摘 要：STEM課程是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要載體，計算思維則可促成學(xué)生在真實情景下多元能力的發(fā)展。在新工程教育背景下，本研究提出以工程設(shè)計循環(huán)組織教學(xué)過程、以史密斯框架五要素創(chuàng)建支持學(xué)生運用計算思維的STEM教學(xué)活動設(shè)計框架。并以小學(xué)“船?！闭n程為例，進(jìn)行具體的活動設(shè)計與實施。本研究采用單組前后測實驗，通過為期九周的跟蹤，同時輔以任務(wù)單，探究課程實施對小學(xué)生計算思維能力與計算思維實踐的影響。結(jié)果表明，課程教學(xué)對小學(xué)生計算思維能力有促進(jìn)作用；認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，課程實施推動了學(xué)生計算思維實踐，船模制作完成后，學(xué)生的算法思維有明顯發(fā)展且各要素連接更緊密。

關(guān)鍵詞：STEM課程；計算思維；工程設(shè)計循環(huán)；培養(yǎng)框架；船模

中圖分類號：G622.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）03-0038-10

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其與人們生活的緊密結(jié)合，計算思維（Computational thinking）作為一種獨特的問題解決思維方式，已經(jīng)成為數(shù)字化生存的一種必備能力和面向智能時代的創(chuàng)新能力構(gòu)成要素。因此，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已成為高等教育和基礎(chǔ)教育的研究與實踐熱點，對計算思維的概念界定、構(gòu)成要素、培養(yǎng)模式、多維評價等也已有了諸多討論。STEM課程以跨學(xué)科的方式實踐項目學(xué)習(xí)，其情境性、體驗性等特征成為培養(yǎng)計算思維的載體，使計算思維能夠在實踐情境中得到不斷發(fā)展。工程學(xué)作為促進(jìn)STEM教育整合的有效方式[1]，通過工程項目來串聯(lián)各學(xué)科知識，創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問題，亦是培養(yǎng)計算思維的有效場景。在新工科教育轉(zhuǎn)型的背景下，計算思維成為新工科人才所需具備的思維方式之一，以計算思維促成學(xué)習(xí)者在真實情境中專業(yè)知識的獲得與多元能力的發(fā)展是跨學(xué)科問題解決的重要引擎[2]。

工程設(shè)計作為新工程教育背景下STEM課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維的主要方式，已有研究探索了基于工程設(shè)計的STEM教學(xué)對學(xué)生計算思維的作用。較之基于設(shè)計學(xué)習(xí)、問題驅(qū)動架構(gòu)的“STEM+C”教學(xué)實踐，工程項目可以為學(xué)生提供不斷優(yōu)化迭代的探索過程，在設(shè)計與探究中完成計算思維的培養(yǎng)與應(yīng)用。然而，在工程項目設(shè)計中，如何更好地指向?qū)W生計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)，還需要在工程設(shè)計模式的基礎(chǔ)上加強落實對計算思維各要素的設(shè)計。喬伊斯·史密斯（Joyce Smith）等[3]提出的基于學(xué)科視角培養(yǎng)計算思維的框架（以下簡稱“史密斯框架”），為課程中創(chuàng)建支持學(xué)習(xí)者使用計算思維的STEM活動提供了設(shè)計要點，基于此框架的實踐將STEM活動作為實踐計算思維的載體，強調(diào)在活動設(shè)計時將計算思維實踐作為解決問題的工具整合到課程中。因此，本研究在已有基于工程設(shè)計的STEM活動基礎(chǔ)上，整合史密斯框架，探究工程項目中計算思維各要素的發(fā)展與實踐。

