STEM与计算思维融合教育教学策略探究

摘 要：计算思维视角下融入STEM理念的小学信息科技教学，对激发学生创新意识，培养学生适应能力，提升学生信息素养具有重要作用。随着创客教育、STEM 教育理念在课堂中的渗透应用，计算思维的培养策略也亟待创新发展。本文立足于计算思维和STEM理念相辅相成的作用，即计算思维能力对STEM教学过程的支撑作用以及 融合STEM 教育理念下发展计算思维的优势两方面，对计算思维视角下融入STEM理念的教学策略进行相关探究，并提出了具体的课堂构建策略。

关键词：计算思维；STEM教育理念；信息科技；创客教育

数字化大变革给人类打开了未来已来的科技局面，从信息通讯、网络技术到人工智能、大数据、云计算再到区块链、机器人、量子通讯、5G技术、ChatGPT等，我国在很多关键领域都取得了突破性成果和世界先进科研成就，同时也创生出一个全新的数字化生存环境。随着教育信息化程度不断提高、数字化进程不断发展，计算思维已成为人们的主要思维方式，是人们思维能力的主要特征之一[1]。

一、计算思维概述

2006年3月，卡内基·梅隆大学的周以真教授首次提出计算思维的概念，她将计算思维定义为是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动一种思维模式[2]。

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中明确指出：“信息科技从计算思维的教育实践来看，课程要培养的核心素养，主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。”计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动[3]。由此可见，在教育实践领域，我国中小学生的计算思维培养已提升到信息科技课程里面，计算思维成为四大核心素养的关键素养之一。

二、计算思维与STEM

STEM教育理念起源于美国，STEM是由科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写组成，倡导将各个领域的知识加以融合创新，通过各学科之间的相互联系与配合，形成综合性项目课程。近年来随着STEM教育理念与教育模式的逐步尝试与渗透，通过跨学科的主题学习形式以及融合教育的发展，已经在中小学信息科技教学中广泛流行开来。STEM教育倡导真实性学习，依托项目式学习模式，强调学生自主解决问题的能力提升，发挥综合育人功能。

温特罗普等人系统论述了STEM教育与计算思维的互惠关系，指出计算思维在帮助学习者解决真实生活中复杂问题的同时，习得学科知识与多元能力，计算思维在实践计算机科学、数学和科学的概念与知识的基础上互利共生。[4]计算思维与STEM关系紧密。一方面，计算思维以STEM教育为基础。计算思维是在数学与工程学的基础上逐步发展而来的，因为我们建构的系统需要与现实世界进行有效互动，所以必须在数学与工程学之间取得经验。另一方面，计算思维与STEM在本质上是相同的，因为它们都是以解决问题为最终目的。计算思维以“分解、概括、算法思维、评估和抽象化”为活动流程，而 STEM 教育过程则以“确定问题、规划、尝试、修改和交流”为解决问题的思维过程，二者虽在表达上有区别，但它们具有内在一致性，见图1。

三、计算思维视角下融入STEM理念的必要性

1、计算思维能力为STEM教育提供支撑

计算思维解决问题的流程分为“分解、概括、算法思维、评估和抽象化”， STEM 教育解决问题的思维过程分为“确定问题、规划、尝试、修改和交流”，它们之间存在对应关系，STEM教学过程中的关键步骤需要以计算思维作为支撑。比如确定问题时，学生需要具备一定的问题分解能力，将一个完整性的项目分解成独立且联系的小项目，进行构造与重组，最终完成整个项目的搭建。再比如在尝试环节当中，学生需要用到算法思维，才能用编程语言完成整个项目。

2、计算思维与STEM教育契合发展的优势

STEM教育理念与计算思维理念之间存在许多契合点，其主要表现在两个方面：一方面在课程实施上，STEM教育理念与计算思维同样强调跨学科学习和情境化设计教学，同时，计算思维的与STEM教育在理论上又存在联系，比如计算思维与数学、计算机科学、工程学之间存在较多交叉知识，因而在计算思维视角下融入STEM理念具有可行性。另一方面，在教学资源的配置上，STEM课程需要以信息科技手段作为强有力的硬件支撑，利用现代化工具实现教学过程，从而提高计算思维能力。

四、相关建议

在计算思维视角下融入 STEM 教育理念，有助于提升学生的批判性思维、计算思维、合作意识和创新意识，为促进两者的相互联系与发展，应注意以下几点：

1、关注跨学科学习，创设情境化教学模式

计算思维视角下融入 STEM 教育理念，是将多学科融合发展作为重要抓手，培养学生解决综合性问题的能力，在数学、工程学、计算机科学等多门学科的共同影响下，引导学生综合运用多学科知识去发现问题、解决问题，有目的的创设相关情境，激发创新意识，产生学习能力和计算思维能力的提升。

2、全方位立足项目，多重视角看问题

只有对项目有一个正确的整体认识和分析，认清问题的本质，才能从根本上提高解决问题的效率。计算思维视角下融入STEM理念，学生在问题解决的过程中，要抛开自我意识，从多重视角挖掘问题的本质，多维度的理解问题，实现纵横迁移，使学生在参与问题的解决过程中，发现问题并高效灵活地解决问题，提升创新意识和批判性思维。

3、关注算法体验，提升计算思维

在解决问题的过程中，学生在利用算法进行程序设计的基础上，通过对项目的规划、尝试解决与修改的过程中，加强了算法体验，能在实践中进一步体验算法，提升学习兴趣和解决问题的积极性，在真实情境中促进对知识的内化与迁移拓展。在计算思维培养的过程中，要同时关注显性学习表现与隐形学习经验的习得，关注思维发展的阶段性表现，遵从计算思维培养的系统性、阶段性和梯度性原则，促进学生利用技术解决问题的能力。

参考文献：

[1]牟琴.“轻游戏”对计算思维能力的培养——教育游戏对程序设计基础课程教学的影响[J].远程教育杂志，2011，（6）：94-101.

[2]Wing J M. Computational thinking[J]. Communications of the ACM， 2006，（3）：33-35.

[3]中华人民共和国教育部．义务教育信息科技课程标准：2022年版［S］.北京：北京师范大学出 版社，2022：4．

[4]WEINTROP D，BEHESHTI E，etal，Defining Computational Thinking for Mathematics and Science Education Technology，2016（1）：127-147.