張屹 王玨 張莉 朱映暉 周琬琦 王宇悅

[摘? ?要] STEM課程具有跨學(xué)科特性和問題解決導(dǎo)向，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要載體。研究提出STEM課程基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（DBL）培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模型，在對(duì)跨學(xué)科內(nèi)容分析的基礎(chǔ)上，通過DBL教學(xué)，促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。以“會(huì)打招呼的機(jī)器人”為STEM課程案例，進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。研究采取單組前后測實(shí)驗(yàn)，通過一學(xué)期的長時(shí)跟蹤，同時(shí)輔以開放性問題、訪談探究STEM課程中DBL教學(xué)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響。研究表明，DBL教學(xué)對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)具有顯著的促進(jìn)作用，但在性別上的影響不顯著。對(duì)創(chuàng)造力、批判性思維、問題解決、協(xié)作學(xué)習(xí)分維度均具有顯著的促進(jìn)作用，但對(duì)邏輯思維分維度的影響不顯著?；谘芯拷Y(jié)果，提出STEM課程中DBL教學(xué)的優(yōu)化建議。

[關(guān)鍵詞] STEM; DBL; 小學(xué)生; 計(jì)算思維

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 張屹（1967—），女，湖北武漢人。教授，博士，主要從事智慧教育、計(jì)算思維教育、教育信息化測評(píng)與發(fā)展戰(zhàn)略、教育信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究。E-mail：zhangyi@mail.ccnu.edu.cn。王玨為通訊作者，E-mail：wangjue@zjhu.edu.cn。

一、引? ?言

近年來，國際上將培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維作為重要的研究與教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容。2018年，美國頒布的《ISTE教育者計(jì)算思維能力標(biāo)準(zhǔn)》，要求教育工作者應(yīng)作為設(shè)計(jì)師致力于創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)模式和環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)[1]。STEM教育是以現(xiàn)實(shí)問題解決為目標(biāo)導(dǎo)向的跨學(xué)科教育模式。基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)是STEM 教育中的創(chuàng)新性教學(xué)，幫助學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、探究、協(xié)作和創(chuàng)造，培養(yǎng)溝通和協(xié)作技能，拓展對(duì)計(jì)算科學(xué)的認(rèn)知，使學(xué)生意識(shí)到計(jì)算機(jī)作為創(chuàng)造性工具的效用[2]。因此，探究在STEM課程中基于設(shè)計(jì)的教學(xué)能否有效地促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的問題，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）STEM課程教學(xué)

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）學(xué)科融合的領(lǐng)域，廣義的STEM還包括人文、藝術(shù)等學(xué)科的融合。STEM課程的核心特征是跨學(xué)科性[3]，教師教學(xué)的重心放在特定問題上，以多學(xué)科融合來促進(jìn)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的提高。因此，涉及問題解決過程中多門課程的共享概念，美國科學(xué)教育將其稱為跨學(xué)科概念（Crosscutting Concepts），它提供了將學(xué)科核心概念聯(lián)系的方法和工具[4]，形成對(duì)跨學(xué)科的整體認(rèn)識(shí)，見表1。STEM跨學(xué)科概念是對(duì)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)共通性的高度凝練，將其引入STEM課程教育中，可以打破學(xué)科間的壁壘，實(shí)現(xiàn)課程的深度融合和創(chuàng)新教學(xué)。

（二）DBL教學(xué)

“基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)”（Design-based Learning，DBL或Learning-by-design，LBD）[2，5]是通過課程和項(xiàng)目學(xué)習(xí)使學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)，是以問題解決為目標(biāo)的學(xué)習(xí)模式。DBL為學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科基本知識(shí)和技能提供了工具和技術(shù)，并要求學(xué)生綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，通過協(xié)作完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)推斷、提升協(xié)作學(xué)習(xí)、問題解決、批判性思維等高階思維[6]，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[7]。

