周平紅 牛鈺琨 王康 張屹 李幸 上超望

摘要：計(jì)算思維是STEM問(wèn)題解決中的一項(xiàng)關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)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(jì)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，還有待深入探索。面向計(jì)算思維培養(yǎng)的STEM工程設(shè)計(jì)教學(xué)模式以計(jì)算思維、STEM學(xué)科內(nèi)容知識(shí)以及教學(xué)法的整合為核心，通過(guò)工程設(shè)計(jì)發(fā)揮“系統(tǒng)流程”優(yōu)勢(shì)，將科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)相關(guān)活動(dòng)整合在一起，讓學(xué)生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過(guò)程中感知情境性問(wèn)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(jì)算思維的概念與實(shí)踐融入STEM工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，能顯著提升學(xué)生的STEM態(tài)度和計(jì)算思維能力，并且STEM態(tài)度對(duì)計(jì)算思維具有預(yù)測(cè)作用。未來(lái)，通過(guò)STEM教育發(fā)展計(jì)算思維將成為一種跨學(xué)科的思維實(shí)踐，基于證據(jù)的多元評(píng)價(jià)方式將有利于STEM教育中計(jì)算思維的培養(yǎng)。

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

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-5195（2022）01-0104-09 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2022.01.012

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

作者簡(jiǎn)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(jí)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(lái)，隨著人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算等技術(shù)在眾多行業(yè)中展現(xiàn)出變革性力量，計(jì)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(jì)算思維（Computational Thinking，CT）是一種思維方式，是利用計(jì)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(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的思維過(guò)程（陳鵬等，2018）。計(jì)算思維是STEM問(wèn)題解決中的一項(xiàng)關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)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(guó)、美國(guó)、澳大利亞和芬蘭等國(guó)家已頒布相關(guān)政策并增加財(cái)政支出，將計(jì)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(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)以及STEM教育的研究，但如何將計(jì)算思維培養(yǎng)整合到STEM教育的具體學(xué)科，仍需要更多實(shí)證研究的指導(dǎo)。工程是STEM教育集成的紐帶，工程設(shè)計(jì)是人們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和方法，有目的地決策、設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)價(jià)，最終產(chǎn)出工程產(chǎn)品的過(guò)程。計(jì)算思維和工程設(shè)計(jì)具有相似性和協(xié)同效應(yīng)（National Research Council，2010；2011；Shute et al.，2017）。計(jì)算思維如何嵌入STEM工程設(shè)計(jì)活動(dòng)？有哪些方法可以培養(yǎng)學(xué)生在工程設(shè)計(jì)活動(dòng)中的計(jì)算思維？學(xué)生STEM態(tài)度與計(jì)算思維之間的關(guān)系如何？這些問(wèn)題都有待研究進(jìn)行深入探討。

一、相關(guān)研究綜述

1.計(jì)算思維相關(guān)研究

計(jì)算思維源于計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科，由周以真（Wing，2006）于2006年首次提出，是指利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來(lái)解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為等的思維和能力。計(jì)算思維不僅對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)具有很高的價(jià)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(jì)算思維的研究大致可分為計(jì)算思維測(cè)評(píng)和計(jì)算思維培養(yǎng)兩方面。計(jì)算思維測(cè)評(píng)研究重點(diǎn)關(guān)注計(jì)算思維的表征以及計(jì)算思維測(cè)評(píng)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(jìn)行了計(jì)算思維量表的構(gòu)建，為測(cè)量我國(guó)K12階段學(xué)生的計(jì)算思維水平提供了有效的工具。柯?tīng)柨爽斊潱↘orkmaz et al.，2007）從計(jì)算思維定義的視角出發(fā)，將計(jì)算思維測(cè)評(píng)的核心技能分為創(chuàng)造力、批判性思維、算法思維、問(wèn)題解決、合作學(xué)習(xí)5個(gè)維度。布倫南等（Brennan et al.，2012）提出了計(jì)算思維的三個(gè)關(guān)鍵維度——計(jì)算概念（即與計(jì)算思維相關(guān)的內(nèi)容知識(shí)，包括順序、循環(huán)、事件、條件、并行性、運(yùn)算、數(shù)據(jù)）、計(jì)算實(shí)踐（即增量與迭代、測(cè)試與調(diào)試、重用和混合、抽象與模塊化）和計(jì)算觀點(diǎn)（即興趣、動(dòng)機(jī)及態(tài)度等）。

