周平紅 牛鈺琨 王康 張屹 李幸 上超望

摘要：計算思維是STEM問題解決中的一項關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已逐漸成為STEM教育的重要目標(biāo)。然而當(dāng)前如何在STEM工程設(shè)計教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，還有待深入探索。面向計算思維培養(yǎng)的STEM工程設(shè)計教學(xué)模式以計算思維、STEM學(xué)科內(nèi)容知識以及教學(xué)法的整合為核心，通過工程設(shè)計發(fā)揮“系統(tǒng)流程”優(yōu)勢，將科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)相關(guān)活動整合在一起，讓學(xué)生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中感知情境性問題，解決挑戰(zhàn)性任務(wù)。該模式在STEM課程“植物工廠”中的教學(xué)應(yīng)用表明：將計算思維的概念與實踐融入STEM工程設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，能顯著提升學(xué)生的STEM態(tài)度和計算思維能力，并且STEM態(tài)度對計算思維具有預(yù)測作用。未來，通過STEM教育發(fā)展計算思維將成為一種跨學(xué)科的思維實踐，基于證據(jù)的多元評價方式將有利于STEM教育中計算思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM教育；計算思維；工程設(shè)計；教學(xué)模式；STEM態(tài)度

中圖分類號：G434文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-5195（2022）01-0104-09 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2022.01.012

基金項目：華中師范大學(xué)國家教師發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新實驗基地建設(shè)研究項目“人工智能教育視域下教師跨學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新與實踐研究”（CCNUTEIII 2021-20）；2018年度國家自然科學(xué)基金項目“促進小學(xué)生計算思維培養(yǎng)的跨學(xué)科STEM+C教學(xué)理論與實證研究”（71874066）。

作者簡介：周平紅，博士，副教授，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部（湖北武漢430079）；牛鈺琨（通訊作者），教師，淄博齊盛高級中學(xué)（山東淄博255000）；王康，博士研究生，湖北省武漢市教育科學(xué)研究院（湖北武漢430070）；張屹，博士，教授，博士生導(dǎo)師，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部（湖北武漢430079）；李幸，博士，講師，江漢大學(xué)教育學(xué)院（湖北武漢430056）；上超望，博士，教授，博士生導(dǎo)師，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部（湖北武漢430079）。

近年來，隨著人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等技術(shù)在眾多行業(yè)中展現(xiàn)出變革性力量，計算思維在教育領(lǐng)域，尤其是K-12階段教育中持續(xù)升溫。計算思維（Computational Thinking，CT）是一種思維方式，是利用計算科學(xué)的基本理念和方法，結(jié)合工程思維、數(shù)學(xué)思維等多種思維方式，進行問題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的思維過程（陳鵬等，2018）。計算思維是STEM問題解決中的一項關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已逐漸成為STEM教育的重要目標(biāo)（Swaid，2015；Lee et al.，2020），中國、美國、澳大利亞和芬蘭等國家已頒布相關(guān)政策并增加財政支出，將計算思維教學(xué)納入中小學(xué)STEM教育（Grover et al.，2013；Angeli et al.，2016；Wang et al.，2019）。然而當(dāng)前雖然已有不少針對計算思維培養(yǎng)以及STEM教育的研究，但如何將計算思維培養(yǎng)整合到STEM教育的具體學(xué)科，仍需要更多實證研究的指導(dǎo)。工程是STEM教育集成的紐帶，工程設(shè)計是人們運用所學(xué)知識和方法，有目的地決策、設(shè)計、實施和評價，最終產(chǎn)出工程產(chǎn)品的過程。計算思維和工程設(shè)計具有相似性和協(xié)同效應(yīng)（National Research Council，2010；2011；Shute et al.，2017）。計算思維如何嵌入STEM工程設(shè)計活動？有哪些方法可以培養(yǎng)學(xué)生在工程設(shè)計活動中的計算思維？學(xué)生STEM態(tài)度與計算思維之間的關(guān)系如何？這些問題都有待研究進行深入探討。

一、相關(guān)研究綜述

1.計算思維相關(guān)研究

計算思維源于計算機科學(xué)學(xué)科，由周以真（Wing，2006）于2006年首次提出，是指利用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念來解決問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解人類行為等的思維和能力。計算思維不僅對計算機科學(xué)具有很高的價值，而且也是學(xué)生必須具備的基本素養(yǎng)和能力（Wing，2006；Duncan et al.，2015）。當(dāng)前有關(guān)計算思維的研究大致可分為計算思維測評和計算思維培養(yǎng)兩方面。計算思維測評研究重點關(guān)注計算思維的表征以及計算思維測評的操作化。例如：白雪梅和顧小清（2019）以中學(xué)生為樣本收集數(shù)據(jù)并進行了計算思維量表的構(gòu)建，為測量我國K12階段學(xué)生的計算思維水平提供了有效的工具。柯爾克瑪茲（Korkmaz et al.，2007）從計算思維定義的視角出發(fā)，將計算思維測評的核心技能分為創(chuàng)造力、批判性思維、算法思維、問題解決、合作學(xué)習(xí)5個維度。布倫南等（Brennan et al.，2012）提出了計算思維的三個關(guān)鍵維度——計算概念（即與計算思維相關(guān)的內(nèi)容知識，包括順序、循環(huán)、事件、條件、并行性、運算、數(shù)據(jù)）、計算實踐（即增量與迭代、測試與調(diào)試、重用和混合、抽象與模塊化）和計算觀點（即興趣、動機及態(tài)度等）。

