keywords： STEAM education; programming education; Scratch programming; project-based learning; core literacy

0  引  言

数字化的快速发展迎来了人工智能时代的到来，随着人工智能技术与教育融合的不断深化，人类的知识和教育正在被重新定义，传统的教育理念、教育模式、管理模式、治理体系，乃至整个教育生态都在发生深刻的变化[1]。国务院在2017年7月发布的《新一代人工智能发展规划》的通知中要求“广泛开展人工智能科普活动，在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”[2]。

任友群教授认为：从学习知识技能到培育运用跨学科知识解决实际问题的能力，是信息技术课程发展的趋势[3]。因此在基础教育阶段，教师不仅要传授给学生基础文化知识，还要善于运用跨学科來优化信息技术课程，提升教学效果。在教学过程中，教师也应注重对学生核心素养的培养，编程教育便成了跨学科教学改革的一大发展方向。编程教育如何与实际的教学情况相结合、怎样通过编程教育培养学生的核心素养和解决实际问题的能力，以及如何进一步发挥编程教育的育人价值，是目前中小学编程教育面临的三大挑战[4]。

Scratch编程与多学科融合的教学是基于STEAM教育理念的小学阶段跨学科教学中非常有意义的一项尝试。笔者通过Scratch创意编程设计与语文、数学、美术、音乐、历史等学科的融合，切实感受到在实践教学中能够锻炼学生的思维能力和创新能力，还能进一步提升其核心素养。

1  相关概念及发展现状

1.1  STEAM教育

STEAM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）的简称，最早是由美国学者Yakman提出的。国内余胜泉等学者认为：STEAM 教育以真实问题为切入点，通过多学科整合，注重过程和实践，倡导“做中学”，强调创新思维和能力的培养[5]。

STEAM教育，在国外多集中于欧美等发达国家，以美国为例，他们建立了专门的STEAM中学（例如布朗斯科学高中），重点培养未来在科学、技术、工程领域发展的学生[6]。在国内，编程类、媒体制作类软件的应用在中小学STEAM教育中得到了广泛的应用，多以综合实践课程、信息技术课程及通用技术课程为主[7]。

1.2  Scratch编程

Scratch编程是美国麻省理工学院（MIT）针对儿童以及青少年设计研发的一款图形化编程软件。Scratch不同于传统语言类的编程，在学习过程中学习者无须考虑复杂的语法规则，只需拖拽积木便能进行程序编写，易于学生完成作品设计。Scratch编程软件摒弃了晦涩难懂的代码编程的学习，更加注重学生是否掌握编程设计的基本流程和内在逻辑。

在国内，北京景山中学的吴俊杰老师、浙江温州中学的谢作如老师以及华中科技大学附属小学的毛爱萍老师等一线教学名师在Scratch编程课程的研发中都做了试验并在实际课堂中取得卓有成效的发展。

1.3  如何将Scratch编程应用于跨学科教学

STEAM教育特别强调学科之间的深度融合，因此在Scratch编程教学中也应当将STEAM教育理念融入教学实践中。在开展Scratch编程教学时，宜采用项目式学习（PBL）的模式，使学生面向真实问题，结合语文、数学、美术、音乐、历史等不同学科，在游戏化或场景化的Scratch编程设计中体会“做中学，玩中学”的过程，增强学生学习内容的趣味性，提升学生的深度学习能力。Scratch编程在STEAM教育中的跨学科应用的具体体现如图1所示。

“科学”是指运用Scratch进行项目设计时，可以体现程序内在的科学性、明确科学问题、展现科学探索的过程、数据的合理应用等，例如：在《草船借箭》作品创作中，学生可以从中掌握气象科学、心理科学等方面的知识。在编程的过程能够显著提升学生的技术应用能力，设计和编写程序的过程就是学生“技术”学习的过程，能够利用Scratch中各个指令模块的逻辑原理来完成项目作品的模块化制作。“工程”在项目式学习中体现为分工协作，类比软件工程中的模块化设计，从而实现STEAM教育中的“工程”思维。“艺术”是指学生在学习Scratch舞台以及角色设计时能够发挥自己想象力和创造力，为自己的作品增添色彩。“数学”则是指学生能够利用数学的编程逻辑来思考Scratch编程问题，通过数学原理来解决实际问题。

