以STEM課程為翼，助力小學(xué)生計(jì)算思維起飛一、引言1.1研究背景與動(dòng)因在信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，社會(huì)已全面步入信息時(shí)代，數(shù)字化技術(shù)正以前所未有的速度融入人們生活與工作的方方面面，深刻地改變著人們的生活與工作方式。從日常的智能設(shè)備使用，到工作中的大數(shù)據(jù)分析、人工智能應(yīng)用，計(jì)算思維已成為人們適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的關(guān)鍵能力。小學(xué)生作為未來(lái)社會(huì)的主力軍，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維顯得尤為重要。計(jì)算思維并非僅僅局限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，它涵蓋了運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去分析問題、設(shè)計(jì)解決方案以及評(píng)估方案效果等一系列思維活動(dòng)，是一種能夠廣泛應(yīng)用于解決各類問題的思維方式。擁有良好計(jì)算思維的學(xué)生，在面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)，能夠迅速理清思路，將大問題拆解為若干個(gè)小問題，運(yùn)用合理的方法逐步解決，并且能夠?qū)鉀Q方案進(jìn)行反思與優(yōu)化。這種能力不僅有助于他們?cè)跀?shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科的學(xué)習(xí)中取得更好的成績(jī)，還能為他們未來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使他們更好地適應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展需求。而STEM課程作為一種融合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的跨學(xué)科教育模式，為小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了得天獨(dú)厚的土壤。它打破了傳統(tǒng)學(xué)科之間的界限，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合運(yùn)用和實(shí)踐操作，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中解決問題。在STEM課程中，學(xué)生通過參與各種項(xiàng)目和活動(dòng)，如設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人、搭建一座橋梁模型等，能夠親身體驗(yàn)到將科學(xué)知識(shí)、技術(shù)手段、工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)原理相結(jié)合的過程。在這個(gè)過程中，他們需要運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)問題進(jìn)行分析和抽象，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的模型，然后設(shè)計(jì)算法并編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)解決方案，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。這種學(xué)習(xí)方式與計(jì)算思維的培養(yǎng)高度契合，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，提升他們的計(jì)算思維能力。因此，開展促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。1.2研究?jī)r(jià)值與意義在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，計(jì)算思維已成為個(gè)體適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的必備能力。對(duì)于小學(xué)生而言，培養(yǎng)計(jì)算思維對(duì)其個(gè)人成長(zhǎng)具有深遠(yuǎn)影響。從認(rèn)知發(fā)展角度來(lái)看，計(jì)算思維的培養(yǎng)有助于小學(xué)生優(yōu)化思維方式，提升邏輯思維、抽象思維和問題解決能力。在面對(duì)數(shù)學(xué)問題時(shí)，他們能夠運(yùn)用計(jì)算思維將復(fù)雜問題分解為簡(jiǎn)單步驟，找到解題思路；在語(yǔ)文寫作中，也能通過計(jì)算思維組織文章結(jié)構(gòu)，使表達(dá)更有條理。這種思維能力的提升為小學(xué)生未來(lái)的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，無(wú)論是在中學(xué)階段應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的學(xué)科知識(shí)，還是在大學(xué)選擇專業(yè)和職業(yè)發(fā)展道路時(shí)，都能讓他們更加從容地面對(duì)挑戰(zhàn)，做出更明智的決策。從社會(huì)發(fā)展層面而言，培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著科技的飛速發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，社會(huì)對(duì)具備計(jì)算思維的創(chuàng)新型人才需求日益增長(zhǎng)。小學(xué)生作為未來(lái)社會(huì)的建設(shè)者，在小學(xué)階段培養(yǎng)他們的計(jì)算思維，能夠?yàn)閲?guó)家培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)科技發(fā)展的創(chuàng)新人才儲(chǔ)備力量。這些具有計(jì)算思維的人才，將在未來(lái)的科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)社會(huì)不斷進(jìn)步，增強(qiáng)國(guó)家在全球競(jìng)爭(zhēng)中的實(shí)力。在教育實(shí)踐方面，本研究對(duì)促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行深入探索，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。當(dāng)前，雖然許多學(xué)校已經(jīng)認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性，并開展了相關(guān)課程，但在實(shí)際教學(xué)中仍存在諸多問題，如課程內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性、教學(xué)方法單一、與實(shí)際生活聯(lián)系不緊密等。本研究通過構(gòu)建科學(xué)合理的STEM課程教學(xué)體系，設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)策略，為教師提供具體可操作的教學(xué)方案，幫助教師更好地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入STEM課程教學(xué)中，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。同時(shí)，本研究還關(guān)注學(xué)生的個(gè)體差異，強(qiáng)調(diào)個(gè)性化教學(xué)，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)全體學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。從教育理論角度分析，本研究豐富和完善了計(jì)算思維培養(yǎng)和STEM教育的理論體系。目前，關(guān)于計(jì)算思維培養(yǎng)的理論研究雖然取得了一定成果，但在如何將計(jì)算思維與STEM課程有效融合方面，仍存在理論與實(shí)踐結(jié)合不夠緊密的問題。本研究通過深入探討STEM課程與計(jì)算思維培養(yǎng)的內(nèi)在聯(lián)系，分析在STEM課程中培養(yǎng)計(jì)算思維的影響因素和作用機(jī)制，為教育理論的發(fā)展提供了新的視角和實(shí)證依據(jù)，進(jìn)一步深化了對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)和STEM教育的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)相關(guān)研究提供了有益的參考和借鑒。1.3研究設(shè)計(jì)與方法本研究旨在深入探究促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，采用了多種研究方法，從理論梳理到實(shí)踐驗(yàn)證，逐步推進(jìn)研究進(jìn)程。研究初期，運(yùn)用文獻(xiàn)研究法廣泛收集國(guó)內(nèi)外關(guān)于計(jì)算思維、STEM課程以及二者融合的相關(guān)文獻(xiàn)資料。通過對(duì)這些文獻(xiàn)的整理與分析，梳理計(jì)算思維和STEM課程的理論基礎(chǔ)，包括其概念內(nèi)涵、發(fā)展歷程、重要特征等，明確計(jì)算思維的構(gòu)成要素以及STEM課程的教育理念和教學(xué)模式。