計算思維培養(yǎng)研究重視計算思維課程體系的設(shè)計、開發(fā)及相應(yīng)教學(xué)模式的應(yīng)用。例如：汪紅兵等人（2014）比較分析了計算思維與程序課程中抽象和自動化的區(qū)別，開發(fā)了以計算思維為導(dǎo)向的C語言程序設(shè)計課程。崔等（Choi et al.，2016）結(jié)合環(huán)境、生活等與日常息息相關(guān)的問題，基于設(shè)計學(xué)習(xí)模式開發(fā)了一系列培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的課程。李幸等（2019）構(gòu)建了以STEM學(xué)科內(nèi)容為核心，以培養(yǎng)學(xué)生復(fù)合型計算思維能力為目標(biāo)的基于設(shè)計的STEM+C教學(xué)模式?？偟膩碚f，現(xiàn)有計算思維的培養(yǎng)研究一般依托于信息技術(shù)課、編程課或科學(xué)課，利用不同的工具（例如可視化編程、基于塊的編程和教育機器人）來培養(yǎng)計算思維。然而當(dāng)前有關(guān)計算思維的定義和范圍尚未達成共識，如何培養(yǎng)和評價計算思維也尚不清楚，計算思維與具體學(xué)科如何整合也有待深入探討。

2.STEM教育與計算思維能力培養(yǎng)

STEM教育是一種通過整合不同學(xué)科來解決現(xiàn)實問題的跨學(xué)科方法（Breiner et al.，2012）。這種方法通過建立科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間的關(guān)系，引導(dǎo)個體解決與日常生活相關(guān)的問題，使個體能夠?qū)ψ匀滑F(xiàn)象進行整合、分析、解釋和評價。STEM教育有助于培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力、邏輯思維、交流能力、批判性思維和媒介素養(yǎng)等。計算思維工具可以為STEM教育提供支持，尤其是數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程的學(xué)習(xí)。然而，當(dāng)前將計算思維融入STEM課程仍具有一定的挑戰(zhàn)性，原因是缺乏勝任的教師，因為一般教師不熟悉計算思維，不具備教授計算思維的知識和技能（Aydeniz，2018）。

同時，相較于數(shù)學(xué)和科學(xué)課程，STEM教育中的工程和技術(shù)受到的關(guān)注更少。隨著國際化進程的推進，越來越多的國家認(rèn)識到工程與技術(shù)教育對于提高工業(yè)實力與綜合國力的重要性（National Academy of Engineering & National Research Council，2009）。2000年，美國國際技術(shù)與工程教育者協(xié)會（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）發(fā)布《技術(shù)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容》，提倡在K-12教育體系中融入工程實踐（ITEEA，2000）；2011年，該協(xié)會又發(fā)布《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念和核心概念》（National Research Council，2012），強調(diào)要將工程設(shè)計和科學(xué)探究活動相結(jié)合。2014年，美國國家評估委員會（National Assessment Governing Board，NAGB）首次將技術(shù)和工程素養(yǎng)作為其學(xué)術(shù)成就調(diào)查的目標(biāo)之一（National Assessment Governing Board，2014）。何善亮（2019）對美國小學(xué)生《Science Fusion》教材進行了分析，發(fā)現(xiàn)該教材每一單元都嵌入了基于工程與技術(shù)的STEM專題活動設(shè)計?？梢?，工程與技術(shù)教育在課程、教學(xué)和評價等實踐層面上都越來越受到重視。

3.STEM態(tài)度與計算思維

STEM能力的關(guān)鍵要素包括STEM知識、STEM技能和STEM態(tài)度三個方面（Hu et al.，2018；Benek et al.，2019）。STEM態(tài)度可以定義為一個人對STEM的思考、感受和看法（S？rakaya et al.，2020）。學(xué)者們開發(fā)了不同維度的工具和量表用以測量學(xué)生的STEM態(tài)度。如孫立輝等人從數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)三個維度開發(fā)了STEM態(tài)度量表，發(fā)現(xiàn)女生的STEM態(tài)度相較于男生更積極（Ching et al.，2019）。Unfried等人將STEM態(tài)度定義為自我期望（Self-Efficacy）和期望價值（Expectancy-Value Beliefs）的綜合，并利用問卷調(diào)查的方法探討了學(xué)生的STEM態(tài)度（Unfried et al.，2015）。然而當(dāng)前STEM工程設(shè)計課程中學(xué)生的STEM態(tài)度以及其與計算思維培養(yǎng)的關(guān)系，尚缺乏相關(guān)探討。

