廉文如 寧曉芳 張明明

摘? 要 高中信息技術課程旨在培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)，以幫助其更好地適應未來信息社會。STEM教育注重通過跨學科教育培養(yǎng)學生在真實情境中的問題解決能力和實踐能力，有利于高中信息技術學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。以“算法與程序實現”為例，從設計思路、內容設計和課例設計三方面對融入STEM教育理念的課程教學設計進行探究。

關鍵詞 STEM教育;高中信息技術;學科核心素養(yǎng);課程設計

中圖分類號：G632.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）11-0081-03

1? STEM教育與信息技術學科核心素養(yǎng)

我國核心素養(yǎng)的發(fā)展起步較晚。2016年9月發(fā)布的《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》明確了學生應具備的必備品格和關鍵能力。2017年發(fā)布各學科課程標準，其中《普通高中信息技術課程標準》中明確提出信息技術學科核心素養(yǎng)為信息意識、計算思維、數字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任。

為了應對社會對綜合型人才培養(yǎng)的要求，STEM教育理念受到廣泛關注。2010年左右，STEM教育理念傳入我國，并因其培養(yǎng)學生解決真實問題和創(chuàng)新等適應未來社會的能力素養(yǎng)而逐漸受到重視。STEM教育鼓勵學生將多學科知識有機融合以解決真實問題，盡可能多地獲得各學科知識并內化為自身能力[1]。信息技術學科教學通常以學生已有學習和生活經驗為切入點，在使用信息技術解決真實問題的過程中發(fā)展學生的計算思維，增強其信息社會責任。

2? STEM教育理念下的“算法與程序實現”內容分析

2.1? 從課程標準的角度分析

根據新課標要求，“算法與程序實現”部分要求在之前學習的基礎上，可以使用算法程序解決真實生活問題，在解決問題的過程中深入體會真實問題抽象化的過程，了解算法的特征，掌握算法編程的應用與優(yōu)化。

2.2? 從教材內容組織的角度分析

2.2.1? 培養(yǎng)學生算法解決問題的思維? “算法與程序實現”以問題為主線，要求學生可以使用編程解決;理解窮舉法和排序法等基本算法思想;能夠掌握解析法、遞歸的算法思想，能夠用數學模型幫助問題的解決。

2.2.2? 培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)? 在STEM視角下的“算法與程序實現”教學中，學生從真實的問題情境出發(fā)，通過搜集資料、分析問題、討論解決方案以及方案的實施等整個過程中，積極參與學習活動，充分思考并在問題解決中發(fā)揮自身能力。學生在思考交流、動手實踐中習得各種知識、技能，學會多學科知識內容的遷移應用。

3? STEM教育理念下的“算法與程序實現”內容設計

3.1? 設計思路

3.1.1? 設計課程內容? 信息技術課程教學強調學生在解決問題的過程中能夠有效處理數據信息、熟練使用信息技術軟件，培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)。在信息技術課程中，程序設計的內容難度較大且抽象。從學生認知發(fā)展水平來看，信息技術課程內容應結合學生生活經驗和生活情境[2]，讓學生體會使用編程解決問題的簡便快捷。通過程序設計的過程，提升學生信息技術學科素養(yǎng)，體會計算機、人與社會的關系。

3.1.2? 設計課程內容結構? 信息技術課程教學內容多與當前社會所需技術相關，如之前學習的Word、Flash等技術軟件，目前熱議的掌控板、3D打印等內容。在信息技術課程內容結構方面，以學生思維培養(yǎng)為目標，以技術工具的教學為依托，進行課程內容的結構設計。在“算法與程序實現”中，可以以編程軟件的使用為基礎，以問題解決的實踐探究為中心環(huán)節(jié)，以學科核心素養(yǎng)為根本目標，進行課程內容設計。

3.2? 內容設計

在“算法與程序實現”中共六節(jié)內容，前兩節(jié)為算法方法的講授，中間三節(jié)為基本算法程序的講解，還有一個綜合活動的內容。各小節(jié)內容首先通過真實問題的內容分析、設計算法、編寫程序和調試程序得到問題解決，提出本節(jié)所學內容的概念和基本思路等，最后通過實踐練習鞏固知識。