同時(shí)，分析現(xiàn)有研究中關(guān)于計(jì)算思維培養(yǎng)和STEM課程實(shí)施的成功經(jīng)驗(yàn)與存在問題，為本研究提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐和研究思路，避免重復(fù)勞動(dòng)，確保研究的創(chuàng)新性和前沿性。在理論研究的基礎(chǔ)上，開展案例研究法。選取多所具有代表性的小學(xué)作為研究對(duì)象，深入這些學(xué)校的STEM課堂，觀察教師的教學(xué)過程和學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。詳細(xì)記錄教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)以及師生互動(dòng)情況等，收集豐富的教學(xué)案例資料。對(duì)這些案例進(jìn)行深入剖析，分析在不同教學(xué)情境下，教師如何通過STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中計(jì)算思維能力的發(fā)展變化情況，以及教學(xué)過程中遇到的問題和解決方法。通過案例研究，總結(jié)出促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)的有效策略和實(shí)踐模式，為其他教師提供可借鑒的教學(xué)范例。為了全面評(píng)估STEM課程對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的影響，采用調(diào)查研究法。設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力測(cè)試量表，該量表依據(jù)計(jì)算思維的構(gòu)成要素和小學(xué)生的認(rèn)知水平進(jìn)行編制，具有良好的信度和效度。在實(shí)施STEM課程前后，分別對(duì)參與課程的學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析測(cè)試數(shù)據(jù)，了解學(xué)生計(jì)算思維能力的提升情況。同時(shí)，設(shè)計(jì)學(xué)生和教師調(diào)查問卷，從學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、興趣態(tài)度、學(xué)習(xí)收獲以及教師的教學(xué)感受、教學(xué)反思等方面收集數(shù)據(jù)，全面了解STEM課程的教學(xué)效果和存在的問題。此外，還對(duì)部分學(xué)生和教師進(jìn)行訪談，深入了解他們?cè)谡n程實(shí)施過程中的想法和建議，進(jìn)一步豐富研究資料，為研究結(jié)論的得出提供更全面的依據(jù)。通過綜合運(yùn)用文獻(xiàn)研究法、案例研究法和調(diào)查研究法，本研究從理論和實(shí)踐兩個(gè)層面深入探討促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為推動(dòng)小學(xué)STEM教育的發(fā)展和學(xué)生計(jì)算思維能力的提升提供科學(xué)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。二、理論基石：概念與理論的深度剖析2.1小學(xué)生計(jì)算思維內(nèi)涵計(jì)算思維這一概念，由美國(guó)卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授于2006年3月在《CommunicationsoftheACM》上首次提出，她將其定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。隨著研究的不斷深入，計(jì)算思維的內(nèi)涵也在不斷豐富和拓展。從本質(zhì)上講，計(jì)算思維是一種問題解決的思維過程，它強(qiáng)調(diào)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的原理和方法，將復(fù)雜問題進(jìn)行分解、抽象，尋找其中的規(guī)律和模式，進(jìn)而設(shè)計(jì)出有效的算法和解決方案。對(duì)于小學(xué)生而言，其計(jì)算思維具有獨(dú)特的特征。小學(xué)生的思維仍處于從具體形象思維向抽象邏輯思維過渡的階段，這使得他們?cè)诶斫夂瓦\(yùn)用計(jì)算思維時(shí)，更依賴于具體的事物和情境。在學(xué)習(xí)編程時(shí)，他們可能需要借助具體的圖形化編程工具，如Scratch，通過拖拽模塊的方式來(lái)理解程序的邏輯結(jié)構(gòu)，而對(duì)于抽象的代碼編程則較難掌握。小學(xué)生計(jì)算思維的基礎(chǔ)性體現(xiàn)在，他們正處于計(jì)算思維培養(yǎng)的起步階段，主要是對(duì)計(jì)算思維的基本概念和方法進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)和了解，如簡(jiǎn)單的問題分解、順序執(zhí)行等。此時(shí)的培養(yǎng)重點(diǎn)在于激發(fā)他們對(duì)計(jì)算思維的興趣，為今后更深入的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。計(jì)算思維能力并非一蹴而就，而是隨著小學(xué)生年齡的增長(zhǎng)、知識(shí)的積累和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的增加而逐步發(fā)展的。在低年級(jí)階段，小學(xué)生可能只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的問題分解和步驟設(shè)計(jì)；到了高年級(jí)，他們則能夠嘗試進(jìn)行更復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析，如設(shè)計(jì)一個(gè)小型的信息管理系統(tǒng)等。這就要求在教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的不同發(fā)展階段，設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)，以促進(jìn)他們計(jì)算思維的逐步提升。2.2STEM課程的特質(zhì)與架構(gòu)STEM課程作為一種獨(dú)特的教育模式，具有鮮明的特質(zhì)。其最顯著的特點(diǎn)在于跨學(xué)科性，它打破了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科之間的傳統(tǒng)界限，將這些學(xué)科的知識(shí)和方法有機(jī)融合。在設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的橋梁模型的STEM課程項(xiàng)目中，學(xué)生需要運(yùn)用科學(xué)知識(shí)來(lái)理解橋梁的力學(xué)原理，利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，借助技術(shù)手段選擇合適的材料和工具，運(yùn)用工程思維進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建。這種跨學(xué)科的融合，使學(xué)生能夠從多個(gè)角度看待問題，培養(yǎng)他們綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。重實(shí)踐也是STEM課程的重要特質(zhì)。它強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過親身參與實(shí)踐活動(dòng)來(lái)獲取知識(shí)和技能，注重學(xué)生在實(shí)踐過程中的體驗(yàn)和感悟。學(xué)生在參與機(jī)器人制作的實(shí)踐活動(dòng)中，不僅能夠?qū)W習(xí)到機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，還能在動(dòng)手操作過程中鍛煉自己的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和問題解決能力。通過實(shí)踐，學(xué)生能夠?qū)⒊橄蟮睦碚撝R(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)用，更好地理解和掌握知識(shí)。問題解決是STEM課程的核心目標(biāo)，它通常以真實(shí)情境中的問題為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。在面對(duì)城市交通擁堵問題時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生通過分析問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證等一系列過程，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要不斷地思考、嘗試和創(chuàng)新，從而提高他們的問題解決能力和批判性思維能力。STEM課程的目標(biāo)具有多元性，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。它不僅關(guān)注學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)和技能的掌握，更注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、問題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和溝通能力等。通過STEM課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠具備適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展所需的關(guān)鍵能力，成為具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的綜合性人才。