相關(guān)學(xué)者提出了DBL的教學(xué)模型，如尼爾森（Nelson）提出了逆向思維模式，從推理思維逆向開展教學(xué)，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)在實(shí)踐中的重要性，證明設(shè)計(jì)的合理性并經(jīng)過多次迭代改進(jìn)[8]?？肆_德納（Kolodner）提出基于設(shè)計(jì)的科學(xué)探究循環(huán)模型，由設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)和調(diào)查/探索兩個(gè)循環(huán)組成[9]。福特尤斯（Fortus）和德爾希曼（Dershimer）開發(fā)了“基于設(shè)計(jì)的科學(xué)學(xué)習(xí)循環(huán)模型”，以學(xué)生設(shè)計(jì)制品為活動(dòng)主線，關(guān)注學(xué)生的科學(xué)推理能力，強(qiáng)調(diào)通過物化制品及反饋使學(xué)生的推理過程具體化，讓學(xué)生掌握問題解決及設(shè)計(jì)技能[10]。在DBL教學(xué)中，研究者關(guān)注真實(shí)情境創(chuàng)設(shè)、問題導(dǎo)向、協(xié)作學(xué)習(xí)、迭代設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)反思等教學(xué)策略的設(shè)計(jì)[5]。通過設(shè)計(jì)真實(shí)、劣構(gòu)問題，提供動(dòng)態(tài)、不確定性和挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)進(jìn)程，對(duì)問題解決方案進(jìn)行評(píng)估與完善，創(chuàng)設(shè)真實(shí)作品[8]。

（三）計(jì)算思維的內(nèi)涵與評(píng)測方式

計(jì)算思維是用計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)現(xiàn)的一種解決問題的方法和思維過程，支持信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、科學(xué)和人文等所有學(xué)科的問題解決，力量和作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何一門學(xué)科[11]。在STEM課程中，學(xué)生學(xué)習(xí)如何基于現(xiàn)實(shí)世界的問題解決，系統(tǒng)掌握計(jì)算思維概念和實(shí)踐，有助于在跨學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)形成問題解決方案，發(fā)展學(xué)生協(xié)作、反思、創(chuàng)造等高階思維能力。Korkmaz，？覶akir和？魻zden基于文獻(xiàn)將創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作學(xué)習(xí)作為計(jì)算思維的核心技能[12]。

在評(píng)測學(xué)生的計(jì)算思維層面，比較常見的評(píng)測方法是使用量表/問卷。Korkmaz等人編制量表，通過數(shù)據(jù)分析與建模驗(yàn)證，形成評(píng)測計(jì)算思維的通用量表[12]。顧小清團(tuán)隊(duì)對(duì)該量表進(jìn)行了本土化應(yīng)用，基于中學(xué)生樣本進(jìn)行量表的構(gòu)建，驗(yàn)證了其具有良好的結(jié)構(gòu)效度和信度[13]。張屹研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行改編，在STEM課程中對(duì)學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)行評(píng)測[14]，因此，Korkmaz等人編制的量表對(duì)我們?cè)u(píng)價(jià)小學(xué)生的計(jì)算思維具有參考價(jià)值。同時(shí)，結(jié)合訪談等對(duì)量化數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。Brennan和Resnick提出評(píng)估計(jì)算思維的三維框架（計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀點(diǎn)），通過訪談了解學(xué)生的計(jì)算觀念[15]。

三、STEM課程DBL教學(xué)培養(yǎng)小學(xué)生

計(jì)算思維的教學(xué)模型

本研究深入分析跨學(xué)科STEM教學(xué)內(nèi)容，參考DBL相關(guān)教學(xué)模型，結(jié)合與實(shí)驗(yàn)學(xué)校合作開發(fā)STEM課程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在理解計(jì)算思維內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，構(gòu)建STEM課程DBL教學(xué)培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模型，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)到教師的教學(xué)，再到學(xué)生的學(xué)習(xí)，最后內(nèi)化為學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的邏輯順序逐次展開，具體如圖1所示。第一層是STEM教學(xué)內(nèi)容層，學(xué)科內(nèi)容體現(xiàn)跨學(xué)科性，通過跨學(xué)科概念體現(xiàn)解決問題的共享模式。第二、三層分別是DBL教學(xué)與學(xué)習(xí)層，建構(gòu)教學(xué)流程和策略，形成多輪迭代的學(xué)習(xí)循環(huán)。第四層是計(jì)算思維目標(biāo)層，最終達(dá)到培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的目標(biāo)。