一、STEM背景下的計算思維教育

盡管目前對計算思維作為專業(yè)術(shù)語的討論尚未達(dá)成共識，但學(xué)校教育中一直隱含著計算思維的教育實踐，在不同的教育階段體現(xiàn)出不同的特質(zhì)，培養(yǎng)目標(biāo)從計算機科學(xué)家發(fā)展為信息時代的數(shù)字公民，課程載體也從編程教育到信息技術(shù)課程再到真實情境下的多學(xué)科、跨學(xué)科課程（如STEM課程）。這可以明顯看出計算思維已經(jīng)成為一種學(xué)生必備的能力，并逐步內(nèi)化為穩(wěn)定的思維過程。

從理論發(fā)展來看，STEM背景下計算思維教育發(fā)展的兩個重要里程碑是：（1）戴維·溫特羅普（David Weintrop）在2015年提出了針對嵌入數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科課堂的計算思維框架，描述了計算思維在STEM學(xué)科中的應(yīng)用，開發(fā)了CT-STEM技能分類。該技能分類清晰地展示了計算思維在數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科中的概念和實踐，回答了計算思維在數(shù)學(xué)和科學(xué)課堂上如何培養(yǎng)的問題。基于此框架，專業(yè)團隊在CT-STEM平臺上開發(fā)了60多門課程，涵蓋數(shù)學(xué)、生物、物理等多門學(xué)科。（2）2018年，研究者以培養(yǎng)勝任STEM工作者為目標(biāo)，提出了史密斯框架，即通過理解復(fù)雜系統(tǒng)（CTF1）、用計算表示創(chuàng)新（CTF2）、利用計算能力和資源設(shè)計解決方案（CTF3）、對數(shù)據(jù)進(jìn)行集體意義創(chuàng)造（CTF4）、理解行為的潛在后果（CTF5）五個要素，落實對計算思維抽象、分解、算法、仿真與建模等單個與整合技能的提升。隨后，《科學(xué)教育與技術(shù)雜志（Journal of Science Education and Technology）》中專設(shè)計算思維特刊，并呈現(xiàn)了諸多應(yīng)用此框架的實踐案例。

從培養(yǎng)實踐來看，問題驅(qū)動的學(xué)習(xí)、基于設(shè)計的學(xué)習(xí)、工程設(shè)計是STEM課程中培養(yǎng)計算思維的主要教學(xué)模式。在此基礎(chǔ)上，亦有研究從計算思維的構(gòu)成要素入手，對應(yīng)STEM教育全過程進(jìn)行案例設(shè)計與驗證。其中，工程設(shè)計作為一種學(xué)習(xí)、應(yīng)用和連接STEM學(xué)科概念的手段，已有多項研究讓學(xué)習(xí)者整合STEM內(nèi)容參與工程循證推理實踐，并在基于工程設(shè)計的STEM教學(xué)中培養(yǎng)計算思維。杰伊蘭·申（Ceylan Sen）等[4]、楊大治（Dazhi Yang）等[5]分別在機器人設(shè)計和橋梁工程項目中進(jìn)行了基于工程設(shè)計的STEM活動的設(shè)計與實踐；周平紅等[6] 借鑒工程設(shè)計流程和基于設(shè)計的雙循環(huán)探究模型，構(gòu)建了整合計算思維培養(yǎng)的STEM工程設(shè)計教學(xué)模式，并將其應(yīng)用于“植物工廠”課程，從而在工程設(shè)計的各個活動環(huán)節(jié)中培養(yǎng)計算思維。在此過程中，如何讓學(xué)生在參與工程設(shè)計時有效地使用STEM概念知識是創(chuàng)新整合工程設(shè)計和STEM的關(guān)鍵，而如何設(shè)計活動實現(xiàn)對計算思維各要素的培養(yǎng)又是基于工程設(shè)計的STEM教學(xué)的實踐取向之一。

以上研究與實踐表明，STEM課程中計算思維的培養(yǎng)從信息技術(shù)學(xué)科到嵌入數(shù)學(xué)、科學(xué)學(xué)科，再發(fā)展至跨學(xué)科，并從解答如何培養(yǎng)的問題轉(zhuǎn)向強調(diào)表征計算思維在學(xué)科內(nèi)的應(yīng)用結(jié)果，采用的教學(xué)模式包括問題驅(qū)動學(xué)習(xí)、基于設(shè)計的學(xué)習(xí)、工程設(shè)計教學(xué)等。