2  STAEM教育理念下Scratch创意编程课程的设计

本文基于STEAM教育理念，针对小学4到6年级学生的身心特征设计了Scratch创意编程课程。本课程以杜威的做中学理论、具身认知理论、建构主义学习理论等为主要理论依据研发设计的，课程依托Scratch3.0平台来进行教学，共设有六大模块，包含十五个课时及一节项目设计课。课程的实施将跨学科的理念融入编程教学中，让学生在学习Scratch创意编程的同时也体会到不同学科的学习所带来的乐趣。STEAM教育理念下的Scratch创意编程课程模块如表1所示。

3  Scratch创意编程教学设计——以《草船借箭》为例

3.1  学习者特征分析

本次的Scratch创意编程课程的教学对象是小学4到6年级的学生。这个阶段的学生的年龄段大概在10到12岁之间，他们处于皮亚杰所提出的具体运算阶段，这一阶段的学生在思维上的主要特征是：面对问题时能够遵循逻辑法则推理思维，但此推理思维能力只限于眼前的具体情境或熟悉的经验。因此针对这个年龄阶段的学生在进行教学时要特别注重学生的认知发展，需要融合适当的学习情境，激发学生的学习兴趣。

3.2  教学目标分析

从传统的“双基”“三维目标观”到如今着重强调的“核心素养”教学观，教学目标发展的历程与革新的方向越来越贴近学生的实际发展状况，体现出其更加注重学生核心素养的发展。同時，教师在细化教学任务、分解教学目标的过程中要始终遵循学生的认知发展规律。笔者在本文中借鉴布鲁姆的教育目标理论，从知识维度和认知过程维度来阐述《草船借箭》这一课程的教学目标，如表2所示。

3.3  教学内容分析

《草船借箭》是源于三国时期赤壁之战里的一个经典桥段，关于这个典故学生在语文课和历史课中都有涉猎，教师在进行教学时可以利用典故的故事情节来为学生创设合适的学习情境并引导学生进入课程学习。作为本次Scratch创意编程课程中难度较高的一课，需要学生掌握Scratch的界面、角色、场景、程序指令等知识，并且能够根据所学的知识自主完成项目设计。要将《草船借箭》这样一个故事情节、动画演变和人物变化都较为复杂的案例设计变得更加生动有趣离不开教师的有效引导。因此Scratch编程的学习要不断增强学生的学习体验感，让学生在编程过程中感受到学习的乐趣。

3.4  项目实施过程与实践

在本课例的项目实施过程与实践中，学生以四人小组的形式展开项目式学习。“基于项目的学习”（Project-Based Learning）是通过安排真实的学习任务，综合各学科已学习的知识，在合作学习的环境下，设计并实施一系列的探究活动，并将探究成果或产品进行表达、交流和展示[3]。因此，通过项目式学习，可以让小组成员各抒己见，发挥团体力量，融合不同的创意想法来完成作品设计。

3.4.1  通过创设情境激发学生兴趣

在进行情境创设时，教师以讲授三国著名典故《草船借箭》作为课程的导入，在这个过程中可以鼓励学生自主查阅文献资料，让学生对该故事有一定的了解后再进行背景、角色和编程的设计。

3.4.2  任务设计

《草船借箭》这一课，主要分成四大任务，学生在四人小组中，每个人主要负责其中一个任务。由于四个任务的情节是相互衔接、环环相扣的，因此，需要每位小组成员需要进行交流研讨，共同完成项目设计，四个任务的具体设计为：

（1）任务一：舞台背景与角色设计。舞台的背景可以通过课外素材导入，根据教师创设的情境，学生可加入切合情节的背景，角色可根据故事情节来设计，主要的角色有箭、草船、士兵等。根据师生对角色的分析：由岸边的士兵不断地朝着弥漫着大雾的水中射箭，草船一开始是无箭的状态，箭射到水中时能够被草船收集，射出舞台外的箭则会消失，其舞台背景与角色设计如图2所示。因此，根据故事情节可以明确角色出现的顺序和效果：岸边的士兵—与士兵在同一水平线上的箭—河中出现无箭的草船—箭进行克隆—箭向水中发射—草船收集箭。同时，射箭发出的声音也是属于角色设计的部分，学生通过声音模块添加射箭的声音，并利用重复执行语句使其重复执行。

（2）任务二：万箭齐发的动态过程设计。这个任务中要巧妙地运用控制指令中的克隆语句让箭不断复制。利用数学中的坐标轴原理确定舞台左右两边坐标的大小，箭的不断复制在该横坐标的水平线上进行。士兵的位置到靠河边的舞台边沿为箭运动的纵坐标。学生需要注意的是控制箭的本体进行自我复制时需要在当绿旗被点击下编辑程序，而万箭齐发的效果能否实现则是取决于克隆体的运用，需要在当作为克隆体启动下编辑程序，将箭运动的方向设置为向下，重复执行移动十步便可实现万箭齐发的效果了，其程序设计如图3所示。