二、整合計算思維的STEM工程設(shè)計教學(xué)模式

本研究借鑒美國國家工程院提出的工程設(shè)計流程，將工程設(shè)計總結(jié)為界定問題、提出解決方案、構(gòu)建和測試模型、優(yōu)化方案和評價5個環(huán)節(jié)。同時，借鑒克羅多納（Kolodner et al.，2003）基于設(shè)計的雙循環(huán)探究模型，建構(gòu)整合計算思維的STEM工程設(shè)計教學(xué)模式，如圖1所示。

該教學(xué)模式的核心是計算思維、STEM工程設(shè)計學(xué)科內(nèi)容知識以及教學(xué)法三者的整合。工程設(shè)計（E）發(fā)揮自身“系統(tǒng)流程”的優(yōu)勢，同時將科學(xué)（S）、技術(shù)（T）與數(shù)學(xué)（M）相關(guān)活動整合在一起，讓學(xué)生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中感知情境性問題，解決挑戰(zhàn)性任務(wù)。“需要知道”即學(xué)生應(yīng)該掌握的具體的學(xué)科領(lǐng)域知識和方法，“需要做”即學(xué)生在解決問題過程中應(yīng)該開展的行動和操作問題，兩者是相互依賴的關(guān)系。

計算思維的培養(yǎng)整合在STEM工程設(shè)計開展的各個活動環(huán)節(jié)。第一，界定問題。該環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生運用計算思維對STEM問題進行理解感知，包括考慮情境、明確目標(biāo)，識別限制條件和考慮可行性。如圖1所示，這是一個循環(huán)迭代的過程。第二，提出解決方案。該環(huán)節(jié)為學(xué)生提供自我知識建構(gòu)的機會，包括習(xí)得新知、探究與分享構(gòu)想、提出解決方案和解釋方案等。在工程領(lǐng)域，任何問題都沒有唯一的正確答案，而是要求工程師利用探究思維和創(chuàng)造意識開發(fā)可能的解決方案（Dym et al.，2005）。所以在這一環(huán)節(jié)，教師是探究學(xué)習(xí)的促進者，提供教學(xué)支架，鼓勵學(xué)生參與頭腦風(fēng)暴。值得注意的是，教師在引導(dǎo)學(xué)生形成解決方案的過程中，要使學(xué)生的解決方案盡量以一種能被信息處理代理有效執(zhí)行的形式表示出來。學(xué)生是探究學(xué)習(xí)的主體，基于對項目情境和內(nèi)容的理解，通過小組分工協(xié)作制定可行的設(shè)計方案，以此進行知識建構(gòu)，進而培養(yǎng)問題解決能力。第三，構(gòu)建和測試模型。該環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，包括設(shè)計草圖、解釋設(shè)計、預(yù)測可能的結(jié)果和轉(zhuǎn)換成模型。學(xué)生從實踐經(jīng)驗中建構(gòu)知識和意義，并通過實踐活動更深入地理解核心概念。因此應(yīng)鼓勵學(xué)生通過試錯，在實踐中自然而然地發(fā)現(xiàn)和解決問題。第四，優(yōu)化方案。學(xué)生通過構(gòu)建和測試模型再次審視設(shè)計方案，迭代優(yōu)化方案和完善模型。學(xué)生的設(shè)計方案與設(shè)計過程是相互融合的，當(dāng)原型制作過程中遇到問題時，學(xué)生需要權(quán)衡和優(yōu)化，直至模型可以解決問題。第五，評價。包括審視方案、模型和分享交流。根據(jù)評價和反饋，教師反思課堂活動的設(shè)計，關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展。

三、以“植物工廠”為例的STEM課程教學(xué)設(shè)計與實施

1.學(xué)習(xí)者分析

“植物工廠”是一門基于設(shè)計的、注重綜合性和實踐性的STEM課程，授課對象是武漢市某小學(xué)六年級學(xué)生，具有較強的學(xué)習(xí)能力，具備了必要的科學(xué)知識，積累了一定的生活經(jīng)驗；有小組協(xié)作學(xué)習(xí)的經(jīng)驗，能夠相互幫助，進行群體建構(gòu)，可以在課程中完成工程任務(wù)。

2.教學(xué)環(huán)境分析

該課程采用科學(xué)實驗室和多媒體網(wǎng)絡(luò)教室相結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生在科學(xué)實驗室進行“植物工廠”的設(shè)計和迭代完善，在多媒體網(wǎng)絡(luò)教室習(xí)得軟硬件知識，基于Mind+編程軟件進行程序編寫和設(shè)備調(diào)試?？茖W(xué)實驗室和多媒體網(wǎng)絡(luò)教室均采用小組式的課桌排放方式，方便學(xué)生以小組為單位進行探究。