二、面向計算思維培養(yǎng)的STEM工程設(shè)計活動

（一）STEM課程中整合計算思維培養(yǎng)的新思路

最早卡倫·布倫南（Karen Brennan）及其團隊[7]基于Scratch編程環(huán)境下的計算思維實踐，總結(jié)了三維培養(yǎng)框架，為相應(yīng)課程設(shè)計提供了指導(dǎo)。隨后，有研究者在此框架的基礎(chǔ)上不斷擴充維度，但該框架的提出及維度的細(xì)化都是從編程角度出發(fā)的，易導(dǎo)致后續(xù)計算思維的培養(yǎng)絕大多數(shù)局限于編程環(huán)境，限制了課程設(shè)計；同時，該框架的提出源于課外社區(qū)的實踐，因此未能充分考慮課堂教學(xué)的諸多特點。戴維·溫特羅普團隊提出的計算思維培養(yǎng)框架緊貼數(shù)學(xué)和科學(xué)課堂，提供的案例也較為經(jīng)典，表明計算思維的培養(yǎng)在課內(nèi)逐漸走向“專業(yè)化”，且在計算思維之上關(guān)注學(xué)科特點。但其存在學(xué)科局限性，且未能表征計算思維與學(xué)習(xí)結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果。

史密斯提出的計算思維培養(yǎng)框架的5個要素都經(jīng)過了STEM領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的認(rèn)證，確保與STEM課程緊密聯(lián)系，為STEM課程中的計算思維培養(yǎng)提供了可實施的設(shè)計要點。同時，五大要素相輔相成，學(xué)習(xí)者在數(shù)據(jù)分析中可以理解系統(tǒng)各部分的關(guān)系，在改變變量的過程中發(fā)現(xiàn)不足、提出問題，而后利用算法和整合資源，設(shè)計并優(yōu)化解決方案，之后在方案應(yīng)用的過程中探究出現(xiàn)不同結(jié)果的原因，最后再次進(jìn)行迭代，直至找出最優(yōu)解。在此框架中，學(xué)習(xí)者通過體驗系統(tǒng)、理解系統(tǒng)，從而發(fā)現(xiàn)問題。這種方式更加符合STEM領(lǐng)域的真實情況——對計算思維的培養(yǎng)，由建模和仿真轉(zhuǎn)向理解復(fù)雜系統(tǒng)，從單純的情景問題抽象到用計算表示創(chuàng)新而產(chǎn)生新的想法，由算法、編程和軟件開發(fā)轉(zhuǎn)向利用計算和整合資源，從數(shù)據(jù)收集和分析轉(zhuǎn)向集體感知、理解后果并預(yù)測。值得注意的是，該框架中的“理解行為的潛在后果”這一維度適應(yīng)了人工智能的迅速發(fā)展，可以幫助學(xué)生通過組合分析現(xiàn)有情況來預(yù)測未來事件的可能后果。

（二）STEM工程設(shè)計循環(huán)下計算思維培養(yǎng)的設(shè)計

1. 設(shè)計思路

以工程設(shè)計循環(huán)（engineering design process）組織教學(xué)過程，以史密斯框架五要素指導(dǎo)計算思維培養(yǎng)活動設(shè)計，解決當(dāng)前創(chuàng)新整合工程設(shè)計與STEM教學(xué)、將計算思維各要素落實于STEM教學(xué)各階段兩個方面的問題。