（一）STEM教學(xué)內(nèi)容

STEM教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科知識(shí)的整合，既保留單一學(xué)科的特點(diǎn)，對(duì)STEM教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效分解，確保設(shè)計(jì)的問題和項(xiàng)目對(duì)學(xué)科基礎(chǔ)性知識(shí)結(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋，又對(duì)各學(xué)科進(jìn)行深度融合，將分學(xué)科的知識(shí)按問題或項(xiàng)目邏輯進(jìn)行跨學(xué)科重組，綜合應(yīng)用所有關(guān)聯(lián)的STEM學(xué)科知識(shí)，通過跨學(xué)科概念的橫向聯(lián)結(jié)，建立多學(xué)科問題解決的共享模型。從STEM學(xué)科核心內(nèi)容、跨學(xué)科核心概念對(duì)STEM教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化分析，建立教學(xué)目標(biāo)類目表。其中學(xué)科核心內(nèi)容從STEM主體課程出發(fā)（但不局限于此），用英文首字母輔以數(shù)字序號(hào)的方式，細(xì)化該學(xué)科涉及的具體知識(shí)點(diǎn)。如科學(xué)（S）用S1、S2等符號(hào)分解知識(shí)點(diǎn)?？鐚W(xué)科概念可加強(qiáng)學(xué)科之間的聯(lián)系，凝練核心概念（如圖示與模式等），建立其在問題解決過程中的具體表征。

（二）DBL教的流程

DBL教學(xué)中指導(dǎo)教師如何教和學(xué)生如何學(xué)，包含五個(gè)主要步驟：（1）確定主題、講授新知。教師從現(xiàn)實(shí)生活中確定主題，并找出與之對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵問題，問題的有效鑒定是設(shè)計(jì)問題解決方案的基礎(chǔ)。創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)，并向?qū)W生講授背景知識(shí)和新知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好知識(shí)準(zhǔn)備。（2）描述任務(wù)、評(píng)估分工。在此階段，教師需要詳細(xì)了解每個(gè)小組的人員構(gòu)成，對(duì)小組進(jìn)行目標(biāo)評(píng)估，基于評(píng)估結(jié)果對(duì)人員進(jìn)行調(diào)整。（3）建立標(biāo)準(zhǔn)、提供支架。教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提供教學(xué)支架，如通過圖形、圖紙等非語言的模型[7]，幫助小組在DBL的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供具體、可操作的學(xué)習(xí)支架。（4）監(jiān)督觀察、適時(shí)指導(dǎo)。教師對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行巡視和監(jiān)控，對(duì)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行指導(dǎo)，了解小組學(xué)生制作進(jìn)展，保證各組按照預(yù)定的時(shí)間完成設(shè)計(jì)作品。（5）評(píng)價(jià)成果、教學(xué)反思。教師組織小組進(jìn)行作品展示，全面了解學(xué)生作品的實(shí)現(xiàn)程度，并對(duì)下一輪的改進(jìn)提出教學(xué)建議，進(jìn)入迭代過程。

（三）DBL學(xué)的流程

DBL學(xué)習(xí)流程是指導(dǎo)學(xué)生如何開展學(xué)習(xí)，包含五個(gè)對(duì)應(yīng)的步驟：（1）理解挑戰(zhàn)，習(xí)得新知。（2）小組分工，明確任務(wù)。（3）頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)作品。頭腦風(fēng)暴是針對(duì)設(shè)計(jì)前的個(gè)體意見與集體意見的充分整合，進(jìn)一步厘清設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。根據(jù)教師給予的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)習(xí)支架，學(xué)生進(jìn)行圖紙（或模型）的設(shè)計(jì)。（4）原型制作，調(diào)試修改。原型制作是將設(shè)計(jì)想法具體化，它并不是最終的問題解決方案，通過原型制作，快速構(gòu)建作品。調(diào)試是對(duì)原型的優(yōu)化，重新定義、檢測、調(diào)整初始觀點(diǎn)或方案。（5）展示評(píng)價(jià)、迭代改進(jìn)。最后，學(xué)生通過作品展示，進(jìn)行解釋和交流，促使學(xué)生的學(xué)習(xí)反思與作品迭代設(shè)計(jì)。