在內(nèi)容架構(gòu)方面，STEM課程圍繞真實(shí)問題或項(xiàng)目展開，內(nèi)容涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。其課程內(nèi)容的選擇緊密結(jié)合生活實(shí)際和社會(huì)需求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和時(shí)代性。在“智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的課程項(xiàng)目中，課程內(nèi)容可能涉及電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程、傳感器原理、數(shù)學(xué)建模等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，學(xué)生需要綜合運(yùn)用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能家居系統(tǒng)。這種內(nèi)容架構(gòu)方式，使學(xué)生能夠在解決實(shí)際問題的過程中，將不同學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通，形成一個(gè)完整的知識(shí)體系。在教學(xué)方法上，STEM課程倡導(dǎo)多樣化的教學(xué)方法。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是其常用的教學(xué)方法之一，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，以小組合作的形式完成一個(gè)具體的項(xiàng)目。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生自主探究、分工協(xié)作，共同解決項(xiàng)目中遇到的各種問題，從而培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作能力和自主學(xué)習(xí)能力。探究式學(xué)習(xí)也是STEM課程中常用的方法，教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)并得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和實(shí)踐能力。此外，STEM課程還注重運(yùn)用信息技術(shù)手段，如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等，為學(xué)生提供更加直觀、生動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高教學(xué)效果。2.3兩者的內(nèi)在聯(lián)系從理論層面深入剖析，STEM課程與計(jì)算思維培養(yǎng)在諸多方面存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，二者相互交融、相輔相成。STEM課程的跨學(xué)科特性與計(jì)算思維的綜合性高度契合。計(jì)算思維并非孤立存在，它在解決問題時(shí)需要綜合運(yùn)用多方面的知識(shí)和技能。在STEM課程中，學(xué)生需要整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)來(lái)完成項(xiàng)目或解決問題，這一過程恰恰為計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了廣闊的空間。在設(shè)計(jì)一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電裝置的STEM項(xiàng)目中，學(xué)生首先要運(yùn)用科學(xué)知識(shí)了解風(fēng)力發(fā)電的原理，明確風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程和條件；利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，如風(fēng)力大小與發(fā)電量的關(guān)系、裝置的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算等；借助技術(shù)手段選擇合適的材料和工具，如電機(jī)、葉片材料的選擇，以及使用3D打印技術(shù)制作零部件等；運(yùn)用工程思維進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和優(yōu)化，考慮裝置的穩(wěn)定性、效率等因素。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要將不同學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行融合和運(yùn)用，不斷地進(jìn)行分析、抽象、設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這與計(jì)算思維所強(qiáng)調(diào)的運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程完全一致。通過這樣的跨學(xué)科實(shí)踐，學(xué)生能夠逐漸形成綜合性的思維方式，提高運(yùn)用計(jì)算思維解決復(fù)雜問題的能力。問題解決是STEM課程和計(jì)算思維培養(yǎng)的核心目標(biāo)。STEM課程通常以真實(shí)情境中的問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生通過一系列的探究和實(shí)踐活動(dòng)來(lái)解決問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要運(yùn)用計(jì)算思維的方法，如問題分解、算法設(shè)計(jì)、抽象建模等，將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為可解決的子問題，并設(shè)計(jì)出有效的解決方案。當(dāng)學(xué)生面臨如何提高城市交通效率的問題時(shí)，他們首先需要運(yùn)用計(jì)算思維將這個(gè)復(fù)雜問題分解為多個(gè)子問題，如分析交通流量的規(guī)律、研究不同交通信號(hào)燈的配時(shí)方案、探討公共交通與私家車的協(xié)同運(yùn)行等。然后，針對(duì)每個(gè)子問題進(jìn)行抽象建模，運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法設(shè)計(jì)算法，如利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)交通流量，運(yùn)用算法優(yōu)化交通信號(hào)燈的配時(shí)。最后，通過實(shí)踐驗(yàn)證和評(píng)估解決方案的有效性，并根據(jù)反饋進(jìn)行優(yōu)化。在這個(gè)過程中，學(xué)生的計(jì)算思維能力得到了鍛煉和提升，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了STEM課程解決實(shí)際問題的目標(biāo)。從實(shí)踐角度來(lái)看，STEM課程為計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了豐富的實(shí)踐平臺(tái)。在STEM課程的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過親身參與實(shí)踐活動(dòng)，能夠?qū)⒊橄蟮挠?jì)算思維概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際的操作和應(yīng)用。在機(jī)器人編程的STEM課程中，學(xué)生需要運(yùn)用計(jì)算思維來(lái)編寫程序，控制機(jī)器人完成各種任務(wù)。他們需要分析任務(wù)需求，將其分解為具體的步驟，然后運(yùn)用編程知識(shí)設(shè)計(jì)算法，通過編寫代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作控制。在這個(gè)過程中，學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)到編程的知識(shí)和技能，更重要的是能夠親身體驗(yàn)計(jì)算思維在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用，從而加深對(duì)計(jì)算思維的理解和掌握。此外，STEM課程中的團(tuán)隊(duì)合作和交流互動(dòng)也有助于計(jì)算思維的培養(yǎng)。在團(tuán)隊(duì)合作中，學(xué)生需要與同伴進(jìn)行溝通、協(xié)作，共同解決問題。在這個(gè)過程中，他們能夠從不同的角度思考問題，借鑒他人的思維方式和經(jīng)驗(yàn)，拓寬自己的思維視野。學(xué)生在討論如何設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)保型的智能家居系統(tǒng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員可能會(huì)提出不同的想法和方案，通過交流和討論，學(xué)生能夠?qū)栴}有更全面的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)從多種方案中選擇最優(yōu)解，這有助于培養(yǎng)他們的批判性思維和計(jì)算思維中的評(píng)估能力。同時(shí)，在交流互動(dòng)中，學(xué)生還需要清晰地表達(dá)自己的思路和想法，這也有助于提高他們的邏輯思維和表達(dá)能力，進(jìn)一步促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展。