工程設(shè)計循環(huán)主要包含提出問題、設(shè)計解決方案、創(chuàng)建原型、驗證和改進(jìn)等階段，用以支持學(xué)生實現(xiàn)從需求到設(shè)計的發(fā)展過程。工程設(shè)計循環(huán)的教學(xué)模式既體現(xiàn)了“設(shè)計”，又突出了“探究”，符合STEM教育的要求。同時，工程設(shè)計循環(huán)的具體步驟為STEM活動中計算思維的培養(yǎng)提供了實踐場域。在真實環(huán)境中，學(xué)生以科學(xué)家或工程師的身份，通過現(xiàn)實與理想之間的差距，驅(qū)動主動探究，進(jìn)而產(chǎn)生強烈的疑問和好奇心。學(xué)生進(jìn)入工程項目設(shè)計后，將外在的好奇沖動（探究）轉(zhuǎn)化為尋找問題解決辦法（設(shè)計）。在這個過程中，學(xué)生整合資源、設(shè)計算法、調(diào)查分析，使用并發(fā)展計算思維技能，從而創(chuàng)建原型、完成設(shè)計。

對應(yīng)工程設(shè)計循環(huán)的5個階段，參考史密斯框架提出的計算思維培養(yǎng)五要素，形成（如圖1所示）的教學(xué)活動設(shè)計思路，在實踐視角下落實對計算思維各要素的培養(yǎng)。①數(shù)據(jù)分析及可視化模擬：提供模擬系統(tǒng)供學(xué)生調(diào)試操作（如魚與浮游生物組成的模擬生態(tài)系統(tǒng)），基于可視化結(jié)果了解系統(tǒng)變化，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中隱含的問題；②理解系統(tǒng)：學(xué)生根據(jù)模擬結(jié)果理解復(fù)雜系統(tǒng)，并產(chǎn)生“如果……會……”的思考，以根據(jù)情境提出問題；③抽象問題、分解步驟：學(xué)生簡化復(fù)雜系統(tǒng)情境而明確核心問題，并對所確定的問題進(jìn)行細(xì)分，以形成系列子問題；④整合資源、分析算法、建立模型：獲得、整合適用于方案設(shè)計的相關(guān)資源，選擇合適的算法表示方法進(jìn)行算法的設(shè)計與分析，對方案設(shè)計進(jìn)行評估與優(yōu)化；⑤感知結(jié)果：在模擬情境或真實情境下反復(fù)測試產(chǎn)品并觀察可能結(jié)果，體驗工程設(shè)計的循環(huán)與迭代。

2.活動設(shè)計框架

根據(jù)上述活動設(shè)計思路，本研究構(gòu)建了指向計算思維發(fā)展的STEM教學(xué)活動設(shè)計框架（如圖2所示）。該框架依據(jù)工程設(shè)計循環(huán)將學(xué)習(xí)活動劃分為4個階段，在每個階段，教師和學(xué)生都有相應(yīng)的角色和任務(wù)，設(shè)計意圖則呈現(xiàn)了設(shè)計要素的落實及對計算思維的培養(yǎng)作用。通過五要素的循環(huán)遞進(jìn)、相互作用與師生活動的有序開展，最終實現(xiàn)學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

（1）提出問題。教師發(fā)布特定主題的學(xué)習(xí)任務(wù)，扮演“客戶”，明確項目需求；學(xué)生通過系統(tǒng)模擬感知問題情境，從中發(fā)現(xiàn)問題并確定需要解決的關(guān)鍵問題。此階段有助于對學(xué)生概括能力的培養(yǎng)與提升。

（2）設(shè)計解決方案。當(dāng)明確關(guān)鍵問題之后，教師將進(jìn)行多學(xué)科的知識講授，為學(xué)生提供各類課程學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)生掌握與問題解決相關(guān)的背景知識。學(xué)生在厘清問題解決步驟的前后順序、先決條件的基礎(chǔ)上，協(xié)商算法，借助必要的建模工具建立模型并不斷修正算法。此階段有助于培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計能力、算法評估能力與資源整合能力。

（3）創(chuàng)建原型。在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，學(xué)生開展小組協(xié)作，使用工具與材料按照所確定的模型開展實物搭建。這是將解決方案具體實現(xiàn)的重要過程，在搭建過程中，要求學(xué)生不斷思考實施的效果并加以修正。該階段不僅可以增強學(xué)生的合作意識與創(chuàng)造性思維，更能幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，使其在實踐探究的過程中提升科學(xué)思維能力。

