STEM+C视域下的跨学科编程教学设计

张余萍 江南大学人文学院

2018年，美国国家科学基金会提出STEM+C计划，即以计算思维(Computational Thinking)驱动科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)这些STEM学科的教学。STEM+C的核心理念是：以项目化学习、问题解决为导向来组织教学，以计算思维来驱动项目探究与学科教学，实现跨学科深度学习。《义务教育课程方案（2022年版）》强调：要设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，打破学科壁垒，设计主题鲜明、问题真实的跨学科学习活动。STEM+C的理念与其不谋而合，而围绕编程与计算思维的跨学科教学正是这一理念下的最佳实践方式。部分教师平时在进行编程教学时，常常就知识而教知识，不能将编程与学生的经验相联系去解决真实问题，而STEM+C的跨学科理念为编程教学提供了教学设计的新思路。下面，笔者以Python编程与八年级生物《自然选择》一课融合为例，介绍STEM+C视域下的跨学科编程教学设计的思路与方法。

● 选择探究项目

探究项目首先要适合编程与学科融合，也就是在学生进行项目学习时，编程要能够驱动探究过程。具体而言，合适的探究性项目应具有以下特征：①探究项目需要提供真实的问题情境与基本的解决途径，并符合该年龄段学习者的认知背景；②在探究该项目的过程中，科学实验、计算方法和模型的运用是必要的，要求学生在多个层次上进行抽象思维，并激发其对科学探索产生兴趣。

综合以上几点，本文选择八年级生物《自然选择》这一部分内容作为探究项目载体来展开设计。该探究项目所涉及的遗传与变异原理作为该学科启蒙阶段的知识难点，可探究性强。其不仅可以作为真实情境通过Python程序解决实际问题，还可以引入计算机模拟仿真工具PhET来辅助问题求解，共同构成跨学科Python编程课。在该项目中，学生将运用Python编程中的循环、选择结构、函数等知识点，解决生物学中的自然选择问题。一方面使学生应用Python编程知识进行问题解决，另一方面使学生能够从不同的角度来审视生物学的问题，真正体现了STEM+C的跨学科属性。在整个教学过程中，STEM+C既为编程语言学习的开放性与复杂性提供了结构化的窗口，同时也使学科课堂成为培养学生计算思维的沃土。

● 创建探究情境

跨学科项目探究需要为学生设置具体的、生动的探究情境，促使学生在形象、直观的氛围中参与解决问题的过程。本例由两个课时构成，都围绕“兔子种群的性状变化”这一情境展开。第一课时借助计算机模拟，引出种群过度繁殖产生性状突变型的真实问题；第二课时通过合作编程进行问题解决，综合分析并预测兔子种群变化趋势。

让学科知识作为进行编程学习的载体，驻进信息技术课堂往往需要结合多方面因素，如教学对象的特征、内容的特点、实施的条件以及技术特点，其中技术特点与教学内容的相融程度直接决定了教学的效果。在本例中，笔者选用PhET仿真模拟实验室中的自然选择模型，以兔子的繁殖演化为例创设探究情境（如图1）。通过设置毛皮基因（白毛和棕毛）并为兔子添加配偶，系统会自动计算并演示出数代之后兔子种群的性状构成。在这一过程中，学生发现白色兔子种群经过几代繁殖后会出现棕色的表现型。这时，学生就会产生困惑：棕毛兔子如何而来？这时，教师可以引导学生对“性状与基因”的关系作出猜想，并给出解答：生物的性状由基因控制，产生棕色兔子是因为繁衍的过程中发生了基因重组，隐性性状表现了出来。例如，白毛兔子1（Aa）和白毛兔子2（Aa）交配生下棕毛兔子3（aa）。

图1 自然选择教学实验模型

在PhET仿真模拟实验室中，学生可以进一步设置三对基因——白毛—棕毛、长牙—短牙、竖耳—垂耳，同时还能设置食物是否充沛、是否有狼（天敌）等外部变量。学生可以对不同情境下兔子种群繁衍情况提出自己的假设和猜测，然后利用模拟实验室来验证假设。在多次尝试后，学生会有以下三点发现：①棕毛的兔子因为毛色更为接近草原裸露的土壤，不易被捕食者发现，生存率更高；②当环境变得恶劣时，食物可食性降低，长牙兔子更有生存优势；③竖耳兔相较于垂耳兔对捕食者（狼）的反应更灵敏，生存率更高。这时，教师抛出下一个探究问题：一个种群中表现型对生存率的影响如何计算？是否可以通过编程的方法来进行模拟？

● 编程解决问题

首先由教师告知学生，用ABC来分别代表毛色、牙齿、耳朵三个性状，大写为显性基因，小写为隐性基因。以毛色为例，显性基因（白毛）为A，隐性基因（棕毛）为a。学生分成小组展开编程活动，每组随机从毛色、牙齿、耳形三对性状的基因型中选择一种，并组合成一只兔子的完整基因型，如一只白毛短牙垂耳的兔子完整基因型为Aabbcc，一只棕毛长牙竖耳的兔子完整基因型为aaBbCC。

教师任意选取两组进行互动PK，假定任意两个个体都能交配，哪一组的兔子生存率更高？哪些性状能被种群所保留？学生可以根据教师给出的兔子生存环境特征进行猜测，然后使用Python编程模拟子代种群繁衍过程，通过输入基因型计算生存率。教师先带领学生设计只考虑一对性状的模拟程序，然后再由学生进一步编写三种性状都考虑的程序。下页图2是只考虑毛色性状的样例代码。根据“适者生存”的基本情况，假设白毛兔子的存活率为65%，棕毛兔子的存活率为95%。再通过班级随机抽签结果，记种群中显性纯合个体数、杂合个体数、隐性纯合个体数分别为k、m、n。

图2 编程活动参考代码

为了提升协作思维，本课程在最后设置了小组综合性探究任务：全班学生自由组成2～3人一组，每个小组在计算机网页模型上自主设计初始参数，包括兔种群的三种性状的显隐关系，以及食物、狼、气温等环境因素。学生借助模型观察该种群进化过程，并整合分析其统计出的种群不同阶段特征值，进行数据动态变化的监测与记录，分析进化过程与进化结果。最后小组成员共同撰写实验报告并提交。这一部分虽然没有涉及具体代码的书写，但可以帮助学生基于数据进行抽象思考与总结。至此，整个教学设计已真正做到了计算思维可视化、学习情境数据化，学生编程知识的综合应用能力得到了提升，问题也真正得到了解决。

● 总结

本文以探究项目“自然选择”为例，呈现了STEM+C视域下跨学科编程教学设计的思路。这类教学设计需要以探究项目为载体，以编程或其他技术脚手架为工具，通过特定教学情境的学生探究来实现。“跨学科”作为新课标的重要内容，为教学创新提供了新的视角，但是也提出了挑战。跨学科教学需要不同学科教师共同设计，需要在不同学科中找到适合跨学科的切入点。在这个技术高速发展的时代，信息技术与其他学科进行跨学科融合应该是一个优势点，因为这样能够为其他学科的教学提供强有力的技术脚手架。而编程与计算思维作为新时代学生需要掌握的必要技能，在教学过程中也需要真实的问题情境做支撑。因此，将编程教学与具体的学科问题解决相融合，为跨学科教学这一理念提供了最佳实践路径。本文只是抛砖引玉，希望在未来有更多同仁能够围绕这一主题进行探索，分享更多精彩案例。