計(jì)算思維培養(yǎng)研究重視計(jì)算思維課程體系的設(shè)計(jì)、開(kāi)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(jì)算思維與程序課程中抽象和自動(dòng)化的區(qū)別，開(kāi)發(fā)了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)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(wèn)題，基于設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)模式開(kāi)發(fā)了一系列培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)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(jì)算思維能力為目標(biāo)的基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)模式?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)有計(jì)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(jī)器人）來(lái)培養(yǎng)計(jì)算思維。然而當(dāng)前有關(guān)計(jì)算思維的定義和范圍尚未達(dá)成共識(shí)，如何培養(yǎng)和評(píng)價(jià)計(jì)算思維也尚不清楚，計(jì)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(jì)算思維能力培養(yǎng)

STEM教育是一種通過(guò)整合不同學(xué)科來(lái)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的跨學(xué)科方法（Breiner et al.，2012）。這種方法通過(guò)建立科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間的關(guān)系，引導(dǎo)個(gè)體解決與日常生活相關(guān)的問(wèn)題，使個(gè)體能夠?qū)ψ匀滑F(xiàn)象進(jìn)行整合、分析、解釋和評(píng)價(jià)。STEM教育有助于培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)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(jì)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(jì)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?yàn)橐话憬處煵皇煜び?jì)算思維，不具備教授計(jì)算思維的知識(shí)和技能（Aydeniz，2018）。

同時(shí)，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(guó)際化進(jìn)程的推進(jìn)，越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)識(shí)到工程與技術(shù)教育對(duì)于提高工業(yè)實(shí)力與綜合國(guó)力的重要性（National Academy of Engineering & National Research Council，2009）。2000年，美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育者協(xié)會(huì)（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(shí)踐（ITEEA，2000）；2011年，該協(xié)會(huì)又發(fā)布《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念和核心概念》（National Research Council，2012），強(qiáng)調(diào)要將工程設(shè)計(jì)和科學(xué)探究活動(dòng)相結(jié)合。2014年，美國(guó)國(guó)家評(píng)估委員會(huì)（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(duì)美國(guó)小學(xué)生《Science Fusion》教材進(jìn)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(dòng)設(shè)計(jì)?？梢?jiàn)，工程與技術(shù)教育在課程、教學(xué)和評(píng)價(jià)等實(shí)踐層面上都越來(lái)越受到重視。

3.STEM態(tài)度與計(jì)算思維

STEM能力的關(guān)鍵要素包括STEM知識(shí)、STEM技能和STEM態(tài)度三個(gè)方面（Hu et al.，2018；Benek et al.，2019）。STEM態(tài)度可以定義為一個(gè)人對(duì)STEM的思考、感受和看法（S？rakaya et al.，2020）。學(xué)者們開(kāi)發(fā)了不同維度的工具和量表用以測(cè)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(gè)維度開(kāi)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(jià)值（Expectancy-Value Beliefs）的綜合，并利用問(wèn)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(jì)課程中學(xué)生的STEM態(tài)度以及其與計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)系，尚缺乏相關(guān)探討。

二、整合計(jì)算思維的STEM工程設(shè)計(jì)教學(xué)模式

本研究借鑒美國(guó)國(guó)家工程院提出的工程設(shè)計(jì)流程，將工程設(shè)計(jì)總結(jié)為界定問(wèn)題、提出解決方案、構(gòu)建和測(cè)試模型、優(yōu)化方案和評(píng)價(jià)5個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，借鑒克羅多納（Kolodner et al.，2003）基于設(shè)計(jì)的雙循環(huán)探究模型，建構(gòu)整合計(jì)算思維的STEM工程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，如圖1所示。