3.教學(xué)目標(biāo)分析

“植物工廠”課程通過抽象分解植物生長的影響因素，確定植物工廠的功能；編程控制光照、溫度與濕度，確保植物工廠的運行；設(shè)計植物工廠方案圖，測試與實現(xiàn)植物工廠的功能。其學(xué)科核心知識、跨學(xué)科知識與計算思維培養(yǎng)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。該課程共10課時，持續(xù)5周，每周兩個課時，每課時約1小時。該課程是一個設(shè)計與制作型主題課程，以工程設(shè)計為主線展開，目的在于讓學(xué)生實現(xiàn)一個自動化運行、無人管理的植物工廠的設(shè)計與制作。

4.教學(xué)實施

在本課例中，研究根據(jù)任務(wù)不同，將學(xué)生分為框架組、溫度組、光照組、濕度組四個主題組，分別針對植物工廠進行框架設(shè)計和溫度、光照、濕度的自動化控制探究。為了給學(xué)生創(chuàng)造迭代設(shè)計的體驗，促進小組內(nèi)成員間的協(xié)作，研究加入良性競爭機制，將各主題組進一步劃分為A、B兩組，如溫度A組和溫度B組。最后，按照工程設(shè)計的5個環(huán)節(jié)開展教學(xué)（見圖2）。

（1）界定問題——確定植物工廠自動化的工程情境，初步將問題抽象與模塊化

界定問題是整個活動的開端，主要是引導(dǎo)學(xué)生對STEM工程情境的感知，喚起STEM前概念，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并考慮問題的可行性，激發(fā)探究興趣。在此過程中學(xué)生需要對問題進行抽象與模塊化。

抽象與模塊化主要是對植物工廠構(gòu)建問題進行抽象分解，確定實現(xiàn)植物工廠自動化的要素。植物工廠的自動化設(shè)計是一個復(fù)雜的過程。教師要設(shè)定植物工廠的情境，通過設(shè)置問題支架，幫助學(xué)生運用科學(xué)知識將工廠的核心部分分解為光照系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)和框架系統(tǒng)，并將植物工廠自動化運行的條件抽象為光照、濕度和溫度三個要素。

（2）提出解決方案——習(xí)得軟硬件知識，繪制工程設(shè)計圖，將問題進行增量與迭代

在工程設(shè)計的提出解決方案階段，學(xué)生參與頭腦風(fēng)暴和創(chuàng)意策劃。在該過程中，學(xué)生需綜合運用抽象與模塊化、增量與迭代等計算思維。抽象即產(chǎn)生自動化控制設(shè)計的想法，表現(xiàn)在設(shè)計實時監(jiān)測植物工廠溫度、濕度和光照的報警燈模型，產(chǎn)生工程設(shè)計圖紙，并進行兩輪迭代完善。在概念表征過程中，學(xué)生還需參與模式識別，并在自己的模型中創(chuàng)造不同的模式。與界定問題中的“抽象與模塊化”不同，該環(huán)節(jié)的抽象與模塊化更加情境化和具體化。

增量與迭代主要是將STEM情境下產(chǎn)生的問題具體化，對探究過程中產(chǎn)生的多種構(gòu)思進行篩選和優(yōu)化。例如，針對固定加熱器的材料問題，溫度組展開探討。學(xué)生1：“用陶瓷。”學(xué)生2：“溫度過高，陶瓷會裂開?！睂W(xué)生3：“用鐵?！睂W(xué)生2：“鐵導(dǎo)熱快，鐵的溫度過高會損壞加熱器?！?/p>

（3）構(gòu)建和測試模型——構(gòu)建植物工廠裝置原型，并對原型進行測試和調(diào)試

對設(shè)計方案優(yōu)化后，各組分別進行植物工廠的原型實現(xiàn)。采用小組合作的形式，利用膠槍、燈帶、絕緣手套等工具搭建模型，利用傳感器和可視化編程軟件模擬實現(xiàn)功能。在該過程，學(xué)生主要會用到測試與調(diào)試、重用和混合等計算思維。在構(gòu)建和測試模型時，學(xué)生需要對設(shè)計方案進行實踐及評估，通過測試與調(diào)試識別出先前導(dǎo)致特定目標(biāo)出現(xiàn)錯誤的原因。當(dāng)學(xué)生無法找出問題時，由教師協(xié)助解決。

重用和混合表現(xiàn)在學(xué)生多次使用控制傳感器的代碼，借助USB接口聯(lián)通傳感器和計算機，利用可視化編程軟件實現(xiàn)光照、溫度和濕度的檢測，解決問題。學(xué)生在此過程中會體驗順序、循環(huán)、事件、條件、并行性、運算和數(shù)據(jù)等計算思維概念，如表2所示。

