基于“STEM+C”的计算思维培养的模型设计

曹晓靓

摘  要：计算思维和STEM教育都强调要解决情境中的真实问题，由此提出了基于“STEM+C”活动的计算思维培养模型。通过“想象－研究－设计－制造－优化”的迭代过程，着重培养青少年计算思维、创意设计表达和跨学科解决真实问题的能力。

关键词：“STEM+C”计算思维培养模型

一、STEM教育和少儿编程教育教学实施现状

《中国STEAM教育发展报告》指出，国内的STEM课程存在诸多“水土不服”：STEM教学体系和评价缺乏系统化规范性；硬件设施和材料损耗较高，导致经费负担重、课程更新慢等。能够真正做到“跨学科”和“真落实”的本土化优质STEM课程并不多[1]。大多发生在校内信息技术课堂上的编程教育内容都侧重编程语法和算法构建，缺乏培养学生创新素养和跨学科解决真实问题能力的探究活动。计算思维强调要基于真实问题展开，与之相似，STEM教育同样注重通过多学科知识和多元化工具解决真实情境中的复杂问题。因此提出了基于“STEM+C”（此处的“c”computing，下同）的计算思维培养模型。

笔者主要采取文献研究法，运用美国旧金山大学管理学教授韦里克提出的SWOT分析法，从四个维度对国内STEM教育实施现状进行分析总结，旨在使基于“STEM+C”的计算思维培养模型设计更具科学化。

二、基于“STEM+C”活动的计算思维培养模型设计

《普通高中信息技术课程标准》明确将“计算思维”与“信息意识”“数字化学习与创新”“信息社会责任”作为信息技术学科的核心素养。可见，聚焦计算思维的培养是信息技术课程的重要方向，它强调培养学生运用计算机的处理方式界定实际生活中的问题、抽象特征、建立结构模型、科学整合数据，综合各种资源和算法，形成问题解决方案。

有学者提出，计算思维包含“分解、抽象、算法、调试、迭代、归纳”六个要素[4]。STEM课程注重探究、学科整合与真实情境的交互。在活动设计时，应培养独自探究与合作探究的能力。探究要注重课程之间的衔接性，调动兴趣和求知欲，促使学习者自主发现并学会解决问题。设置层次分明的递进式任务，步步深入发展学生的高阶思维，同时做好相关拓展课程的延伸和知识迁移。在课程设计时，应注重多学科间的深入整合，情境的创设与支持也应从双向角度考量，从真实情境中的问题出发再回归到真实情境。根据这些特点，笔者构建了如图1所示的基于“STEM+C”活动的计算思维培养模型。

三、教学案例剖析

通过对“基于SIR模型的疾病传播模拟”活动案例的分析，具体阐述上述模型的应用。第一步：情境设置，激发兴趣。2020年新冠病毒疫情暴发，钟南山院士曾预测南方地区２月中旬会达到发病最高峰。第二步：定义问题－明确任务－知识储备。钟南山院士对疫情的预测并不是凭借经验，而是通过数学模型分析并结合实际情况做出判断。本次活动主要任务是了解疾病传播的过程，建立从简单到复杂的疾病传播模型，编程实现疾病传播的模拟。首先了解基本传染数R0，指在没有外力介入，同时所有人都没有免疫力的情况下，一个感染者会把疾病传染给多少人的平均数[3]。再了解SIR模型，又叫“易感者－感染者－免疫者”传染病模型，指得了一次病就不会再得第二次，但有些疾病感染之后不会获得免疫力，就像常见的感冒和流感，称为“易感者－传染者－易感者”模型（SIS模型）。第三步：问题分解-模式识别-抽象化。（1）问题分解。计算思维的第一个步骤是把复杂的问题分解成若干易处理的小问题，首先将人群分成易感者、感染者、免疫者三大类。（2）模式识别。构建出它们的关系模型：易感者→感染者→免疫者。（3）抽象化。定义“邻居”：把每个人抽象成一个方块，与方块任意一边相邻的方块代表的是社交圈里的一个人，假设每个人有4个邻居；定义“一格”：现实生活中从传染、生病到治愈需要一定时间，假设这段时间周期为一格。第四步：算法构建－流程设计－编写程序。算法构建，也就是模型运行的规则。规则一是感染者有一定概率在下一步让易感者邻居成为感染者。规则二是疾病只能通过感染者传播给“邻居”，而不能隔空传播。通过思维导图的方式进行数据流分析，梳理每个角色之间的结构关系和事件关系，最后编写程序实现。第五步：测试优化与分享交流。通过修改规则增加挑战，使其更贴近真实生活。譬如提出“如果是SIS模型，思考改变哪些规则？”。

四、总结与反思

STEM教育融入C（computing），是以信息技术为抓手、项目化学习为方式，运用科学原理、数学计算、工程设计培养学生计算思维的有效手段。该模型通过“想象-研究-设计-制造-优化”的迭代过程着重培养青少年计算思维、创意设计表达和跨学科解决真实问题的能力，将分解、抽象、算法、调试、迭代和归纳六个要素渗透在各个环节。由于该案例正是源于当时疫情背景设计的，大大调动了学生的学习研究热情。

经过实践，笔者做出如下反思：一是进一步完善评价指标。现存课程评价指标较模糊，缺少量化数据支撑课程实施后学生在创意表达、跨学科学习能力和计算思维方面的明显变化。应在后续研究中进一步完善评价体系，做到多元化、多角度，科学、细化、具体的评价指标。二是不断丰富活动案例的设计。结合青少年身心和认知特点，进一步挖掘提炼，设计更富创意性和开放性的活动案例。三是课程建设要考虑时代性与社会性。科学技术发展日新月异，需要及时更新并淘汰落后于时代发展的内容。课程建设还要考虑社会性，力图将课堂与社会热点链接，提供解决真实情境中有效问题的机会，引导学生学会思考和分析方案的优点与缺点，再简化优化算法，逐步找到最优策略。

【参考文献】

[1]教育部教育管理信息中心.中国STEAM教育发展报告[M].北京：科学出版社，2017.

[2]Shute V J，Sun C，Asbell-Clarke J.Demystifying computational thinking[J].Educational Research Review，2017，22：142-158.

[3]葛瑛，李太生.应对中東呼吸综合征，要关注不要紧张[J].中华内科杂志， 2015.