三、國(guó)際視野：國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的深度審視3.1國(guó)外相關(guān)實(shí)踐掃描美國(guó)作為教育創(chuàng)新的前沿陣地，在STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維方面做出了諸多努力。2016年發(fā)布的《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》，明確將計(jì)算思維教育納入其中，并詳細(xì)規(guī)劃了不同學(xué)段的目標(biāo)和內(nèi)容。在小學(xué)階段，通過豐富多樣的課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)計(jì)算思維的基本概念和方法。在一些小學(xué)的STEM課程中，設(shè)置了簡(jiǎn)單的編程課程，讓學(xué)生使用Scratch等圖形化編程工具，通過拖拽模塊的方式編寫程序，實(shí)現(xiàn)角色的移動(dòng)、動(dòng)畫效果等。在這個(gè)過程中，學(xué)生學(xué)會(huì)將一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，如實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)畫效果，需要分解為角色的創(chuàng)建、動(dòng)作的設(shè)計(jì)、時(shí)間的控制等步驟，這正是計(jì)算思維中問題分解的體現(xiàn)。同時(shí)，學(xué)生還需要對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行抽象，用編程模塊來(lái)表示具體的操作，從而培養(yǎng)抽象思維能力。此外，美國(guó)還注重將計(jì)算思維與其他學(xué)科進(jìn)行融合，在科學(xué)課程中，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、建立科學(xué)模型；在數(shù)學(xué)課程中，通過編程解決數(shù)學(xué)問題，讓學(xué)生體會(huì)數(shù)學(xué)與計(jì)算思維的緊密聯(lián)系。英國(guó)在STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維方面也有著獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)。英國(guó)將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入到語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、物理等多個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)中。在數(shù)學(xué)教學(xué)中，教師會(huì)通過一些實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行分析和解決。在解決行程問題時(shí)，教師會(huì)讓學(xué)生運(yùn)用編程的思想，將問題中的各種條件進(jìn)行抽象和建模，然后設(shè)計(jì)算法來(lái)求解。學(xué)生需要分析題目中的已知條件和未知量，將行程問題抽象為數(shù)學(xué)模型，如速度、時(shí)間和路程的關(guān)系，然后運(yùn)用編程知識(shí)編寫程序來(lái)計(jì)算答案。在語(yǔ)文教學(xué)中，通過創(chuàng)意寫作等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力，這與計(jì)算思維中的邏輯思維和創(chuàng)新思維培養(yǎng)不謀而合。英國(guó)還非常重視教師的專業(yè)發(fā)展，通過開展各種培訓(xùn)和研討活動(dòng)，提高教師在計(jì)算思維教學(xué)方面的能力，確保教師能夠有效地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入到日常教學(xué)中。芬蘭以其獨(dú)特的現(xiàn)象教學(xué)在教育領(lǐng)域備受關(guān)注，在STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維方面也有著顯著成效。芬蘭的現(xiàn)象教學(xué)強(qiáng)調(diào)以真實(shí)的生活現(xiàn)象為主題，整合多個(gè)學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行教學(xué)。在“城市交通”這一現(xiàn)象教學(xué)主題中，學(xué)生需要綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)來(lái)解決交通擁堵問題。他們首先運(yùn)用科學(xué)知識(shí)了解交通流量的原理和影響因素，利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行交通流量的統(tǒng)計(jì)和分析，借助技術(shù)手段如智能交通系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)和管理交通，運(yùn)用工程思維設(shè)計(jì)合理的交通規(guī)劃和解決方案。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)復(fù)雜的交通問題進(jìn)行分解和抽象，將其轉(zhuǎn)化為可解決的子問題，然后設(shè)計(jì)算法和解決方案。他們會(huì)將交通擁堵問題分解為不同時(shí)間段的交通流量分析、不同路段的通行能力分析等子問題，然后針對(duì)每個(gè)子問題進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，運(yùn)用算法優(yōu)化交通信號(hào)燈的配時(shí)，設(shè)計(jì)合理的交通路線規(guī)劃等。通過這種現(xiàn)象教學(xué)，學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)到多學(xué)科的知識(shí)，更重要的是能夠在解決實(shí)際問題的過程中，有效地培養(yǎng)計(jì)算思維能力。3.2典型案例深度剖析以美國(guó)某小學(xué)的“智能城市規(guī)劃”項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目圍繞城市交通擁堵問題展開，旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)而提升計(jì)算思維。在課程設(shè)計(jì)方面，教師引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)。在科學(xué)知識(shí)層面，學(xué)生需要了解交通流量的基本原理，如不同時(shí)間段交通流量的變化規(guī)律、影響交通流量的因素等；在技術(shù)運(yùn)用上，學(xué)生運(yùn)用傳感器技術(shù)收集交通數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；從工程角度出發(fā)，學(xué)生設(shè)計(jì)智能交通系統(tǒng)的初步方案，考慮道路布局、信號(hào)燈設(shè)置等因素；數(shù)學(xué)知識(shí)則貫穿始終，用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、模型構(gòu)建和方案優(yōu)化。例如，學(xué)生通過建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析交通流量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)不同區(qū)域在不同時(shí)間段的交通擁堵情況。在實(shí)施過程中，教師采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法，將學(xué)生分成小組，每個(gè)小組負(fù)責(zé)一個(gè)特定的任務(wù)，如交通數(shù)據(jù)收集小組、智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組等。在交通數(shù)據(jù)收集小組中，學(xué)生運(yùn)用傳感器技術(shù)，在學(xué)校周邊的主要道路上收集交通流量、車速等數(shù)據(jù)。他們需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的傳感器安裝位置，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性。數(shù)據(jù)收集完成后，學(xué)生將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理和分析。智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組則根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，運(yùn)用工程思維設(shè)計(jì)智能交通系統(tǒng)方案。他們需要考慮道路的通行能力、信號(hào)燈的配時(shí)方案、公共交通與私家車的協(xié)同運(yùn)行等因素，通過多次討論和修改，最終確定最優(yōu)方案。在整個(gè)過程中，教師作為引導(dǎo)者，適時(shí)提供指導(dǎo)和支持，幫助學(xué)生解決遇到的問題。該項(xiàng)目取得了顯著的效果。通過參與項(xiàng)目，學(xué)生不僅掌握了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，更重要的是，他們的計(jì)算思維能力得到了大幅提升。