（4）驗證與改進(jìn)。該階段，學(xué)生要對照標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的性能進(jìn)行測試與驗證，再通過教師評價、組間互評和自我評價對作品進(jìn)行評估。在此過程中，學(xué)生可以充分利用工程設(shè)計的迭代與循環(huán)，在批判與優(yōu)化過程中提升評估與概括能力。

三、面向計算思維培養(yǎng)的小學(xué)“船模”課程實踐

（一）“船?！闭n程概述

“船?！闭n程通過開展一系列關(guān)于船模的理論學(xué)習(xí)與實踐研究，從船的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到船模制作，從外觀裝飾到動力搭建，幫助學(xué)生對船模及船模制作形成新的認(rèn)識。該課程涉及科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、數(shù)學(xué)（M）多學(xué)科知識，蘊含對計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)（見表1）。

（二）面向計算思維培養(yǎng)的小學(xué)“船?！闭n程設(shè)計

1. 教學(xué)活動設(shè)計

“船?！闭n程是以設(shè)計與手工制作為主題的課程，參考圖2所示的活動設(shè)計框架，形成下頁圖3所示的“船?！闭n程教學(xué)活動。其中，“船體制作”“模型的推進(jìn)與傳動”以及“船體美化”3個階段均以工程設(shè)計循環(huán)為主線展開。課程的教學(xué)步驟為：通過仿真模擬，讓學(xué)生理解船模系統(tǒng)的構(gòu)成，抽象分解構(gòu)造船模的主要步驟；學(xué)生設(shè)計、安裝主船體和甲板，組裝驅(qū)動裝置，構(gòu)建船模基本構(gòu)造；最后對其進(jìn)行精加工，例如防水防潮處理，進(jìn)一步完善船模。

在“船體制作”階段，學(xué)生基于船模模擬系統(tǒng)，在游戲中自由模擬船航行的情況，探究影響船航行狀況的因素：船的材料、驅(qū)動方式以及航向。結(jié)合模擬經(jīng)驗，幫助學(xué)生了解船的基本構(gòu)造，促進(jìn)學(xué)生將直接經(jīng)驗與將要進(jìn)行的項目建立聯(lián)系，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識，查找資源，制訂初步方案，結(jié)合教師對CAD制圖軟件、比例尺等必要知識的講解，繪制主船體的設(shè)計圖。基于設(shè)計圖，激光切割模板，對照工程圖組裝主船體。

在“模型的推進(jìn)與傳動”階段，學(xué)生記錄主船體內(nèi)原件的安裝位置，并分組討論可行性；根據(jù)搜集的資料，安裝船模驅(qū)動裝置。教師需要補充相應(yīng)學(xué)科和工具知識，幫助學(xué)生理解原理，引導(dǎo)學(xué)生思考船體設(shè)計時預(yù)留位置的用意。在充分學(xué)習(xí)思考之下，各小組確定安裝方案并完成驅(qū)動裝置的安裝。電路元件中預(yù)留了拓展接口，留給學(xué)生課后實踐，進(jìn)一步完善船模。

在“船體美化”階段，考慮到課時及材料的限制，本次教學(xué)活動中，學(xué)生只需要設(shè)計安裝甲板，構(gòu)成完整船模，其他材料將統(tǒng)一發(fā)放。此過程類似主船體的活動過程，其不同之處在于，學(xué)生是在基于之前完成的CAD圖和已經(jīng)完成部分的船模基礎(chǔ)上來收集甲板的尺寸。學(xué)生先在紙上畫出船模的大致樣子，再測量尺寸，對比著完成甲板的CAD圖，進(jìn)行切割后安裝在主船體中。