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

計(jì)算思維的培養(yǎng)整合在STEM工程設(shè)計(jì)開(kāi)展的各個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)。第一，界定問(wèn)題。該環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)STEM問(wèn)題進(jìn)行理解感知，包括考慮情境、明確目標(biāo)，識(shí)別限制條件和考慮可行性。如圖1所示，這是一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程。第二，提出解決方案。該環(huán)節(jié)為學(xué)生提供自我知識(shí)建構(gòu)的機(jī)會(huì)，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(wèn)題都沒(méi)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(shí)開(kāi)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(jìn)者，提供教學(xué)支架，鼓勵(lì)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(guò)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(lái)。學(xué)生是探究學(xué)習(xí)的主體，基于對(duì)項(xiàng)目情境和內(nèi)容的理解，通過(guò)小組分工協(xié)作制定可行的設(shè)計(jì)方案，以此進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，進(jìn)而培養(yǎng)問(wèn)題解決能力。第三，構(gòu)建和測(cè)試模型。該環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，包括設(shè)計(jì)草圖、解釋設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)可能的結(jié)果和轉(zhuǎn)換成模型。學(xué)生從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中建構(gòu)知識(shí)和意義，并通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)更深入地理解核心概念。因此應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)試錯(cuò)，在實(shí)踐中自然而然地發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。第四，優(yōu)化方案。學(xué)生通過(guò)構(gòu)建和測(cè)試模型再次審視設(shè)計(jì)方案，迭代優(yōu)化方案和完善模型。學(xué)生的設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)過(guò)程是相互融合的，當(dāng)原型制作過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，學(xué)生需要權(quán)衡和優(yōu)化，直至模型可以解決問(wèn)題。第五，評(píng)價(jià)。包括審視方案、模型和分享交流。根據(jù)評(píng)價(jià)和反饋，教師反思課堂活動(dòng)的設(shè)計(jì)，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(jì)與實(shí)施

1.學(xué)習(xí)者分析

“植物工廠”是一門基于設(shè)計(jì)的、注重綜合性和實(shí)踐性的STEM課程，授課對(duì)象是武漢市某小學(xué)六年級(jí)學(xué)生，具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，具備了必要的科學(xué)知識(shí)，積累了一定的生活經(jīng)驗(yàn)；有小組協(xié)作學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，能夠相互幫助，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“植物工廠”的設(shè)計(jì)和迭代完善，在多媒體網(wǎng)絡(luò)教室習(xí)得軟硬件知識(shí)，基于Mind+編程軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)和設(shè)備調(diào)試?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行探究。

3.教學(xué)目標(biāo)分析

“植物工廠”課程通過(guò)抽象分解植物生長(zhǎng)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(yùn)行；設(shè)計(jì)植物工廠方案圖，測(cè)試與實(shí)現(xiàn)植物工廠的功能。其學(xué)科核心知識(shí)、跨學(xué)科知識(shí)與計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。該課程共10課時(shí)，持續(xù)5周，每周兩個(gè)課時(shí)，每課時(shí)約1小時(shí)。該課程是一個(gè)設(shè)計(jì)與制作型主題課程，以工程設(shè)計(jì)為主線展開(kāi)，目的在于讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)化運(yùn)行、無(wú)人管理的植物工廠的設(shè)計(jì)與制作。

4.教學(xué)實(shí)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(gè)主題組，分別針對(duì)植物工廠進(jìn)行框架設(shè)計(jì)和溫度、光照、濕度的自動(dòng)化控制探究。為了給學(xué)生創(chuàng)造迭代設(shè)計(jì)的體驗(yàn)，促進(jìn)小組內(nèi)成員間的協(xié)作，研究加入良性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，將各主題組進(jìn)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(jì)的5個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展教學(xué)（見(jiàn)圖2）。