（4）優(yōu)化方案——觀察檢測數(shù)據(jù)，迭代測試功能，提供試錯與反思的機會

在優(yōu)化方案時，學(xué)生參與了測試與調(diào)試、增量與迭代的計算思維實踐。當(dāng)學(xué)生評估設(shè)計時，測試與調(diào)試是排除故障、優(yōu)化方案的重要方式。在植物工廠搭建后的一周內(nèi)，學(xué)生需要經(jīng)常到科學(xué)教室觀察并記錄數(shù)據(jù)。增量與迭代表現(xiàn)在模型搭建完成后，學(xué)生進行數(shù)據(jù)檢測和分析，若檢測數(shù)據(jù)存在問題，則需進一步思考分析原因。該階段強調(diào)學(xué)生通過綜合運用環(huán)境中的各種資源完成自我建構(gòu)。

（5）評價——分享反思模型，進一步測試和調(diào)試完成植物工廠裝置

開展成果展示分享活動，促進全班同學(xué)一起反思。教師通過點評學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)展。在這個過程中，學(xué)生參與了測試與調(diào)試的計算思維實踐。最終設(shè)計完成的植物工廠裝置如圖3所示。

四、教學(xué)效果測評

1.數(shù)據(jù)收集

研究采用問卷調(diào)查法和訪談法，從學(xué)生的STEM態(tài)度變化和計算思維能力發(fā)展兩個方面驗證教學(xué)的有效性。STEM態(tài)度問卷改編自馬奧尼的STEM態(tài)度量表（Mahoney，2010），包括意識、價值、能力感知和傾向4個子維度，每個維度各7道題目，共28道題目。計算思維測量問卷改編自柯爾克瑪茲等人開發(fā)的計算思維量表（Korkmaz et al.，2017），共21道題目。問卷均采用李克特五級量表形式，利用SPSS計算出STEM態(tài)度測量問卷、計算思維測量問卷的信度（克隆巴赫α系數(shù)）分別為0.930、0.914，表明問卷具有良好的信度。

2.數(shù)據(jù)分析

（1）學(xué)生的STEM態(tài)度

前后測配對樣本T檢驗結(jié)果表明，經(jīng)過STEM工程設(shè)計學(xué)習(xí)后，學(xué)生的STEM態(tài)度有所提升（M前測= 4.34，M后測=4.84，t=-6.49，p=0.000<0.05），在 STEM課程的意識、價值、能力感知和傾向上的均值均有所提升，如表3所示。其中，能力感知維度提升最為明顯，表明該課程難度適中，通過課程學(xué)習(xí)提高了學(xué)生解決工程問題的信心和決心?？梢?，STEM工程設(shè)計具有問題解決導(dǎo)向，可以在課堂中調(diào)動學(xué)生的參與感，從而提升學(xué)生的STEM態(tài)度。

（2）學(xué)生的計算思維

如表4所示，在經(jīng)過STEM工程設(shè)計教學(xué)后，學(xué)生的計算思維有所提升（M前測=4.50，M后測= 4.95，t=-6.25，p=0.000<0.05）?？梢姡瑢W(xué)生在STEM工程設(shè)計課程中，參與了計算思維實踐，提升了其合作探究，發(fā)現(xiàn)、提出并解決問題，多維度、批判性地審視問題的能力。

（3）學(xué)生STEM態(tài)度對計算思維的影響

依據(jù)學(xué)生前測中STEM態(tài)度的得分，將學(xué)生分成高態(tài)度組、中態(tài)度組和低態(tài)度組，分別對高態(tài)度組、中態(tài)度組和低態(tài)度組學(xué)生的計算思維進行分析，如表5所示。

從整體來看，三組學(xué)生具有不同水平的計算思維，且STEM態(tài)度越好的學(xué)生具有更高水平的計算思維（M高態(tài)度組=4.86，M中態(tài)度組=4.72，M低態(tài)度組= 4.59）。STEM態(tài)度和計算思維的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.650，表明二者存在一定程度的顯著正相關(guān)。原因可能是對STEM學(xué)習(xí)更自信、更感興趣的學(xué)生，更容易找到問題的解決方式，產(chǎn)生更多的想法，認(rèn)知負(fù)荷更??；而對于STEM學(xué)習(xí)不太感興趣的學(xué)生遇到問題容易出現(xiàn)退縮的行為。此外，多重比較結(jié)果顯示，高態(tài)度組與低態(tài)度組的計算思維水平存在顯著差異，其他小組之間差異不顯著。這可能由于高態(tài)度組的學(xué)生付出的努力更多，而低態(tài)度組的學(xué)生存在“搭便車”現(xiàn)象。

表6顯示了以計算思維為因變量、STEM態(tài)度為自變量進行線性回歸分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)STEM態(tài)度對計算思維產(chǎn)生顯著影響（p=0.000<0.05）。從方差解釋比例來看，STEM態(tài)度解釋了計算思維方差變化的42.2%，表明STEM態(tài)度對計算思維能力有預(yù)測作用。