2. 課程實施環(huán)境

在本研究中，實踐環(huán)境為STEM教室，包括支持學(xué)生學(xué)習(xí)、設(shè)計與創(chuàng)造的協(xié)作空間，以及支持活動開展所需的工具和原材料，提供CAD制圖工具、手工工具、搭建材料等，確保學(xué)生順利進(jìn)行船模的設(shè)計、搭建與實施?？紤]到學(xué)習(xí)者是小學(xué)生，教師需要保證環(huán)境的安全性，確保尖銳工具（如剪刀、壁紙刀等）使用、電子線路連接的安全。

（三）研究設(shè)計與實踐

1. 研究對象

本研究的教學(xué)實驗對象是浙江省某小學(xué)參與俱樂部課程的三至六年級學(xué)生，其中，男生有25人（73.5%），女生有9人（26.5%）；三年級學(xué)生有13人（38.2%），四年級學(xué)生有8人（23.5%），五年級學(xué)生有10人（29.4%），六年級學(xué)生有3人（8.8%）。

2. 實施過程

課程實施9周（每周3課時，120分鐘）。實驗開始前，讓學(xué)生填寫計算思維量表（CTS）及Bebras計算思維能力測試，以了解參與者的計算思維能力起始水平。實驗過程通過船體制作（4課時）、模型的推進(jìn)與傳動（2課時）及船體美化（2課時）3個工程設(shè)計循環(huán)展開，學(xué)生最終制作一艘仿真船模。課程實施結(jié)束后，學(xué)生完成計算思維量表和能力測試后測。授課教師D老師有20余年教齡，長期負(fù)責(zé)學(xué)校的信息技術(shù)課程以及模型類拓展課程的教學(xué)工作。

3.測量工具

選用的計算思維量表由厄茲根·科爾克馬茲（?zgen Korkmaz ）等[8]開發(fā)，白雪梅等[9]翻譯修訂。已有研究改編該問卷用以評價STEM課程中學(xué)生的計算思維變化[2] 。本研究選取量表中創(chuàng)造力、問題解決和協(xié)作思維3個維度中的題目。信度檢驗結(jié)果顯示，量表的Cronbach α系數(shù)為0.751；效度分析結(jié)果顯示，量表的KMO值為0.704，Bartlett球形度檢驗p值為0.000lt;0.05。表明該問卷具有較好的信效度。

選用的Bebras計算思維能力測試（2020年）是通過一系列現(xiàn)實生活中的情景問題來測量學(xué)生對抽象、分解、算法、評估和概括這5方面計算思維能力的掌握程度。該測試共10題，均為選擇題，并僅有唯一正確答案。題目劃分為3種難度：簡單（第1～5題，10分/題）、中等（第6～9題，15分/題）和高等（第10題，20分/題）。

學(xué)生的船模制作過程，也是其運用計算思維解決問題的過程，能夠反映出學(xué)生的計算思維實踐水平。本研究在每個工程設(shè)計后提供評價反饋單，用于記錄學(xué)生的過程性數(shù)據(jù)。評價單中的問題映射活動設(shè)計要素，透過此反饋文本能反映出學(xué)生在活動中的計算思維發(fā)展情況。

4.數(shù)據(jù)分析方法

采用配對樣本t檢驗分析參與者在課程前后的計算思維能力變化；采用認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析（Epistemic Network Analysis，簡稱ENA）方法分析學(xué)生在實踐過程中計算思維的發(fā)展情況。

ENA過程中，根據(jù)計算思維的五個要素建立學(xué)生反饋文本編碼框架（見表2）。通過將任務(wù)評價單中的手寫評語逐條錄入Excel中，共得到332條有效反饋話語。依據(jù)編碼框架，每行話語均對應(yīng)編碼框架中的五個維度，研究者對每一行話語采取二進(jìn)制編碼，即判斷該話語是否包含五個維度，一句話可以標(biāo)記一個或多個維度。為消除編碼時摻雜的主觀因素，所有對話記錄由兩名研究者獨立編碼，分析結(jié)果顯示（Kappa=0.808），兩個編碼具有較強的一致性。所有會話數(shù)據(jù)編碼后，將每一個維度的縱向編碼進(jìn)行二進(jìn)制求和，若某位同學(xué)將一個點重復(fù)說兩遍，也就意味著他在某個維度上重復(fù)理解了兩次，最終只需要記錄1次。隨后，將累加好的編碼導(dǎo)入ENA工具，可自動完成轉(zhuǎn)換、降維等步驟，并生成相應(yīng)的模型。