在問題解決過程中，學(xué)生學(xué)會(huì)了將復(fù)雜的交通擁堵問題分解為多個(gè)子問題，如交通流量分析、信號(hào)燈配時(shí)優(yōu)化等，并針對(duì)每個(gè)子問題運(yùn)用相應(yīng)的知識(shí)和方法進(jìn)行解決。在設(shè)計(jì)智能交通系統(tǒng)方案時(shí)，學(xué)生需要運(yùn)用抽象思維，將實(shí)際的交通場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型和工程設(shè)計(jì)方案。通過不斷地嘗試和優(yōu)化方案，學(xué)生的算法設(shè)計(jì)和評(píng)估能力也得到了鍛煉。學(xué)生在項(xiàng)目中還培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神、溝通能力和創(chuàng)新能力，這些能力的提升為他們未來(lái)的學(xué)習(xí)和生活奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。英國(guó)某小學(xué)的“數(shù)學(xué)與編程融合”課程也是一個(gè)成功的案例。該課程將數(shù)學(xué)知識(shí)與編程教學(xué)緊密結(jié)合，旨在通過編程實(shí)踐加深學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)概念的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。在課程設(shè)計(jì)上，教師根據(jù)小學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，選擇與之相關(guān)的編程主題。在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)中的圖形面積計(jì)算時(shí)，教師設(shè)計(jì)了一個(gè)編程項(xiàng)目，讓學(xué)生運(yùn)用編程知識(shí)繪制不同形狀的圖形，并計(jì)算其面積。學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)中的幾何知識(shí)，確定圖形的邊長(zhǎng)、角度等參數(shù)，然后運(yùn)用編程知識(shí)，如Scratch中的繪圖模塊，繪制出相應(yīng)的圖形，并通過編寫程序計(jì)算圖形的面積。在實(shí)施過程中，教師采用探究式學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生自主探究和解決問題。教師首先提出問題，如如何用編程繪制一個(gè)正方形，并計(jì)算其面積。學(xué)生在思考問題的過程中，需要回顧數(shù)學(xué)中的正方形定義和面積計(jì)算公式，然后嘗試運(yùn)用編程知識(shí)實(shí)現(xiàn)。在探究過程中，學(xué)生可能會(huì)遇到各種問題，如編程語(yǔ)法錯(cuò)誤、圖形繪制不準(zhǔn)確等。教師鼓勵(lì)學(xué)生自主查閱資料、嘗試不同的方法解決問題，必要時(shí)給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。學(xué)生通過不斷地嘗試和調(diào)試，最終成功繪制出正方形并計(jì)算出其面積。在完成基本任務(wù)后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生拓展思維，如如何繪制一個(gè)不規(guī)則圖形，并計(jì)算其面積。學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)中的分割法、填補(bǔ)法等方法，將不規(guī)則圖形轉(zhuǎn)化為規(guī)則圖形，然后再運(yùn)用編程知識(shí)實(shí)現(xiàn)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的計(jì)算思維能力得到了有效培養(yǎng)。在編程過程中，學(xué)生需要將數(shù)學(xué)問題轉(zhuǎn)化為編程問題，運(yùn)用算法設(shè)計(jì)和邏輯思維編寫程序。在繪制三角形并計(jì)算其面積時(shí)，學(xué)生需要根據(jù)三角形的底和高，設(shè)計(jì)出計(jì)算面積的算法，并運(yùn)用編程語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。這一過程鍛煉了學(xué)生的問題抽象和算法設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，通過不斷地調(diào)試程序，學(xué)生學(xué)會(huì)了如何分析和解決問題，提高了問題解決能力和批判性思維能力。學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的理解也更加深入，他們能夠?qū)⒊橄蟮臄?shù)學(xué)概念通過編程直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣和自信心。3.3經(jīng)驗(yàn)借鑒與啟示國(guó)外在通過STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維方面的實(shí)踐，為我國(guó)提供了多方面的經(jīng)驗(yàn)借鑒與啟示。在課程設(shè)計(jì)方面，國(guó)外強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)整合到課程內(nèi)容中，以真實(shí)問題為導(dǎo)向，使學(xué)生在解決問題的過程中綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)計(jì)算思維。我國(guó)在課程設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)打破學(xué)科界限，開發(fā)綜合性的STEM課程。在設(shè)計(jì)“智能環(huán)保家園”的課程項(xiàng)目時(shí)，融入科學(xué)中的環(huán)境科學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生了解環(huán)境污染的原因和危害；結(jié)合技術(shù)中的傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制；運(yùn)用工程思維進(jìn)行家園的布局和設(shè)計(jì)；借助數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。通過這樣的課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在實(shí)踐中體會(huì)多學(xué)科知識(shí)的相互關(guān)聯(lián)，提升計(jì)算思維能力。同時(shí)，要注重課程內(nèi)容的趣味性和實(shí)用性，根據(jù)小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和興趣愛好，選擇貼近生活的主題和案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。多樣化的教學(xué)方法是國(guó)外STEM課程的一大特色，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等方法的運(yùn)用，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維。我國(guó)教師在教學(xué)中，也應(yīng)積極采用這些教學(xué)方法。在“橋梁設(shè)計(jì)與建造”的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行項(xiàng)目研究。學(xué)生在小組中分工合作，進(jìn)行資料收集、設(shè)計(jì)方案、模型制作等工作。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要自主探究橋梁的結(jié)構(gòu)、材料選擇、力學(xué)原理等知識(shí)，運(yùn)用計(jì)算思維解決實(shí)際問題，如如何優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)以承受更大的重量、如何合理分配材料以降低成本等。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅掌握了知識(shí)和技能，還提高了團(tuán)隊(duì)合作能力和計(jì)算思維能力。探究式學(xué)習(xí)中，教師可以創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生通過觀察、實(shí)驗(yàn)、分析等方式自主探究問題的答案，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和計(jì)算思維。師資培養(yǎng)是保障STEM課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。國(guó)外重視教師的專業(yè)發(fā)展，通過各種培訓(xùn)和研討活動(dòng)，提高教師的跨學(xué)科教學(xué)能力和計(jì)算思維教學(xué)能力。我國(guó)也應(yīng)加強(qiáng)教師培訓(xùn)體系建設(shè)，定期組織教師參加STEM課程培訓(xùn)，邀請(qǐng)專家進(jìn)行講座和指導(dǎo)，讓教師了解最新的教育理念和教學(xué)方法。開展教師之間的交流與合作，分享教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)資源，共同提高教學(xué)水平。鼓勵(lì)教師參與教學(xué)研究，探索適合我國(guó)小學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)方法和教學(xué)模式。國(guó)外在STEM課程實(shí)施過程中，充分利用各種資源，如企業(yè)資源、社區(qū)資源等，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和實(shí)踐平臺(tái)。