（3）任务三：草船静态收集箭的过程。这一任务是实现借箭的关键一步，可以对任务二的程序加以改进，为了避免克隆出来的箭直接穿过草船，学生在“当作为克隆体启动时”下的重复执行语句中设置当箭碰到草船时删除克隆体，能够让克隆体使碰到草船后消失。为了避免射出去的箭堆积在舞台边沿，还可以设置当箭碰到舞台边沿时克隆体也消失。这一任务主要运用控制指令中的如果那么语句和侦测指令中的碰到语句。通过利用这两个指令对箭的克隆体进行设置后，可以实现草船静态收集箭，其程序设计如图4所示。在设计程序的过程中还要注意草船的两种状态，一种是刚启动射箭程序时草船还没收集到箭的状态，另外一种则草船收满箭的状态。两种状态的切换可以通过外观指令中显示和隐藏来控制。

（4）任务四：草船动态收集箭的过程。由于诸葛亮与周瑜立下的军令状是三天借到十万支箭，而静态的草船很难借到足够多的箭。因此，学生可以在草船的角色下来设计令草船移动的程序，其程序也较为简单。当按下键盘中的左（←）键时，船向左移动，当按下右（→）键时，船向右移动，从而实现手动控制草船的移动，能辅助草船收集到足够多的箭。移动后的草船在重新开始点击绿旗时还应将其回归到初始的位置，此时可借助数学中的坐标轴原理将其初始化。

在《草船借箭》这一创意课程的学习中，学生以小组为单位进行任务学习，前后任务的设计是十分连贯的，其难度也逐步递增，能够体现出基于项目学习的优势，小组成员可以在原有任务的基础上增加别的角色或功能模块，让项目设计实现更加优质的效果。项目设计的过程不仅培养了学生的创新思维能力，还能进一步提升学生的核心素养。

3.4.3  作品展示与分享交流

作品设计完成后的作品展示、分享交流是十分关键的一步，教师能够直观的评价学生的创新设计，学生之间也能在相互交流中完善项目作品的制作。

3.4.4  评价与反思

评价与反思也是教学过程中必不可少的环节。在项目式学习中可以采用多元的教学评价方式，主要分为学生自评、组内互评、组间互评、教师点评等，评价的目的并非评出作品的优劣，而是借此环节来鼓励学生，激发他们的学习动力[8]。

4  结  论

在本文的课程设计中融合了STEAM教育的重要思想，將Scratch创意编程与不同学科教学融为一体。在跨学科教学中教师应时刻关注学生思维养成的关键点，基于项目式学习的模式能够让学生在分析及探究问题的过程中转变思维方式，迅速找到问题的关键所在，进一步解决实际问题。此外，Scratch编程的学习让学生学会了知识的积累，每一个课程模块都不是独立的，它们之间存在着必然的联系。在未来，STEAM教育与Scratch创意编程课程体系的契合点还有待进一步完善和发展，未来的研究需要进一步拓宽学科融合的广度以及创意设计的深度[8]。创意编程教学应让每位学生都能在动手实践中受到启发并真正融入跨学科融合的创新学习中。

参考文献：

[1] 雷朝滋.智能技术支撑教学改革与教育创新 [J].中小学数字化教学，2021（1）：5-7.

[2] 新华社.国务院印发的《新一代人工智能发展规划》 [R/OL].[2017-07-20].http：//www.gov.cn/xinwen/2017-07/20/content_5212064.htm.

[3] 任友群.新时代，中小学需要怎样的信息技术课 [J].人民教育，2019（1）：26-29.

[4] 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式 [J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[5] 正非.STEM中学：孕育美国“科学、技术、工程和数学”创新人才的摇篮 [J].中国民族教育，2013（3）：43-45.

[6] 傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育 [J].现代教育技术，2014，24（10）：37-42.

[7] 史鹏楠.基于项目式学习的小学Scratch编程语言的教学实践研究 [D].沈阳：沈阳师范大学，2020.

[8] 朱杏燕，胡畔.基于STEAM教育理念的小学创意编程课程设计——以Scratch课程的教学设计为例 [J].教育信息技术，2019（9）：12-15.

作者简介：林素芳（1995.05—），女，汉族，广东汕尾人，硕士研究生在读，研究方向：信息技术教育。