（四）數(shù)據(jù)分析結(jié)果

1. 計算思維能力分析

配對樣本t檢驗結(jié)果顯示（見表3），在開展“船?！闭n程后，學(xué)生的創(chuàng)造力、問題解決和協(xié)作思維均有不同程度的提升，其中在創(chuàng)造力和問題解決維度上存在顯著性差異（t=-3.74，p＜0.01；t=-5.18，p＜0.001）。此外，學(xué)生計算思維測試后測得分高于前測，且存在顯著差異（t=-9.87，plt;0.001）。這表明課程的實施對于提升學(xué)生的計算思維能力產(chǎn)生了積極效果。

2.計算思維認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析

根據(jù)文本編碼數(shù)據(jù)，將“船體制作”設(shè)為第一階段，將后兩個工程設(shè)計循環(huán)設(shè)為第二階段，采用ENA工具生成了兩個階段對應(yīng)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖（如圖4所示）。為了從統(tǒng)計學(xué)意義上了解不同階段學(xué)生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的差異，采用t檢驗對X維度和Y維度的組間差異進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見表4），兩組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在X維度上存在顯著差異（第一階段M=0.65，第二階段M=-0.70，t=-9.95，plt;0.05，Cohen’s d =2.62），在Y維度上不存在顯著性差異，第一階段元素節(jié)點的連接在X軸正方向上更強，第二階段節(jié)點間的連接在X軸負(fù)方向上更強，說明學(xué)生在兩個階段有著不同的計算思維發(fā)展水平。

已知兩階段在X維度上存在顯著差異，將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行疊減呈現(xiàn)，以分析兩個階段中學(xué)生計算思維在各維度的表現(xiàn)。如果兩組存在元素間連線的重疊，最終呈現(xiàn)出來的是連接較強組的顏色，并且線條粗細(xì)都會相互疊減。分析發(fā)現(xiàn)：第一階段中，抽象、分解、評估與概括兩兩要素之間建立了較強的聯(lián)系，算法思維與其他要素之間未有明顯的相關(guān)鏈接，說明第一階段學(xué)生對制作船模的工具、資源還在摸索階段，影響了制訂具體解決方案過程中算法思維的應(yīng)用。第二階段的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖中，算法思維與其他要素的連接加強，表明隨著經(jīng)驗的加深與學(xué)習(xí)內(nèi)容的不斷深化，學(xué)生的算法思維得到了發(fā)展，5個要素之間的聯(lián)系更為緊密。同時，兩個階段的疊減圖也顯示出學(xué)生的算法思維在第二階段發(fā)展更突出。可見，課程的實施提升了學(xué)生的計算思維實踐水平。

四、結(jié)論與討論

（一）基于工程設(shè)計的STEM活動促進(jìn)計算思維的發(fā)展

本研究在STEM課程中的“船體制作”“模型的推進(jìn)與傳動”以及“船體美化”3個階段均以工程設(shè)計循環(huán)不斷強化計算思維實踐，提升學(xué)生的計算思維能力。學(xué)生在“探究”和“設(shè)計”的雙重驅(qū)動下，體驗跨學(xué)科知識應(yīng)用，實踐計算思維技能，從而完成船模制作安裝。從ENA分析結(jié)果來看，在活動推進(jìn)過程中，算法思維與分解、抽象、概括和評估的連接逐漸加強。同時，計算思維量表與測試的前后測也都證實學(xué)生的計算思維能力得到有效提升。這一研究結(jié)論與周平紅等[6]利用此模式培養(yǎng)計算思維的實踐結(jié)果一致，同時也有效支持了學(xué)者提出的使用工程設(shè)計循環(huán)組織STEM教育活動能有效培養(yǎng)高階思維的觀點[10-11]。