（1）界定問(wèn)題——確定植物工廠自動(dòng)化的工程情境，初步將問(wèn)題抽象與模塊化

界定問(wèn)題是整個(gè)活動(dòng)的開(kāi)端，主要是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)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(wèn)題并考慮問(wèn)題的可行性，激發(fā)探究興趣。在此過(guò)程中學(xué)生需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象與模塊化。

抽象與模塊化主要是對(duì)植物工廠構(gòu)建問(wèn)題進(jìn)行抽象分解，確定實(shí)現(xiàn)植物工廠自動(dòng)化的要素。植物工廠的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。教師要設(shè)定植物工廠的情境，通過(guò)設(shè)置問(wèn)題支架，幫助學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)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(dòng)化運(yùn)行的條件抽象為光照、濕度和溫度三個(gè)要素。

（2）提出解決方案——習(xí)得軟硬件知識(shí)，繪制工程設(shè)計(jì)圖，將問(wèn)題進(jìn)行增量與迭代

在工程設(shè)計(jì)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(guò)程中，學(xué)生需綜合運(yùn)用抽象與模塊化、增量與迭代等計(jì)算思維。抽象即產(chǎn)生自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的想法，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物工廠溫度、濕度和光照的報(bào)警燈模型，產(chǎn)生工程設(shè)計(jì)圖紙，并進(jìn)行兩輪迭代完善。在概念表征過(guò)程中，學(xué)生還需參與模式識(shí)別，并在自己的模型中創(chuàng)造不同的模式。與界定問(wèn)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(wèn)題具體化，對(duì)探究過(guò)程中產(chǎn)生的多種構(gòu)思進(jìn)行篩選和優(yōu)化。例如，針對(duì)固定加熱器的材料問(wèn)題，溫度組展開(kāi)探討。學(xué)生1：“用陶瓷?！睂W(xué)生2：“溫度過(guò)高，陶瓷會(huì)裂開(kāi)?！睂W(xué)生3：“用鐵。”學(xué)生2：“鐵導(dǎo)熱快，鐵的溫度過(guò)高會(huì)損壞加熱器?！?/p>

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

對(duì)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，各組分別進(jìn)行植物工廠的原型實(shí)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(shí)現(xiàn)功能。在該過(guò)程，學(xué)生主要會(huì)用到測(cè)試與調(diào)試、重用和混合等計(jì)算思維。在構(gòu)建和測(cè)試模型時(shí)，學(xué)生需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)踐及評(píng)估，通過(guò)測(cè)試與調(diào)試識(shí)別出先前導(dǎo)致特定目標(biāo)出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因。當(dāng)學(xué)生無(wú)法找出問(wèn)題時(shí)，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(jì)算機(jī)，利用可視化編程軟件實(shí)現(xiàn)光照、溫度和濕度的檢測(cè)，解決問(wèn)題。學(xué)生在此過(guò)程中會(huì)體驗(yàn)順序、循環(huán)、事件、條件、并行性、運(yùn)算和數(shù)據(jù)等計(jì)算思維概念，如表2所示。

（4）優(yōu)化方案——觀察檢測(cè)數(shù)據(jù)，迭代測(cè)試功能，提供試錯(cuò)與反思的機(jī)會(huì)

在優(yōu)化方案時(shí)，學(xué)生參與了測(cè)試與調(diào)試、增量與迭代的計(jì)算思維實(shí)踐。當(dāng)學(xué)生評(píng)估設(shè)計(jì)時(shí)，測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)和分析，若檢測(cè)數(shù)據(jù)存在問(wèn)題，則需進(jìn)一步思考分析原因。該階段強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)綜合運(yùn)用環(huán)境中的各種資源完成自我建構(gòu)。

（5）評(píng)價(jià)——分享反思模型，進(jìn)一步測(cè)試和調(diào)試完成植物工廠裝置

開(kāi)展成果展示分享活動(dòng)，促進(jìn)全班同學(xué)一起反思。教師通過(guò)點(diǎn)評(píng)學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生參與了測(cè)試與調(diào)試的計(jì)算思維實(shí)踐。最終設(shè)計(jì)完成的植物工廠裝置如圖3所示。