我國(guó)可以借鑒這一經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)校與企業(yè)、社區(qū)的合作。與科技企業(yè)合作，開展科普講座、參觀企業(yè)研發(fā)中心等活動(dòng)，讓學(xué)生了解科技前沿知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用；與社區(qū)合作，開展社會(huì)實(shí)踐項(xiàng)目，如社區(qū)環(huán)境調(diào)查與改善等，讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中。利用網(wǎng)絡(luò)資源，開發(fā)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資料和互動(dòng)交流的機(jī)會(huì)。通過整合各種資源，為小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)創(chuàng)造更好的條件。四、本土探索：國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀的全景透視4.1國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程回溯我國(guó)STEM教育的引入與發(fā)展，是在國(guó)際教育改革浪潮的推動(dòng)下逐步展開的。20世紀(jì)80年代初期，中國(guó)開始關(guān)注STEM教育，彼時(shí)主要聚焦于中小學(xué)的科學(xué)教育領(lǐng)域，學(xué)校逐漸引入STEM教育理念，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。隨著對(duì)教育創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的重視程度不斷提高，2000年至2010年期間，中國(guó)政府大力支持STEM教育，將其作為學(xué)校教育的關(guān)鍵組成部分，提出了“素質(zhì)教育”“創(chuàng)新教育”等政策。在這一時(shí)期，學(xué)校愈發(fā)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，開設(shè)了更多與STEM相關(guān)的課程，為學(xué)生提供了更多接觸跨學(xué)科知識(shí)的機(jī)會(huì)。2010年至今，我國(guó)STEM教育迎來(lái)了快速發(fā)展的黃金時(shí)期。政府、學(xué)校和企業(yè)紛紛加大投入，推出一系列政策和項(xiàng)目。2015年，教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中提出要“努力積極探索STEAM教育以及創(chuàng)客教育等新教育模式”。2016年，《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出，有條件的地區(qū)要積極研究信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育”等新教育模式中的應(yīng)用，以提高學(xué)生綜合信息素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)。中國(guó)教育科學(xué)研究院在2018年發(fā)布《中國(guó)STEM教育白皮書》，強(qiáng)調(diào)STEM教育在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)方面的重要戰(zhàn)略地位。同年11月推出《中國(guó)STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，明確提出要在新中國(guó)成立一百周年時(shí)，將中國(guó)建成創(chuàng)新型國(guó)家，STEM教育將成為教育創(chuàng)新的重要抓手。在計(jì)算思維培養(yǎng)的政策支持方面，2017年，計(jì)算思維首次作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)被寫入課程標(biāo)準(zhǔn)。2022年，教育部頒布新版義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，將原“信息技術(shù)”學(xué)科更名為“信息科技”，將計(jì)算思維與信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)、信息社會(huì)責(zé)任并列為課程核心素養(yǎng)，納入十二類國(guó)家課程之中。這一系列政策的出臺(tái)，為在STEM課程中培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維提供了有力的政策依據(jù)和指導(dǎo)方向。在課程建設(shè)方面，國(guó)內(nèi)許多學(xué)校積極探索STEM課程的開發(fā)與實(shí)施。一些學(xué)校自主研發(fā)STEM課程，結(jié)合當(dāng)?shù)靥厣蛯W(xué)生需求，設(shè)計(jì)了具有本校特色的課程內(nèi)容。深圳某小學(xué)開發(fā)了“創(chuàng)意機(jī)器人”STEM課程，將機(jī)器人技術(shù)與編程、數(shù)學(xué)、科學(xué)等知識(shí)相結(jié)合，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生在實(shí)踐中培養(yǎng)計(jì)算思維和創(chuàng)新能力。越來(lái)越多的學(xué)校引入了外部?jī)?yōu)質(zhì)的STEM課程資源，如一些教育科技公司開發(fā)的在線STEM課程平臺(tái)，為學(xué)生提供了豐富多樣的課程選擇。在教學(xué)實(shí)踐方面，教師們不斷嘗試新的教學(xué)方法和手段，以促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等教學(xué)方法在STEM課堂中得到廣泛應(yīng)用。上海某小學(xué)在“橋梁設(shè)計(jì)”的STEM課程中，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生分組完成橋梁設(shè)計(jì)與搭建的任務(wù)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生需要運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)、材料、承重等問題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，通過不斷地嘗試和優(yōu)化，最終完成符合要求的橋梁模型。教師還利用信息技術(shù)手段，如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等，為學(xué)生創(chuàng)造更加真實(shí)、生動(dòng)的學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。4.2現(xiàn)狀調(diào)查與問題洞察為全面了解國(guó)內(nèi)通過STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的現(xiàn)狀，本研究綜合運(yùn)用問卷、訪談和課堂觀察等多種調(diào)查方法，對(duì)多所小學(xué)進(jìn)行了深入調(diào)研。在問卷調(diào)查方面，針對(duì)教師和學(xué)生分別設(shè)計(jì)了具有針對(duì)性的問卷。教師問卷主要圍繞教師對(duì)STEM課程和計(jì)算思維的認(rèn)知、教學(xué)實(shí)踐情況、教學(xué)中遇到的困難等方面展開。通過對(duì)回收的[X]份有效教師問卷分析發(fā)現(xiàn)，大部分教師對(duì)STEM課程和計(jì)算思維的理念有一定了解，但在實(shí)際教學(xué)中，仍存在一些問題。僅有[X]%的教師表示能夠系統(tǒng)地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入STEM課程教學(xué)中，其余教師在教學(xué)中對(duì)計(jì)算思維的滲透較為零散，缺乏系統(tǒng)性和連貫性。在課程內(nèi)容方面，超過[X]%的教師認(rèn)為現(xiàn)有STEM課程內(nèi)容與實(shí)際生活聯(lián)系不夠緊密，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。學(xué)生問卷則重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)STEM課程的興趣、學(xué)習(xí)體驗(yàn)以及在課程中計(jì)算思維能力的發(fā)展感受等?；厥盏腫X]份有效學(xué)生問卷顯示，約[X]%的學(xué)生對(duì)STEM課程表現(xiàn)出較高的興趣，但在課程學(xué)習(xí)過程中，僅有[X]%的學(xué)生能夠清晰地意識(shí)到自己計(jì)算思維能力的提升。這表明在教學(xué)過程中，教師對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力發(fā)展的引導(dǎo)和反饋還不夠明確，學(xué)生對(duì)自身能力的發(fā)展缺乏清晰的認(rèn)知。訪談法主要針對(duì)學(xué)校管理人員、教師和部分學(xué)生進(jìn)行。與學(xué)校管理人員的訪談中發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)校在STEM課程推進(jìn)過程中面臨著諸多困難。課程體系不完善是一個(gè)突出問題，缺乏統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)和教材，導(dǎo)致學(xué)校在課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容選擇上存在較大的隨意性。