（二）基于工程設(shè)計的STEM學(xué)習(xí)活動中五要素的落實促進(jìn)計算思維實踐發(fā)展

深耕“STEM+CT”領(lǐng)域需要更扎實的培養(yǎng)框架來指導(dǎo)設(shè)計實踐。本研究結(jié)果表明，依據(jù)史密斯框架五要素設(shè)計的STEM工程設(shè)計活動可以為學(xué)生提供真實的實踐機會，激發(fā)他們對手工類課程的操作熱情，并通過積極的合作交流完成作品制作，從而有效地培養(yǎng)他們的計算思維能力。在每階段活動開始時，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動使用概括技能，通過積累模擬經(jīng)驗來識別系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系。爾后，依據(jù)學(xué)習(xí)項目需求，抽象描述所聚焦的問題，分解解決問題的步驟，此時學(xué)生需要用到抽象、分解兩大計算思維技能。在設(shè)計解決方案的過程中，學(xué)生需要合理利用資源，并精準(zhǔn)安排安裝順序及位置，在反復(fù)策劃中，算法思維會被重復(fù)利用，進(jìn)而通過比較得到最佳方案。最后，學(xué)生體會新模型構(gòu)建的系統(tǒng)，并對成果再次識別、評估，對整個項目進(jìn)行全面評價。如此往復(fù)3個循環(huán)，結(jié)合計算思維發(fā)展軌跡及測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第二階段中算法思維和其他維度的連接加強，說明本階段學(xué)生注重算法思維的應(yīng)用以系統(tǒng)設(shè)計解決方案，而算法思維與評估能力的加強預(yù)示著學(xué)生糾錯迭代能力的提升。總的來說，整合五要素的STEM工程設(shè)計活動使得學(xué)生的計算思維實踐成為項目完成的必經(jīng)之路，并且運用計算思維技能水到渠成。

（三）不足與展望

本研究針對工程設(shè)計與STEM創(chuàng)新整合以及在此過程中落實計算思維構(gòu)成要素的培養(yǎng)問題，構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的STEM工程設(shè)計活動框架，并在小學(xué)“船模”課程中進(jìn)行了應(yīng)用。實踐證明，該框架具有可行性和較好的實際效果。然而，本研究仍有一定不足：由于課程實踐周期較短，高階思維能力提升需要較長時間才能顯現(xiàn)，因此下一步研究需進(jìn)行長期教學(xué)實踐以驗證效果。同時，本研究所構(gòu)建的設(shè)計框架的適用性有待在未來實踐中持續(xù)優(yōu)化和完善。

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（責(zé)任編輯 李強）

Research and Practice of Engineering Design Based STEM Teaching Approach on Students’ Computational Thinking

Guan Jueqi， Wang Wenzhuo， Lan Tingting

（College of Education， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang， China 321004）

Abstract： STEM curriculum is an important carrier to cultivate students’ computational thinking， which in turn can facilitate the development of students’ multiple abilities in real-life situations. In the context of new engineering education， this study proposes to organize the teaching process with the engineering design cycle and create a framework for designing STEM teaching activities to support students’ computational thinking with the five elements of Smith’s framework. The design and implementation of the activity is based on the example of the elementary school “Ship Model” course. A pre-text and post-test experiment with a nine-week follow-up is utilized， supplemented by a task list， to explore the impact of curriculum implementation on elementary students’ computational thinking skills and practices. The results of the data show that the curriculum stimulates students’ computational thinking ability; the results of the cognitive network analysis show that the implementation of the curriculum promotes students’ computational thinking practice， and that students’ algorithmic thinking develops significantly and the connection of elements is stronger after the completion of the ship modeling.

Key words： STEM curriculum; Computational thinking; Engineering design cycle; Cultivation framework; Ship modeling