（四）計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)

綜合Korkmaz等[12]的相關(guān)文獻(xiàn)，構(gòu)建包含創(chuàng)造力、邏輯思維、批判性思維、問題解決、協(xié)作學(xué)習(xí)的計(jì)算思維核心能力。創(chuàng)造力體現(xiàn)思維的靈活性、深刻性和縝密性;邏輯思維包含定義問題、分解與抽象問題、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模、建立算法步驟等邏輯化步驟。批判性思維包含學(xué)習(xí)者整合他人理解，對(duì)問題進(jìn)行理解、表達(dá)的能力，以及對(duì)學(xué)習(xí)的自信心等;問題解決包含對(duì)問題的分類，對(duì)解決方案的闡述和應(yīng)用，使用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法與分析方法等，體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)問題解決的一系列過程;協(xié)作學(xué)習(xí)能力包含小組學(xué)生之間進(jìn)行觀點(diǎn)、建議和經(jīng)驗(yàn)的交流能力，向同伴學(xué)習(xí)的能力與貢獻(xiàn)、評(píng)價(jià)觀點(diǎn)、意見的能力。建立計(jì)算思維的類目表，以英文字母加數(shù)字序號(hào)表示細(xì)化目標(biāo)，如創(chuàng)造力用C1、C2等符號(hào)表示。

四、“會(huì)打招呼的機(jī)器人”STEM課的

教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

本次課學(xué)習(xí)主題為“會(huì)打招呼的機(jī)器人”，主要實(shí)現(xiàn)利用舵機(jī)、超聲波和蜂鳴器搭建硬件，用程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)機(jī)器人看到人時(shí)播放提示音并招手，沒有人時(shí)靜止的功能。教學(xué)內(nèi)容是跨學(xué)科STEM課程，科學(xué)涉及理解舵機(jī)、蜂鳴器和超聲波的工作原理、功能等;信息技術(shù)涉及蜂鳴器、舵機(jī)、超聲波等硬件知識(shí)，上傳與固件調(diào)試，循環(huán)、條件判斷語句的編程應(yīng)用等;工程涉及設(shè)計(jì)圖的繪制、機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建、程序結(jié)構(gòu)的迭代優(yōu)化;數(shù)學(xué)涉及舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、等待時(shí)間的選擇，超聲波測距的計(jì)算;藝術(shù)涉及機(jī)器人的外觀形態(tài)、裝飾?？鐚W(xué)科概念涉及“具體與抽象”等的概念。

（二）學(xué)習(xí)者分析

教學(xué)對(duì)象是一到五年級(jí)的35名學(xué)生，其年齡跨度較大。和其他常規(guī)班學(xué)生相比，學(xué)習(xí)STEM課程的學(xué)生對(duì)機(jī)器人編程學(xué)習(xí)與實(shí)踐更感興趣，大部分已有一定的編程基礎(chǔ)和較強(qiáng)的動(dòng)手能力。

（三）教學(xué)目標(biāo)

“會(huì)打招呼的機(jī)器人”課程案例的教學(xué)目標(biāo)分為STEM學(xué)科核心知識(shí)、跨學(xué)科概念與計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)，具體見表2。

（四）教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

該課的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施如圖2所示，分為DBL學(xué)習(xí)流程、師生活動(dòng)、資源與工具和計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)，如圖2所示。

教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境任務(wù)：“新西蘭中小學(xué)校長們將于近期參觀學(xué)校，我們要用自己設(shè)計(jì)的Arduino機(jī)器人歡迎他們”，主題內(nèi)容來源于現(xiàn)實(shí)生活，能讓學(xué)生面對(duì)真實(shí)的任務(wù)解決問題，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性。教師

展示機(jī)器人，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度思考機(jī)器人功能，同時(shí)講授舵機(jī)、蜂鳴器和超聲波等硬件工作原理，幫助學(xué)生了解生活中舵機(jī)與超聲波的功能與作用等背景知識(shí)。在習(xí)得新知后，教師對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)作詳細(xì)的解釋和描述。教師展示流程圖，如圖3所示。本例中如果超聲波檢測到的人距離機(jī)器人的范圍在0～20厘米之間，則播放提示音，手臂轉(zhuǎn)動(dòng)重復(fù)執(zhí)行3次并最后回正;如果超聲波檢測范圍大于等于20厘米，則手臂回正。