學(xué)校在師資配備和資源投入方面也存在不足，難以滿足STEM課程教學(xué)的需求。對(duì)教師的訪談進(jìn)一步印證了問卷調(diào)查的結(jié)果，教師們普遍反映在教學(xué)中缺乏有效的教學(xué)方法和策略，難以引導(dǎo)學(xué)生將多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。同時(shí)，教師自身的跨學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備不足，也限制了他們?cè)赟TEM課程教學(xué)中的發(fā)揮。與學(xué)生的訪談中，學(xué)生們表示希望在STEM課程中能夠有更多的自主探究和實(shí)踐機(jī)會(huì)，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，提高自己的能力。課堂觀察選取了不同地區(qū)的多所小學(xué)的STEM課堂，觀察教師的教學(xué)過程和學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。在觀察過程中發(fā)現(xiàn)，部分教師在教學(xué)方法上仍然較為傳統(tǒng)，以講授式教學(xué)為主，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，缺乏主動(dòng)思考和探究的機(jī)會(huì)。在“電路設(shè)計(jì)”的STEM課程中，教師直接講解電路原理和設(shè)計(jì)方法，然后讓學(xué)生按照給定的步驟進(jìn)行電路搭建，學(xué)生在這個(gè)過程中只是機(jī)械地操作，沒有真正理解電路設(shè)計(jì)背后的計(jì)算思維和工程思維。在小組合作學(xué)習(xí)中，也存在一些問題，部分小組分工不合理，導(dǎo)致部分學(xué)生參與度不高，無(wú)法充分發(fā)揮小組合作學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)。綜合以上調(diào)查結(jié)果分析，國(guó)內(nèi)在通過STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維方面存在以下問題：課程體系不完善，缺乏統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)和教材，課程內(nèi)容與實(shí)際生活聯(lián)系不夠緊密；教學(xué)方法傳統(tǒng)，以講授式教學(xué)為主，學(xué)生主動(dòng)參與度低，小組合作學(xué)習(xí)效果不佳；師資短缺，教師跨學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備不足，缺乏有效的教學(xué)方法和策略；資源不足，學(xué)校在STEM課程教學(xué)所需的設(shè)備、場(chǎng)地和資金等方面投入不夠，難以滿足教學(xué)需求。這些問題嚴(yán)重制約了STEM課程在培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維方面的效果，需要采取有效措施加以解決。4.3國(guó)內(nèi)優(yōu)秀案例展示北京某小學(xué)的“機(jī)器人編程”課程是國(guó)內(nèi)STEM課程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的優(yōu)秀典范。該課程目標(biāo)明確，旨在通過機(jī)器人編程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)上，充分考慮小學(xué)生的認(rèn)知水平和興趣特點(diǎn)，分為基礎(chǔ)編程、傳感器應(yīng)用和創(chuàng)意項(xiàng)目三個(gè)階段。在基礎(chǔ)編程階段，學(xué)生學(xué)習(xí)Scratch圖形化編程，了解編程的基本概念和方法，如順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等。在這個(gè)階段，通過簡(jiǎn)單的動(dòng)畫制作、小游戲開發(fā)等任務(wù)，讓學(xué)生初步掌握編程的基本技能，學(xué)會(huì)將一個(gè)任務(wù)分解為具體的步驟，培養(yǎng)問題分解能力。在傳感器應(yīng)用階段，學(xué)生學(xué)習(xí)各種傳感器的原理和使用方法，如紅外傳感器、超聲波傳感器等，并將傳感器與編程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能控制。在學(xué)習(xí)紅外傳感器時(shí)，學(xué)生通過編程讓機(jī)器人能夠檢測(cè)到前方的障礙物并自動(dòng)避開，這需要學(xué)生運(yùn)用抽象思維，將實(shí)際的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為編程中的條件判斷，培養(yǎng)抽象思維能力。在創(chuàng)意項(xiàng)目階段，學(xué)生根據(jù)自己的興趣和想法，自主設(shè)計(jì)和完成一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目，如智能垃圾分類機(jī)器人、智能家居控制系統(tǒng)等。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、算法設(shè)計(jì)、程序編寫和調(diào)試優(yōu)化，全面提升計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力。課程實(shí)施過程中，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式。教師根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)一系列有趣的項(xiàng)目，如“機(jī)器人足球比賽”“機(jī)器人尋寶”等，將學(xué)生分成小組，每個(gè)小組負(fù)責(zé)完成一個(gè)項(xiàng)目。在小組合作中，學(xué)生們分工明確，有的負(fù)責(zé)硬件搭建，有的負(fù)責(zé)編程設(shè)計(jì)，有的負(fù)責(zé)測(cè)試優(yōu)化。在“機(jī)器人足球比賽”項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)硬件搭建的學(xué)生需要運(yùn)用工程知識(shí)，設(shè)計(jì)和搭建一個(gè)靈活穩(wěn)定的機(jī)器人底盤；負(fù)責(zé)編程設(shè)計(jì)的學(xué)生則需要運(yùn)用計(jì)算思維，編寫程序控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、射門等動(dòng)作；負(fù)責(zé)測(cè)試優(yōu)化的學(xué)生要對(duì)機(jī)器人的性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出改進(jìn)方案，不斷優(yōu)化機(jī)器人的表現(xiàn)。在整個(gè)過程中，教師發(fā)揮引導(dǎo)作用，適時(shí)提供指導(dǎo)和幫助，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索和解決問題。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的計(jì)算思維能力得到了顯著提升。在課程結(jié)束后的測(cè)試中，學(xué)生在問題分解、算法設(shè)計(jì)、抽象建模等方面的能力得分明顯提高。學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問題時(shí)，能夠運(yùn)用所學(xué)的計(jì)算思維方法，將問題分解為可解決的子問題，并設(shè)計(jì)出合理的解決方案。許多學(xué)生在參加各類機(jī)器人競(jìng)賽中取得了優(yōu)異成績(jī)，充分展示了他們?cè)谟?jì)算思維和創(chuàng)新能力方面的提升。上海某小學(xué)的“綠色校園設(shè)計(jì)”項(xiàng)目同樣具有借鑒意義。該項(xiàng)目以創(chuàng)建綠色校園為主題，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)施一系列環(huán)保措施，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和社會(huì)責(zé)任感。課程目標(biāo)圍繞知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度展開。在知識(shí)與技能方面，學(xué)生要了解環(huán)保知識(shí)、工程設(shè)計(jì)原理和數(shù)學(xué)建模方法；在過程與方法方面，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和計(jì)算思維能力；在情感態(tài)度與價(jià)值觀方面，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。在課程內(nèi)容方面，涵蓋了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?？茖W(xué)知識(shí)方面，學(xué)生學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)、能源利用、環(huán)境污染等知識(shí)；技術(shù)應(yīng)用上，學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)制作環(huán)保設(shè)施模型，利用數(shù)據(jù)分析軟件監(jiān)測(cè)校園環(huán)境數(shù)據(jù)；工程設(shè)計(jì)方面，學(xué)生設(shè)計(jì)校園雨水收集系統(tǒng)、垃圾分類處理方案等；數(shù)學(xué)知識(shí)用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、模型構(gòu)建和成本效益分析。