3.2.1? 問題設計? 在真實情境下學習到的知識，可以靈活遷移到其他問題的解決。STEM課程中的問題情境來源于真實場景，學生需要運用多學科知識、跨學科思考以解決實際問題。在STEM課程中，學生是課堂的主體，通過小組協作討論等活動，綜合考慮問題的方方面面，解決真實情境下的問題[3]。在此過程中，學生運用多學科知識小組協作真實解決問題，培養(yǎng)跨學科思考、協作學習和問題解決的能力。

3.2.2? 內容設計? 基于STEM理念進行“算法與程序實現”的教學設計，以真實問題導入，學生通過任務驅動、小組合作探究解決問題。將每小節(jié)問題引入和學生的知識背景或生活經驗聯系，開展教學和合作探究，具體內容見表1。

3.3? 5E教學模型

5E教學模型是STEM教育在與其他學科整合過程中形成的，包括參與（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、闡釋或延伸（Elaboration or Exten-sion）、評估（Evaluation）。5E教學模式的特點是以學生為中心，基于問題和合作開展探究活動。

3.3.1? 參與階段? 在這一階段，主要是教師根據對學生學習背景和生活條件的掌握，選取與學生密切相關的問題引入課堂。在教學過程中，學生在教師創(chuàng)設的問題情境中理解問題并進行初步思考。

3.3.2? 探索階段? 在這一階段，學生根據教師所給提示信息進行問題和解決方法的搜集和整理，并通過小組合作探究問題的解決方案。

3.3.3? 解釋階段? 在這一階段，學生進一步交流分享自己的觀點，解釋自己的想法，深入探討具有可行性的問題解決方案。

3.3.4? 闡釋或延伸階段? 在這一階段，學生從方案實施的角度探討問題的解決方案，修改或利用實驗開展進一步的探究活動。

3.3.5? 評估階段? 評估貫穿于5E模式，在這一階段以學生互評、回答問題等形式，評定學生對知識的掌握情況。

4? “算法與程序實現”教學設計

4.1? 教材分析

本節(jié)課選自粵教版選修1“算法與程序實現”第4章，設計算法并編寫程序以解決現實問題。本節(jié)課前學生已經學習了程序設計和開發(fā)的基本語言，了解可視化編程的概念和方法以及程序調試的方法。本章節(jié)內容通過簡單的數學問題學習用解析法和窮舉法設計程序和查找、排序與遞歸三種算法。

4.2? 教學對象分析

學生通過前面幾節(jié)課已經學習了程序開發(fā)的基本流程和程序語言，并且會用簡單的流程圖編寫程序設計代碼。本節(jié)課主要讓學生通過分析數學問題、設計解決數學問題的算法、根據算法編寫程序、調試程序以解決問題，熟悉使用編程解決問題的過程，培養(yǎng)學生的計算思維。高中階段學生能夠理性控制自己的思想和行為，抽象邏輯思維和創(chuàng)造性逐步發(fā)展。使用的教學案例多為高一年級學生熟悉的初中數學相關知識點[4]。

4.3? 教學目標分析

根據對新課標的分析，以及上述“算法與程序實現”教學設計的前期分析，歸納總結出本章教學目標。

4.3.1? 信息意識? 能夠理解解析法和窮舉法的概念與解決問題的思路;能夠分析、描述實際問題，使用流程圖描述算法并完成程序編寫。

4.3.2? 計算思維? 通過問題解決，掌握解析法和窮舉法分析與設計程序的一般方法和過程;能夠編寫程序并調試;了解查找算法、排序算法和遞歸算法的內涵與程序，可以熟練使用。

4.3.3? 數字化學習與創(chuàng)新? 比較不同場合使用不同算法的優(yōu)缺點（如順序查找算法與對半查找算法的不同），體會算法效率的差別[5]，根據實際情況選擇最優(yōu)解。

4.3.4? 信息社會責任? 了解查找算法、排序算法和遞歸算法的應用場景，并在生活和學習中實踐算法思想。

4.4? 課例設計

根據上述STEM理念下“算法與程序實現”設計思路、內容設計和教學模型，采用第一節(jié)“怎樣計算樹的高度”進行課例說明，具體如表2所示。用解析法設計程序包括代數模型和遞推模型兩種類型，分為兩課時，在之前學習基礎上，學會使用解析法設計程序。