學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行自由分組，初步分配任務(wù)。教師則根據(jù)學(xué)生的組隊(duì)與分工情況，進(jìn)行評(píng)估與調(diào)整。教師提供思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)學(xué)生“頭腦風(fēng)暴”。各小組通過畫思維導(dǎo)圖找出機(jī)器人存在的問題，如圖4所示：如有學(xué)生認(rèn)為機(jī)器人存在“聽不見、費(fèi)口舌、不可愛、不自動(dòng)”等問題，提出讓機(jī)器人“全自動(dòng)、可愛、可測距、有聲”等改進(jìn)要點(diǎn)。學(xué)生畫出作品設(shè)計(jì)圖，并提出問題解決的要點(diǎn)與實(shí)施方案，如小組認(rèn)為搭建分為“超聲波、舵機(jī)、蜂鳴器”，編程分為“設(shè)置變量、調(diào)試和順序”，對(duì)編程提出“要調(diào)試、模塊化”。

學(xué)生根據(jù)教師提供的Arduino 套盒材料，搭建機(jī)器人，體驗(yàn)真實(shí)的設(shè)計(jì)感，完成機(jī)器人主控板、主體、手臂、電池托盤和底板等的搭建，最后形成整體搭建，如圖5所示。

教師在編程部分引導(dǎo)學(xué)生分步驟、分模塊進(jìn)行程序調(diào)試與編制。調(diào)試部分涉及連接到電腦、進(jìn)入調(diào)試模式、超聲波測試、舵機(jī)測試、程序編寫與調(diào)試、程序上傳、離線運(yùn)行等。其中超聲波模塊是利用發(fā)出和收到超聲波的時(shí)間間隔進(jìn)行測距，學(xué)生通過機(jī)器人判斷距離，理解條件判斷語句和循環(huán)語句的應(yīng)用。超聲波的測試代碼如圖6所示，實(shí)現(xiàn)的功能有對(duì)手臂（舵機(jī)）的初始化、來回?cái)[動(dòng)和回正的效果。調(diào)試好各個(gè)主要模塊以后，進(jìn)入正式的編程，通過模塊化編制程序并進(jìn)行調(diào)試。

學(xué)生以小組為單位展示設(shè)計(jì)作品，反思存在的問題。通過教育云平臺(tái)對(duì)小組進(jìn)行投票，選出設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的小組作品。同時(shí)，教師對(duì)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中表現(xiàn)出的優(yōu)秀品質(zhì)，如在編程中有自己的想法、思維清晰、敢于創(chuàng)新等進(jìn)行及時(shí)反饋與表揚(yáng)。針對(duì)真實(shí)任務(wù)，通過課外拓展讓學(xué)生迭代設(shè)計(jì)：如進(jìn)一步簡化程序、讓音樂更豐富、增加按鈕控制機(jī)器人的啟動(dòng)或動(dòng)作、用英語匯報(bào)展示等。學(xué)生在后續(xù)的迭代優(yōu)化中，在教師、家長的支持與指導(dǎo)下，不斷優(yōu)化作品設(shè)計(jì)。在新西蘭代表團(tuán)觀摩學(xué)生展示課時(shí)，學(xué)生很投入地思考、設(shè)計(jì)、建構(gòu)和編程，協(xié)作完成任務(wù)。學(xué)生能積極大方地、用流利的英語與代表團(tuán)進(jìn)行交流，得到了代表團(tuán)的高度贊許。

五、實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

（一）問卷設(shè)計(jì)