五、結(jié)論與討論

1.主要研究結(jié)論

本研究探索了STEM工程設(shè)計教學(xué)中學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)，以及學(xué)生STEM態(tài)度與計算思維的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：

第一，STEM工程設(shè)計活動在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)中與數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)學(xué)科進行了跨學(xué)科整合。STEM工程設(shè)計教學(xué)模式讓學(xué)生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中解決挑戰(zhàn)性任務(wù)，學(xué)生體驗了科學(xué)探究流程、技術(shù)實踐活動和數(shù)學(xué)邏輯思維訓(xùn)練，通過自動化培育植物工廠設(shè)計活動，建立了各學(xué)科間的有效關(guān)聯(lián)，從而確保了STEM活動的順利完成。此次STEM工程設(shè)計課程既有設(shè)計與制作環(huán)節(jié)，又涉及到編程操作，通過情境設(shè)置和任務(wù)分工，幫助學(xué)生從中獲得了自我同一性。這與學(xué)者認(rèn)為STEM課程應(yīng)聚焦制作過程中科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識的運用的觀點是一致的（楊開城等，2020）。同時，課程促進了學(xué)生STEM學(xué)習(xí)興趣以及對未來從事數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)、工程設(shè)計相關(guān)工作信心的增長。由此可知，學(xué)校STEM教育實踐的重點應(yīng)是在提出概念框架的基礎(chǔ)上，審視和設(shè)計恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)過程、活動的順序和組合，處理好活動之間的多層關(guān)系，根據(jù)主題的性質(zhì)進行設(shè)計、構(gòu)建和測試的過程。

第二，STEM教育和計算思維實踐可以相互促進。本研究發(fā)現(xiàn)STEM工程設(shè)計是發(fā)展學(xué)生計算思維的重要載體，計算思維的培養(yǎng)能夠映射到工程設(shè)計活動中。首先，學(xué)生在界定問題時，初步將問題抽象與模塊化；然后，通過抽象與模塊化、增量與迭代的計算思維實踐，提出解決方案；再次，通過測試和調(diào)試、重用和混合、增量與迭代等計算思維實踐，構(gòu)建和測試模型、優(yōu)化方案；最后，分享反思模型，進一步測試和調(diào)試完成植物工廠裝置。總之，學(xué)生在工程實踐中可以將編程和計算建模的學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)和科學(xué)結(jié)合起來?？梢?，將計算思維融入STEM教學(xué)，既可以加深學(xué)生對學(xué)科的理解，同時也有助于促進學(xué)生計算思維實踐和技能的發(fā)展。

第三，改善學(xué)生STEM態(tài)度有助于提升學(xué)生的計算思維。計算思維是一個包含多個組件的思維框架，而STEM融合了不同學(xué)科的跨學(xué)科方法。已有研究表明，STEM態(tài)度對計算思維有顯著影響（S？rakaya et al.，2020），本文的研究結(jié)論也支持了這一觀點。因此，教師應(yīng)在計算思維融入的STEM課堂中，通過改善學(xué)生的STEM態(tài)度，進而增強計算思維。

2.討論與思考

本研究驗證了STEM教育與計算思維的關(guān)系，通過STEM工程設(shè)計教學(xué)提升了學(xué)生的計算思維能力。筆者認(rèn)為：

第一，未來通過STEM教育發(fā)展計算思維將成為一種跨學(xué)科的思維實踐。目前的研究有兩種可能的路徑：一是將計算思維作為一種跨學(xué)科的思維，發(fā)展將計算思維與STEM特定學(xué)科內(nèi)容學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法。另外一種方法是將計算思維作為不同STEM學(xué)科的自然集成，將STEM內(nèi)容學(xué)習(xí)從傳統(tǒng)的學(xué)科形式重新概念化，轉(zhuǎn)向基于計算的STEM內(nèi)容學(xué)習(xí)。

第二，基于證據(jù)的多元評價方式有利于STEM教育中計算思維能力的培養(yǎng)。計算思維作為應(yīng)用于STEM領(lǐng)域的綜合思維技能，對它的評價需要先明確其結(jié)構(gòu)體系，理解和識別其核心要素，從而為評價提供依據(jù)。當(dāng)前不少學(xué)者認(rèn)為STEM教學(xué)中應(yīng)具有證據(jù)意識（余勝泉等，2019），本研究在STEM教育活動設(shè)計中融入計算思維的核心評價要素，將學(xué)生作為評價的主體，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，收集學(xué)生迭代修改的作品，通過量表、開放性題目等多種方式進行相關(guān)評價，提高了評價的準(zhǔn)確性。采用多元評價方式評估計算思維過程（Allsop，2019；Basu et al.，2020），收集學(xué)生思維發(fā)展過程中的證據(jù)，這是未來STEM教育中應(yīng)該改革和發(fā)展的重點。