四、教學(xué)效果測(cè)評(píng)

1.數(shù)據(jù)收集

研究采用問(wèn)卷調(diào)查法和訪談法，從學(xué)生的STEM態(tài)度變化和計(jì)算思維能力發(fā)展兩個(gè)方面驗(yàn)證教學(xué)的有效性。STEM態(tài)度問(wèn)卷改編自馬奧尼的STEM態(tài)度量表（Mahoney，2010），包括意識(shí)、價(jià)值、能力感知和傾向4個(gè)子維度，每個(gè)維度各7道題目，共28道題目。計(jì)算思維測(cè)量問(wèn)卷改編自柯?tīng)柨爽斊澋热碎_(kāi)發(fā)的計(jì)算思維量表（Korkmaz et al.，2017），共21道題目。問(wèn)卷均采用李克特五級(jí)量表形式，利用SPSS計(jì)算出STEM態(tài)度測(cè)量問(wèn)卷、計(jì)算思維測(cè)量問(wèn)卷的信度（克隆巴赫α系數(shù)）分別為0.930、0.914，表明問(wèn)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(cè)配對(duì)樣本T檢驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)STEM工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)后，學(xué)生的STEM態(tài)度有所提升（M前測(cè)= 4.34，M后測(cè)=4.84，t=-6.49，p=0.000<0.05），在 STEM課程的意識(shí)、價(jià)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(guò)課程學(xué)習(xí)提高了學(xué)生解決工程問(wèn)題的信心和決心?？梢?jiàn)，STEM工程設(shè)計(jì)具有問(wèn)題解決導(dǎo)向，可以在課堂中調(diào)動(dòng)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(jì)算思維

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

（3）學(xué)生STEM態(tài)度對(duì)計(jì)算思維的影響

依據(jù)學(xué)生前測(cè)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(duì)高態(tài)度組、中態(tài)度組和低態(tài)度組學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行分析，如表5所示。

從整體來(lái)看，三組學(xué)生具有不同水平的計(jì)算思維，且STEM態(tài)度越好的學(xué)生具有更高水平的計(jì)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(jì)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(duì)STEM學(xué)習(xí)更自信、更感興趣的學(xué)生，更容易找到問(wèn)題的解決方式，產(chǎn)生更多的想法，認(rèn)知負(fù)荷更??；而對(duì)于STEM學(xué)習(xí)不太感興趣的學(xué)生遇到問(wèn)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(jì)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(jì)算思維為因變量、STEM態(tài)度為自變量進(jìn)行線性回歸分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)STEM態(tài)度對(duì)計(jì)算思維產(chǎn)生顯著影響（p=0.000<0.05）。從方差解釋比例來(lái)看，STEM態(tài)度解釋了計(jì)算思維方差變化的42.2%，表明STEM態(tài)度對(duì)計(jì)算思維能力有預(yù)測(cè)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(jì)教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，以及學(xué)生STEM態(tài)度與計(jì)算思維的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：

第一，STEM工程設(shè)計(jì)活動(dòng)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(jìn)行了跨學(xué)科整合。STEM工程設(shè)計(jì)教學(xué)模式讓學(xué)生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過(guò)程中解決挑戰(zhàn)性任務(wù)，學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究流程、技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)和數(shù)學(xué)邏輯思維訓(xùn)練，通過(guò)自動(dòng)化培育植物工廠設(shè)計(jì)活動(dòng)，建立了各學(xué)科間的有效關(guān)聯(lián)，從而確保了STEM活動(dòng)的順利完成。此次STEM工程設(shè)計(jì)課程既有設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)，又涉及到編程操作，通過(guò)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(guò)程中科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)的運(yùn)用的觀點(diǎn)是一致的（楊開(kāi)城等，2020）。同時(shí)，課程促進(jìn)了學(xué)生STEM學(xué)習(xí)興趣以及對(duì)未來(lái)從事數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)、工程設(shè)計(jì)相關(guān)工作信心的增長(zhǎng)。由此可知，學(xué)校STEM教育實(shí)踐的重點(diǎn)應(yīng)是在提出概念框架的基礎(chǔ)上，審視和設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)過(guò)程、活動(dòng)的順序和組合，處理好活動(dòng)之間的多層關(guān)系，根據(jù)主題的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試的過(guò)程。