研究基于Korkmaz等人的計(jì)算思維量表[12]和Miller等人的創(chuàng)造力量表[16]改編問卷，共分5個(gè)維度。其中，創(chuàng)造力、邏輯思維、批判性思維3個(gè)維度分別包含5個(gè)題項(xiàng)，問題解決維度包含6個(gè)題項(xiàng)，協(xié)作學(xué)習(xí)維度包含8個(gè)題項(xiàng)，共29個(gè)題項(xiàng)。每個(gè)題項(xiàng)采用李克特五點(diǎn)（從非常不同意到非常同意）計(jì)分。由于STEM課程班學(xué)生人數(shù)少，隨機(jī)在兩個(gè)編程教學(xué)班中進(jìn)行問卷預(yù)測試，有效作答85份，得到問卷總體維度的Cronbach系數(shù)為0.952，創(chuàng)造力維度為0.877，邏輯思維維度為0.880，批判思維維度為0.829，問題解決維度為0.838，協(xié)作學(xué)習(xí)維度為0.872，問卷具有良好的信度。

（二）研究過程與數(shù)據(jù)分析

在學(xué)期開始與結(jié)束時(shí)，組織學(xué)生進(jìn)行前后測，采用網(wǎng)絡(luò)問卷的方式進(jìn)行問卷的發(fā)放與回收，研究時(shí)間為一學(xué)期。參與課程學(xué)習(xí)前后測試且配對(duì)成功的學(xué)生共19人，其中男生11人，女生8人。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非參Wilcoxon檢驗(yàn)，對(duì)問卷前后測整體維度和各維度的均值進(jìn)行了比較，如圖7所示，學(xué)生在計(jì)算思維整體維度，創(chuàng)造力、邏輯思維、批判思維、問題解決、協(xié)作學(xué)習(xí)五個(gè)分維度，后測均值均比前測有較大的提升。

圖7? ?計(jì)算思維整體及分維度前后測均值比較

計(jì)算思維整體維度（p=0.004<0.01），表明學(xué)生經(jīng)過一個(gè)學(xué)期STEM課程的DBL學(xué)習(xí)，計(jì)算思維得到顯著提升。其中在創(chuàng)造力（p=0.010）、批判性思維（p=0.040<0.05）、問題解決（p=0.005<0.01）、協(xié)作學(xué)習(xí)（p=0.010）維度上均得到顯著提升，在邏輯思維（p=0.074>0.05）維度上未產(chǎn)生顯著影響。為進(jìn)一步驗(yàn)證學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r，在后測問卷中設(shè)置了開放性題目。在創(chuàng)造力方面，學(xué)生在編程時(shí)“按照自己的想法來，不參考老師思路”（43.75%），“參考老師的思路，但會(huì)與自己思路結(jié)合”（50% ），“完全參照老師的思路”（6.25%）。在設(shè)計(jì)能力上，擅長編程（50%），擅長搭建（18.75%），編程和搭建（6.25%），畫設(shè)計(jì)圖（6.25%），表達(dá)清晰的思維過程（6.25%），調(diào)試、改進(jìn)錯(cuò)誤（6.25%），制作作品（6.25%）。在學(xué)習(xí)結(jié)果的產(chǎn)出中，學(xué)會(huì)編程（50%）;畫設(shè)計(jì)圖/思維導(dǎo)圖（31.25%）;制作作品（12.50%）、新知識(shí)（5.56%）、與人協(xié)作（5.56%）、創(chuàng)新（12.5%）、提升學(xué)習(xí)興趣（5.56%）和提升思維（12.5%）。

對(duì)不同性別學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展作MannWhitney檢驗(yàn)，其中男生（M前測=4.01），女生（M前測=4.06），p=0.840>0.05;男生（M后測=4.51），女生（M后測=4.30），p=0.351>0.05，說明學(xué)習(xí)前后不同性別學(xué)生在計(jì)算思維上均沒有顯著差異。其中，男生計(jì)算思維的前測均值低于女生，但經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)后，后測均值要比女生高，說明男生在STEM課程學(xué)習(xí)之后的計(jì)算思維發(fā)展整體高于女生。