本研究也存在不足。雖然為了減少誤差，研究實施過程中采用組間競爭、組內(nèi)協(xié)作的方式開展教學(xué)，溫度組、濕度組、光照組和框架組也分別設(shè)置了兩個組進行對比。但由于條件的限制，研究采用單組前后測實驗研究法，缺乏對照組。且僅通過課堂觀察和教學(xué)設(shè)計分析學(xué)生計算思維實踐，從問卷調(diào)查的角度對學(xué)生的計算思維和STEM態(tài)度進行分析，如何從基于證據(jù)的評價角度對學(xué)習(xí)者計算思維能力進行綜合評價有待進一步探討。

參考文獻：

[1]白雪梅，顧小清（2019）.K12階段學(xué)生計算思維評價工具構(gòu)建與應(yīng)用[J].中國電化教育，40（10）：83-90.

[2]陳鵬，黃榮懷，梁躍等（2018）.如何培養(yǎng)計算思維——基于2006—2016年研究文獻及最新國際會議論文[J].現(xiàn)代遠程教育研究，（1）：98-112.

[3]何善亮（2019）.如何在科學(xué)教育中開展STEM教育——基于美國《Science Fusion》教材工程技術(shù)教育特色的思考[J].教育理論與實踐，39（32）：42-46.

[4]李幸，張屹，黃靜等（2019）.基于設(shè)計的STEM+C教學(xué)對小學(xué)生計算思維的影響研究[J].中國電化教育，40（11）： 104-112.

[5]汪紅兵，姚琳，武航星等（2014）.C語言程序設(shè)計課程中的計算思維探析[J].中國大學(xué)教學(xué)，36（9）：59-62.

[6]楊開城，竇玲玉，李波等（2020）.STEM教育的困境及出路[J].現(xiàn)代遠程教育研究，32（2）：20-28.

[7]余勝泉，吳斕（2019）.證據(jù)導(dǎo)向的STEM教學(xué)模式研究[J].現(xiàn)代遠程教育研究，31（5）：20-31，84.

[8]Allsop， Y. （2019）. Assessing Computational Thinking Process Using a Multiple Evaluation Approach[J]. International Journal of Child-Computer Interaction， 19：30-55.

[9]Angeli， C.， Voogt， J.， & Fluck， A. et al. （2016）. A K-6 Computational Thinking Curriculum Framework： Implications for Teacher Knowledge[J]. Educational Technology & Society， 19（3）：47-57.

[10]Aydeniz， M. （2018）. Integrating Computational Thinking in School Curriculum[M]// Khine， M. （Eds.）. Computational Thinking in the STEM Disciplines. Springer， Cham.

[11]Basu， S.， Disalvo， B.， & Rutstein， D. et al. （2020）. The Role of Evidence Centered Design and Participatory Design in a Playful Assessment for Computational Thinking About Data[C]// Proceedings of the 51st ACM Technical Symposium on Computer Science Education. New York： Association for Computing Machinery：985-991.

[12]Benek， I.， & Akcay， B. （2019）. Development of STEM Attitude Scale for Secondary School Students： Validity and Reliability Study[J]. International Journal of Education in Mathematics， Science and Technology， 7（1）：32-52.

[13]Breiner， J. M.， Harkness， S. S.， & Johnson， C. C. et al.（2012）. What Is STEM？ A Discussion About Conceptions of STEM in Education and Partnerships[J]. School Science and Mathematics， 112（1）：3-11.

[14]Brennan， K.， & Resnick， M. （2012）. New Frameworks for Studying and Assessing the Development of Computational Thinking [C]// Proceedings of the 2012 Annual Meeting of the American Educational Research Association. Vancouver： SAGE Press：1-25.

[15]Ching， Y.-H.， Yang， D.， & Wang， S. et al. （2019）. Elementary School Student Development of STEM Attitudes and Perceived Learning in a STEM Integrated Robotics Curriculum[J]. TechTrends， 63：590-601.

[16]Choi， I.， Kopcha， T.， & Mativo， J. et al. （2016）. LearningComputerProgramminginContext：Developing STEM-Integrated Robotics Lesson Module for 5th Grade[C]// Society for Information Technology & Teacher Education International Conference. Waynesville： Allyn & Bacon：68-74.

[17]Duncan， C.， & Bell， T. （2015）. A Pilot Computer Science and Programming Course for Primary School Students[C]// Proceeding of the Workshop in Primary and Secondary Computing Education. London： ACM：1-10.

[18]Dym， C. L.， Agogino， A. M.， & Eris， O. et al. （2005）. Engineering Design Thinking， Teaching， and Learning[J]. Journal of Engineering Education， 94（1）：103-120.

[19]Grover， S.， & Pea， R. D. （2013）. Computational Thinking in K-12： A Review of the State of the Field[J]. Educational Researcher， 42（1）：38-43.

[20]Hu， C.-C.， Yeh， H.-C.， & Chen， N.-S. （2018）. Enhancing STEM Competence by Making Electronic Musical PencilforNon-EngineeringStudents[J].Computers& Education， 150：1-13.

