翟文輝

【摘要】本文簡述STEM的概念以及設(shè)計思路，以具體設(shè)計項(xiàng)目為例，從數(shù)據(jù)提取、抽象模型、優(yōu)化算法、模擬編程等方面闡述STEM教育在計算機(jī)思維的培養(yǎng)過程的實(shí)踐和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】STEM教育 ?計算機(jī)思維 ?實(shí)踐應(yīng)用

【基金項(xiàng)目】甘肅省教育科學(xué)規(guī)劃課題，課題編號：GS [2018]GHB3026。

【中圖分類號】G633.67 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）08-0244-01

STEM是將在教育中融入多種學(xué)習(xí)方式，通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)開展多學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容。計算機(jī)思維作為人才核心素養(yǎng)的主要標(biāo)志，將計算機(jī)知識和其他學(xué)科展開整合，高效應(yīng)用STEM提供真實(shí)的學(xué)習(xí)場景，為計算機(jī)思維的發(fā)展提供空間。

一、STEM教育介紹

（一）概念

STEM是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科之間有效整合，更加強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科間的互相融合，核心意義以及主要特征就是學(xué)科間的跨越。STEM教育是以學(xué)科之間的整合為核心，將現(xiàn)實(shí)問題加以解決。STEM教育重點(diǎn)是對教學(xué)方式與策略的改革，其應(yīng)用的有效性主要從教學(xué)方式的改變、學(xué)科整合、學(xué)習(xí)效率提升等方面入手，以個人視角將此概念生活化。應(yīng)用STEM教育可促使學(xué)生更好地掌握各種跨學(xué)科知識，通過交叉學(xué)科之間相互協(xié)作，構(gòu)建知識和技能。特別是將其和編程教學(xué)之間的融合，可促使學(xué)生計算機(jī)思維不斷形成，進(jìn)而提升綜合素養(yǎng)。

（二）設(shè)計思路

當(dāng)前，計算機(jī)思維在不同領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用，逐漸形成了成熟的方法與理論。在計算機(jī)方面應(yīng)用STEM教育可簡化學(xué)生的思考過程，優(yōu)化思維方式，積極轉(zhuǎn)變學(xué)生思考問題的方式，創(chuàng)新知識加工和思考途徑。在工具方法方面，還能向?qū)W生呈現(xiàn)出更為完整的工具包，助力學(xué)生創(chuàng)新思維的同時，使其對問題展開深入探索，進(jìn)而提升其計算機(jī)思維水平。

二、計算機(jī)思維在STEM教育中的實(shí)踐與應(yīng)用

（一）項(xiàng)目概述

本STEM教育項(xiàng)目中，基于水循環(huán)知識，探索雨量器的主要作用，通過對具體問題加以分析，設(shè)計出草圖，進(jìn)而展開制作和測試。下面就水循環(huán)這一過程展開編程模擬，訓(xùn)練學(xué)生計算機(jī)思維。

（二）實(shí)踐應(yīng)用

1.數(shù)據(jù)提取

使用小組討論方式對“雨水的來源和去向”做出探討，使用思維導(dǎo)圖對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，并為學(xué)生播放微視頻“雨水形成過程”，利用網(wǎng)絡(luò)搜索各項(xiàng)活動資料，獲取和項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)據(jù)，總結(jié)出水三種狀態(tài)以及水循環(huán)需要經(jīng)歷的三個過程。水分為固態(tài)、液態(tài)以及氣態(tài)。經(jīng)歷蒸發(fā)、凝結(jié)、降雨三個過程之后，在海上、海陸、陸內(nèi)之間形成循環(huán)。水循環(huán)的主要意義是保障地表水形成動態(tài)平衡的狀態(tài)，進(jìn)而保障地球表面熱量的平衡。水循環(huán)作為聯(lián)系海洋和陸地的重要紐帶，在保持地表形態(tài)過程具有重要作用。

2.抽象模型

計算機(jī)思維當(dāng)中，抽象模型屬于常用方法，同時也是計算機(jī)教育的重點(diǎn)目標(biāo)。抽象的過程是將某一特定環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行簡化，形成集合，將其重要特征加以保留，獲取便捷的計算方式。除了事物特殊屬性以外，對其公共要素以及情境展開提取，和其他事物之間緊密聯(lián)系，制定出解決方案。在此項(xiàng)目中，教師可使用可視化思維挖掘知識，顯示出抽象模型。將水三種狀態(tài)循環(huán)以及自然界中水循環(huán)常見形式顯示出來。

3.優(yōu)化算法

優(yōu)化算法是按照抽象模型對算法提取，經(jīng)教師指導(dǎo)后，由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使用保鮮膜、保鮮盒、小容器、冰塊、熱水等為實(shí)驗(yàn)材料。將小容器置于保鮮盒的中心位置，使其開口向上，之后向其中注入熱水，保障熱水液面低于容器邊緣，最后使用保鮮膜將保鮮盒和密封，在上方放置冰塊。各個小組觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，之后將報告填寫完整。

4.模擬編程

使用流程圖對水三種狀態(tài)循環(huán)展開程序模擬。在程序開始時，呈現(xiàn)出水的液態(tài)形式。設(shè)置升溫和降溫按鈕，然后單擊升溫鈕，這時水溫逐漸升高，當(dāng)溫度超過100℃之后，變?yōu)闅鈶B(tài)狀態(tài);之后單擊降溫鈕，水溫不斷降低，當(dāng)溫度小于0℃時，水變成固態(tài)，之后實(shí)現(xiàn)編程模擬。應(yīng)用Scratch進(jìn)行編程，需要確定不同狀態(tài)水的角色，使用循環(huán)語句作為腳本，同時使用邏輯、判斷、循環(huán)等語句展開判斷。將背景調(diào)用之后，利用各種調(diào)控按鈕對水溫展開調(diào)節(jié)，最終完成水循環(huán)的模擬過程。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)過程，利用STEM教育與計算機(jī)編程有效融合，對水循環(huán)的整個流程展開實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對實(shí)際問題展開探究，通過編程解決實(shí)際問題，強(qiáng)化其計算機(jī)思維能力。通過程序語言進(jìn)行人和計算機(jī)之間的交流。每個程序都有特定的指令和符號，將這些指令按照相應(yīng)語法規(guī)則重新組合，實(shí)現(xiàn)所需功能的程序設(shè)計。使用流程圖對程序?qū)崿F(xiàn)過程加以梳理，模擬出水循環(huán)的狀態(tài)，最終形成計算機(jī)思維[1]。

結(jié)束語

總而言之，將STEM教育在計算機(jī)教學(xué)中有效應(yīng)用，為編程教學(xué)提供了新的發(fā)展機(jī)遇，利用各種可視化的工具，逐漸培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計算機(jī)思維能力，將隱性知識進(jìn)行顯示化處理，對真實(shí)的場景展開模擬，進(jìn)一步提升學(xué)生思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]程育艷.在“STEM+項(xiàng)目”中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的實(shí)踐探究[J].基礎(chǔ)教育參考，2018（21）：37-38.