（三）討論與分析

1. STEM課程DBL教學(xué)能顯著提升小學(xué)生的計(jì)算思維和問題解決能力

DBL是一項(xiàng)高度綜合的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)習(xí)者針對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的問題或挑戰(zhàn)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，它為學(xué)生與真實(shí)世界提供了連接的途徑，信息技術(shù)則為學(xué)生搭建模塊化、智能化的平臺(tái)，將創(chuàng)意通過實(shí)踐加以快速實(shí)現(xiàn)[17]，有助于提高計(jì)算思維和問題解決能力。DBL為學(xué)生提供了科學(xué)且有效的學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生更加接近現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)個(gè)性，為學(xué)習(xí)和解決問題提供了充足的動(dòng)力，通過激發(fā)學(xué)生的抽象思維來提高學(xué)生的計(jì)算思維[2]。本實(shí)驗(yàn)學(xué)生計(jì)算思維（M前測=4.03，M后測=4.42，p=0.004<0.01），問題解決（M前測=4.00，M后測=4.42，p=0.005<0.01）。學(xué)生ZJC（男）：“我覺得這次收獲特別大，因?yàn)槲抑皼]有上過編程課，從這里我可以學(xué)到很多的東西”，該生第一次參加社團(tuán)，就入選參加2019年武漢市中小學(xué)機(jī)器人、無人機(jī)展示等活動(dòng)，獲得優(yōu)異成績。

2. DBL教學(xué)能顯著提升小學(xué)生的創(chuàng)造力

創(chuàng)造力（M前測=4.15，M后測=4.56，p=0.010），DBL教學(xué)鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，能顯著提高小學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與能力。一學(xué)期參加社團(tuán)的35名學(xué)生，一共有24名學(xué)生在省市級(jí)機(jī)器人創(chuàng)新比賽中獲得優(yōu)異成績。HZY（男）為二年級(jí)學(xué)生，在省級(jí)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)中榮獲數(shù)字創(chuàng)作一等獎(jiǎng)，并參加國際MakeX全球賽，他認(rèn)為“學(xué)習(xí)到了很多編程知識(shí)和很多創(chuàng)造性知識(shí)”。GHR（男）認(rèn)為學(xué)習(xí)需要靈活性，“你不要只從一個(gè)角度看問題，要換一個(gè)角度，直到換到對(duì)的角度為止?！?/p>

3. STEM課程DBL教學(xué)能顯著提升小學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)能力和批判性思維

協(xié)作學(xué)習(xí)（M前測=3.90，M后測=4.39，p=0.010），批判性思維（M前測=4.18，M后測=4.46，p=0.040<0.05），學(xué)生在學(xué)習(xí)中承擔(dān)的是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，設(shè)計(jì)活動(dòng)的協(xié)作性為學(xué)生的共同參與學(xué)習(xí)提供了機(jī)會(huì)，這就需要小組成員之間具備良好的溝通與協(xié)作能力，學(xué)會(huì)集體解決問題的技巧與方法，發(fā)展批判性思維。學(xué)生HYT（男）：“在這里認(rèn)識(shí)了新朋友?！睂W(xué)生CYX（女）：“在這里學(xué)習(xí)，我知道了需要和別人團(tuán)結(jié)?！盌BL的協(xié)作學(xué)習(xí)過程幫助學(xué)習(xí)者建立自信，提升自我效能感[2]。學(xué)生DMY（男）：“我覺得編程就是一種新的思路，可以用模塊組織自己的想法。我覺得很開心，因?yàn)槲矣辛肆硪环N體現(xiàn)思維的方法?！?/p>

4. STEM課程DBL教學(xué)對(duì)小學(xué)生的邏輯思維具有一定的提升作用

邏輯思維（M前測=3.93，M后測=4.27，p=0.074>0.05），DBL對(duì)小學(xué)生邏輯思維具有一定的提升作用，但未產(chǎn)生顯著影響。學(xué)生在學(xué)習(xí)中運(yùn)用數(shù)學(xué)、編程等知識(shí)進(jìn)行計(jì)算與分步驟、分模塊的編程設(shè)計(jì)，不僅幫助學(xué)生系統(tǒng)掌握編程知識(shí)與技能，同時(shí)也不斷提升邏輯思維。學(xué)生SJF（女）：“我從社團(tuán)學(xué)習(xí)到了很多的編程知識(shí)，我的數(shù)學(xué)思維變好了。”學(xué)生WAQ（女）：“通過比賽學(xué)習(xí)到了很多，提升了自己的思維?！?/p>