[21]ITEEA （2000）. Standards for Technological Literacy： Content for the Study of Technology [EB/OL]. [2020-02-01]. https：//www.iteea.org/Activities/2142/Technological_Literacy_ Standards/45979/49407.aspx？source=generalSearch.

[22]Kolodner， J. L.， & Camp， P. J. （2003）. Problem-Based Learning Meets Case-Based Reasoning in the Middle-School Science Classroom： Putting Learning by DesignTminto Practice[J]. Journal of the Learning Sciences， 12（4）：495-547.

[23]Korkmaz， O.， Cakir， R.， & Ozden， M. Y. （2017）. A Validity and Reliability Study of the Computational Thinking Scales （CTS）[J]. Computers in Human Behavior， 72：558-569.

[24]Lee， I.， Grover， S.， & Martin， F. et al. （2020）. Computational Thinking from a Disciplinary Perspective： Integrating Computational Thinking in K-12 Science， Technology， Engineering， and Mathematics Education[J]. Journal of Science Education and Technology， 29（1）：1-8.

[25]Mahoney， M. P. （2010）. StudentsAttitudes Toward STEM：Development of an Instrument for High School STEM-Based Programs[J].JournalofTechnologyStudies，36（1）：24-34.

[26]National Academy of Engineering & National Research Council （2009）. Engineering in K-12 Education： Understanding the Status and Improving the Prospects[M]. Washington， DC： The National Academies Press：1-37.

[27]National Assessment Governing Board （2014）. Technology and Engineering Literacy Framework for the 2014 National Assessment of Educational Progress[EB/OL]. [2020-09-10]. https：//www.nagb.gov/naep-frameworks/technology-and-engineering-literacy/2014-technology-framework.html.

[28]National Research Council （2010）. Standards for K-12 Engineering Education[M]. Washington， DC： The National Academies Press：5-42.

[29]NationalResearchCouncil（2011）.Reportofa Workshop on the Pedagogical Aspects of Computational Thinking[M]. Washington， DC： The National Academies Press.

[30]National Research Council （2012）. A Framework for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]. Washington， DC： The National Academies Press.

[31]Shute， V. J.， Sun， C.， & Asbell-Clarke， J. （2017）. Demystifying Computational Thinking[J]. Educational Research Review， 22：142-158.

[32]S？rakaya， M.， Alsancak S？rakaya， D.， & Korkmaz，？.（2020）. The Impact of STEM Attitude and Thinking Style on Computational Thinking Determined via Structural Equation Modeling[J]. Journal of Science Education and Technology， 29： 561-572.

[33]Swaid， S. I. （2015）. Bringing Computational Thinking to STEM Education[J]. Procedia Manufacturing， 3：3657-3662.

[34]Unfried， A.， Faber， M.， & Stanhope， D. S. et al. （2015）. The Development and Validation of A Measure of Student Attitudes Toward Science， Technology， Engineering， and Math（S-STEM） [J]. Journal of Psychoeducational Assessment， 33（7）： 622-639.

[35]Wang， J.， Zhang， Y.， & Li， X. et al. （2019）. Research on the Current Situation and Development Trend of Computational Thinking in K-12 Education in China[C]// Kong， S. C.， Andone， D.， & Biswas， G. et al. （Eds.）. Proceedings of International Conference on Computational Thinking Education 2019. Hong Kong： The Education University of Hong Kong：233-237.

[36]Wing，J.M.（2006）.ComputationalThinking[J]. Communications of the ACM， 49（3）：33-35.

The Teaching Mode of STEM-Integrated Engineering Design and Its Application Oriented to the Cultivation of Computational Thinking

ZHOU Pinghong， NIU Yukun， WANG Kang， ZHANG Yi， LI Xing， SHANG Chaowang

Abstract： Computational thinking （CT） is a crucial competence in problem solving-based STEM education， and cultivating studentsCT skills has gradually become an important goal of STEM education. However， how to facilitate studentsCT skills in engineering design based STEM education remains to be further explored. The CT cultivation-oriented STEM-integrated engineering design teaching mode centers on the integration of CT， STEM subject content knowledge and teaching method， gives full play to the advantages of“system process”through engineering design， and integrates science， technology and mathematics related activities together. Through the“need to know”and“need to do”cycle， students are allowed to perceive the situational problems， and eventually solve the challenging tasks. The teaching application of this mode in STEM curriculum“Plant Factory”shows that integrating the concept and practice of CT into STEM-integrated engineering design can significantly improve studentsSTEM attitude and CT competence. In addition， STEM attitude has a predictive effect on CT skills. In the future， the development of CT through STEM education will become an interdisciplinary thinking practice， and evidence-based multiple evaluation will be conducive to the cultivation of CT in STEM education.

Keywords： STEM Education； Computational Thinking； Engineering Design； Teaching Mode； STEM Attitude