4.4.1? 第1課時

1）內容介紹。教師給出問題情境，帶領學生分析任務情境，明確學習任務。通過分析，學生需要了解解析法的概念以及用解析法設計程序的基本思路，并能夠使用解析法設計程序解決簡單問題。

2）教學目標：理解解析法的概念;了解用解析法設計程序的基本思路。

3）教學過程。

①創(chuàng)設問題情境。小明家最近想搭建一個停車場，需要將院子里的樹砍掉。為了不讓倒下的樹砸到院子里的花花草草，需要測量樹的高度。在測量樹的高度時，為了安全，可以采用的測量方法為：在地面上選取一條與樹木在同一平面的水平線段AB為基線（如圖1所示），測量A點向樹最高點張望的仰角和B點向樹最高點張望的仰角，通過三角函數計算可以得出樹的高度。測得AB的長為20米，在A點向M點張望的仰角α=38.4°，在B點向M點張望的仰角β=22.8°。

②教師提問：根據學過的知識，怎么解決這個問題呢？而且角度不是特殊角，運用計算機又該怎么具體解決這個問題呢？因為問題比較簡單，可以請學生自己分析問題。

【分析過程】樹MN是垂直于地面的，所以△ANM和△BNM都是直角三角形。在△ANM中，AN=MN/tanα;在△BNM中，BN=MN/tanβ。又因為AB已知，AB=BN-AN，帶入數值就可以求出MN的高度。

③教師帶領學生編寫程序解決問題，提出本節(jié)課學習內容解析法設計程序的概念和基本思路。

④教師提出問題：“小明家打算用鐵絲圈一塊地用來種菜，現在家里只有一根長l的鐵絲，如果要將面積為S的地圈起來，請同學們幫忙計算出滿足這種條件的地的長l和寬w，如圖2所示。請同學們運用解析法分析問題并完成程序設計?！?/p>

4.4.2? 第2課時

1）內容介紹。教師給出任務情境，指出與上節(jié)課不同之處，在學生無法推導出代數解析式的時候，了解遞推模型的特點，學習迭代算法并進行程序設計和編寫。

2）教學目標：了解遞推模型問題的程序設計（迭代算法）;熟練使用解析法進行程序設計和編寫。

3）教學過程。

①教師創(chuàng)設任務情境。將兩只大兔子（一雄一雌）放到一個封閉的空間繁衍生息，假設大兔子每個月就可以生出一對小兔子，小兔子一個月長大成大兔子，并且這些兔子都不會死。提出問題：一年后總共有多少對兔子？小組合作學習：分析問題，描述算法并進行程序設計編寫與調試。

②教師講解遞推算法的特點與算法實現，詳細講述算法設計并對學生任務探究過程中的疑問進行解答。

③教師再次提出問題：“小球從10米高處自由下落，再次彈起的高度是下落高度的70%。當小球彈起的高度不足原高度的千分之一時，小球就會停止跳動。計算小球在整個彈跳過程中所經歷的總路程（忽略彈起高度不足原高度千分之一的部分）?！睂W生結合之前的探究經驗分析并解決問題。

5? 總結

伴隨著社會對綜合型人才的迫切需求，STEM教育的發(fā)展如火如荼。STEM教育要求教學做到以學生為中心，教師只是教學活動的引導者和促進者，在真實的問題情境下引導學生發(fā)現問題，以學生的問題探究活動為中心進行跨學科知識的學習[2]。高中信息技術課程作為技術類綜合課程，具有操作性強和知識覆蓋面廣等特點。在STEM教育視角下，高中信息技術課程設計可以打破原有按照知識主線進行教學的形式，教學內容的組織具有較強的綜合性，可以綜合考慮生活中的實際問題并選取可行的措施。

參考文獻

[1]楊開城，竇玲玉，李波，等.STEM教育的困境及出路[J].現代遠程教育研究，2020（2）：20-28.

[2]殷慧.STEM教育理念下高中信息技術課程設計[D].成都：四川師范大學，2017.

[3]李克東，李穎.STEM教育與跨學科課程整合[J].教育信息技術，2017（10）：3-10，13.

[4]薛語.基于計算思維培養(yǎng)的高中信息技術課程教學設計與實踐[D].黑龍江：牡丹江師范學院，2019.

[5]陳靜.初中信息技術課程教學中學生計算思維能力的培養(yǎng)策略研究[D].蘭州：西北師范大學，2017.