第二，STEM教育和計(jì)算思維實(shí)踐可以相互促進(jìn)。本研究發(fā)現(xiàn)STEM工程設(shè)計(jì)是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的重要載體，計(jì)算思維的培養(yǎng)能夠映射到工程設(shè)計(jì)活動(dòng)中。首先，學(xué)生在界定問(wèn)題時(shí)，初步將問(wèn)題抽象與模塊化；然后，通過(guò)抽象與模塊化、增量與迭代的計(jì)算思維實(shí)踐，提出解決方案；再次，通過(guò)測(cè)試和調(diào)試、重用和混合、增量與迭代等計(jì)算思維實(shí)踐，構(gòu)建和測(cè)試模型、優(yōu)化方案；最后，分享反思模型，進(jìn)一步測(cè)試和調(diào)試完成植物工廠裝置?？傊瑢W(xué)生在工程實(shí)踐中可以將編程和計(jì)算建模的學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)和科學(xué)結(jié)合起來(lái)?？梢?jiàn)，將計(jì)算思維融入STEM教學(xué)，既可以加深學(xué)生對(duì)學(xué)科的理解，同時(shí)也有助于促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維實(shí)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(jì)算思維。計(jì)算思維是一個(gè)包含多個(gè)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(duì)計(jì)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(diǎn)。因此，教師應(yīng)在計(jì)算思維融入的STEM課堂中，通過(guò)改善學(xué)生的STEM態(tài)度，進(jìn)而增強(qiáng)計(jì)算思維。

2.討論與思考

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

第一，未來(lái)通過(guò)STEM教育發(fā)展計(jì)算思維將成為一種跨學(xué)科的思維實(shí)踐。目前的研究有兩種可能的路徑：一是將計(jì)算思維作為一種跨學(xué)科的思維，發(fā)展將計(jì)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(jì)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(jì)算的STEM內(nèi)容學(xué)習(xí)。

第二，基于證據(jù)的多元評(píng)價(jià)方式有利于STEM教育中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。計(jì)算思維作為應(yīng)用于STEM領(lǐng)域的綜合思維技能，對(duì)它的評(píng)價(jià)需要先明確其結(jié)構(gòu)體系，理解和識(shí)別其核心要素，從而為評(píng)價(jià)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(shí)（余勝泉等，2019），本研究在STEM教育活動(dòng)設(shè)計(jì)中融入計(jì)算思維的核心評(píng)價(jià)要素，將學(xué)生作為評(píng)價(jià)的主體，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，收集學(xué)生迭代修改的作品，通過(guò)量表、開(kāi)放性題目等多種方式進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。采用多元評(píng)價(jià)方式評(píng)估計(jì)算思維過(guò)程（Allsop，2019；Basu et al.，2020），收集學(xué)生思維發(fā)展過(guò)程中的證據(jù)，這是未來(lái)STEM教育中應(yīng)該改革和發(fā)展的重點(diǎn)。

本研究也存在不足。雖然為了減少誤差，研究實(shí)施過(guò)程中采用組間競(jìng)爭(zhēng)、組內(nèi)協(xié)作的方式開(kāi)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(gè)組進(jìn)行對(duì)比。但由于條件的限制，研究采用單組前后測(cè)實(shí)驗(yàn)研究法，缺乏對(duì)照組。且僅通過(guò)課堂觀察和教學(xué)設(shè)計(jì)分析學(xué)生計(jì)算思維實(shí)踐，從問(wèn)卷調(diào)查的角度對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維和STEM態(tài)度進(jìn)行分析，如何從基于證據(jù)的評(píng)價(jià)角度對(duì)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步探討。

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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