六、STEM課程中DBL教學(xué)培養(yǎng)小學(xué)生

計(jì)算思維的教學(xué)啟示

（一）進(jìn)行合理的小組組隊(duì)與分工，促進(jìn)STEM課程DBL教學(xué)的順利開展

組隊(duì)與分工是DBL教學(xué)能否達(dá)成預(yù)期目標(biāo)的重要保障。在該案例中，一是考慮組隊(duì)的合理性，每組保證有1名具有2～3年編程基礎(chǔ)的學(xué)生主導(dǎo)編程。學(xué)生能根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和思路快速適應(yīng)新的編程任務(wù)。二是人員分工的合理性，教師對(duì)每個(gè)小組進(jìn)行深入交流，幫助學(xué)生反思自己的優(yōu)勢與不足，促使小組合理分配任務(wù)和緊密協(xié)作。由于有了良好的小組分工，DBL教學(xué)便能高效地開展，并達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。Koehler 和Mishra通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以小組的形式共同完成一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，將在很大程度上增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生所掌握的知識(shí)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了課程知識(shí)范圍[18]。

（二）注重內(nèi)容難度的升級(jí)并提供具體明確的教學(xué)支架，促進(jìn)STEM課程DBL教學(xué)的深入實(shí)施

跨學(xué)科的STEM課程涵蓋多學(xué)科方面的知識(shí)，教師可創(chuàng)設(shè)不同難度的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)。本案例針對(duì)真實(shí)任務(wù)，教師對(duì)作品功能及其展示逐步增加設(shè)計(jì)難度。Jun、Han和Kim開展的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所選取的內(nèi)容難度由易到難，逐步進(jìn)階，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)生的計(jì)算思維能力有了一定的提升[2]。謝作如主持“睡眠監(jiān)測儀”創(chuàng)客項(xiàng)目，經(jīng)過三輪的雙循環(huán)迭代，對(duì)睡眠檢測儀設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷改進(jìn)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)算法的深入理解[19]。

在DBL教學(xué)中，教學(xué)支架的引導(dǎo)和幫助成了破解教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的關(guān)鍵所在。本輪教學(xué)中，教師向小組學(xué)生提供了思維導(dǎo)圖開展頭腦風(fēng)暴，形成小組明確的設(shè)計(jì)思路和問題解決方案。在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，制定清晰明確的評(píng)價(jià)量規(guī)，供學(xué)生進(jìn)行組間互評(píng)。Mehalik認(rèn)為，在DBL中為學(xué)生提供明確的教學(xué)支架可以鼓勵(lì)學(xué)生審查、反思并改進(jìn)他們?cè)谠缙陔A段得出的成果[20]。Hmelo-Silver認(rèn)為，支架策略在復(fù)雜任務(wù)中可以幫助學(xué)生減輕認(rèn)知負(fù)荷[21]。

（三）進(jìn)行設(shè)計(jì)過程的學(xué)習(xí)反思，促進(jìn)STEM課程DBL教學(xué)的不斷優(yōu)化

反思是對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行全面而深入的思考和總結(jié)，包括設(shè)計(jì)得失、問題解決、學(xué)習(xí)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等方面，使學(xué)習(xí)狀態(tài)更佳。在小組展示交流時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如我在這個(gè)設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)中學(xué)到了什么？我們的方案是不是最優(yōu)的？還有沒有改進(jìn)的空間？如果有，如何修改？在本案例中，學(xué)生根據(jù)自身優(yōu)勢與不足對(duì)小組分工進(jìn)行任務(wù)審視;在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作過程中，對(duì)問題與錯(cuò)誤進(jìn)行解決與調(diào)試;在展示分享過程中，對(duì)小組互評(píng)進(jìn)行反思。如在投票階段，一個(gè)小組內(nèi)部因“為什么投其他小組而不投自己組？”產(chǎn)生爭執(zhí)，小組成員反思“因?yàn)槲覀冃〗M確實(shí)沒有其他小組做得好”，最后進(jìn)行了客觀公正的投票。Mouza等人在研究過程中認(rèn)為，通過自我反思幫助學(xué)生梳理他們的經(jīng)歷，整理遇到的困難，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化[22]。

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