在設(shè)計(jì)校園雨水收集系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算校園的降雨量、用水量，通過建立數(shù)學(xué)模型確定雨水收集池的大小和位置；運(yùn)用工程知識(shí)設(shè)計(jì)收集系統(tǒng)的管道布局和存儲(chǔ)方式；利用科學(xué)知識(shí)了解雨水凈化和再利用的原理。課程實(shí)施采用探究式學(xué)習(xí)和實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方式。教師首先提出問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和探究。在“如何減少校園能源消耗”的問題引導(dǎo)下，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，收集校園能源使用數(shù)據(jù)，分析能源消耗的主要來(lái)源和原因。學(xué)生們通過觀察校園內(nèi)的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電器設(shè)備等的使用情況，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，找出能源浪費(fèi)的環(huán)節(jié)。然后，學(xué)生們根據(jù)調(diào)研結(jié)果，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)提出解決方案，并進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)節(jié)能照明方案時(shí)，學(xué)生們通過查閱資料、咨詢專家，了解不同類型照明設(shè)備的能耗和性能，運(yùn)用計(jì)算思維設(shè)計(jì)出合理的照明布局和控制方案，通過實(shí)際安裝和測(cè)試，驗(yàn)證方案的可行性和節(jié)能效果。該項(xiàng)目取得了顯著的成果。學(xué)生們不僅掌握了多學(xué)科知識(shí)，還提高了計(jì)算思維能力和實(shí)踐能力。通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)，學(xué)生們學(xué)會(huì)了運(yùn)用計(jì)算思維分析和解決實(shí)際問題，如在優(yōu)化校園垃圾分類處理方案時(shí)，運(yùn)用算法設(shè)計(jì)和邏輯思維，設(shè)計(jì)出更高效的垃圾分類流程和回收利用方案。學(xué)生們的環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感也得到了增強(qiáng)，他們積極參與校園環(huán)保活動(dòng)，將環(huán)保理念傳播給身邊的人。學(xué)校的校園環(huán)境得到了明顯改善，能源消耗降低，垃圾分類更加規(guī)范，形成了良好的綠色校園文化。五、教學(xué)設(shè)計(jì)：關(guān)鍵要素與創(chuàng)新策略5.1設(shè)計(jì)原則與思路在設(shè)計(jì)促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程時(shí)，需秉持一系列科學(xué)合理的原則，以確保課程的有效性和針對(duì)性。以學(xué)生為中心是首要原則，充分尊重學(xué)生的主體地位，關(guān)注學(xué)生的興趣愛好、認(rèn)知水平和個(gè)體差異。根據(jù)小學(xué)生好奇心強(qiáng)、好動(dòng)的特點(diǎn)，選擇趣味性強(qiáng)、貼近生活的課程主題，如“我的智能小書桌”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和支持，滿足每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。跨學(xué)科融合原則強(qiáng)調(diào)打破學(xué)科界限，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)有機(jī)整合。在“環(huán)保小衛(wèi)士”課程中，融合科學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生了解環(huán)境污染的原因和危害；運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，如統(tǒng)計(jì)校園垃圾的種類和數(shù)量；借助技術(shù)手段，如使用傳感器監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量；運(yùn)用工程思維設(shè)計(jì)環(huán)保方案，如設(shè)計(jì)校園垃圾分類回收系統(tǒng)。通過這樣的跨學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問題的能力，提升計(jì)算思維。情境性原則注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)、具體的問題情境，讓學(xué)生在情境中感受問題的存在，激發(fā)他們解決問題的欲望。在“校園運(yùn)動(dòng)會(huì)籌備”課程中，創(chuàng)設(shè)校園運(yùn)動(dòng)會(huì)籌備的情境，讓學(xué)生面臨如何合理安排比賽項(xiàng)目、規(guī)劃場(chǎng)地、統(tǒng)計(jì)參賽人數(shù)等實(shí)際問題。在解決這些問題的過程中，學(xué)生需要運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行分析和規(guī)劃，如運(yùn)用算法設(shè)計(jì)比賽日程表，通過抽象將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，從而提高計(jì)算思維能力。實(shí)踐性原則突出學(xué)生的親身參與和實(shí)踐操作，讓學(xué)生在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握。在“小小發(fā)明家”課程中，讓學(xué)生親自動(dòng)手制作小發(fā)明，如簡(jiǎn)易的太陽(yáng)能風(fēng)扇。在制作過程中，學(xué)生需要運(yùn)用科學(xué)知識(shí)了解太陽(yáng)能的原理，運(yùn)用技術(shù)手段選擇合適的材料和工具，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行尺寸計(jì)算和性能優(yōu)化，通過不斷地實(shí)踐和嘗試，培養(yǎng)問題解決能力和計(jì)算思維。開放性原則鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新、自由探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和批判性思維。在課程設(shè)計(jì)中，設(shè)置開放性的問題和任務(wù)，如“設(shè)計(jì)一個(gè)未來(lái)的智能社區(qū)”，不限制學(xué)生的思維和方法，讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。在評(píng)價(jià)學(xué)生的作品和成果時(shí)，注重過程性評(píng)價(jià)和多元化評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生提出獨(dú)特的見解和想法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和計(jì)算思維。基于以上原則，課程設(shè)計(jì)思路主要圍繞項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、問題解決和探究式學(xué)習(xí)展開。以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為載體，將課程內(nèi)容分解為一個(gè)個(gè)具體的項(xiàng)目，如“智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和技能，培養(yǎng)計(jì)算思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，以問題解決為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題。當(dāng)學(xué)生在設(shè)計(jì)智能農(nóng)場(chǎng)的灌溉系統(tǒng)時(shí)，會(huì)遇到如何根據(jù)農(nóng)作物的需求合理控制水量、如何選擇合適的灌溉設(shè)備等問題。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維，將問題分解為多個(gè)子問題，如分析農(nóng)作物的需水規(guī)律、計(jì)算灌溉水量、比較不同灌溉設(shè)備的性能等，然后針對(duì)每個(gè)子問題進(jìn)行研究和解決。探究式學(xué)習(xí)貫穿課程始終，教師創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，讓學(xué)生自主探究、合作交流。在“聲音的奧秘”課程中，教師提出問題：“如何讓聲音傳播得更遠(yuǎn)？”學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究、查閱資料等方式，自主探索聲音傳播的原理和影響因素，如聲音的頻率、振幅、傳播介質(zhì)等。在探究過程中，學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，如測(cè)量不同距離的聲音強(qiáng)度，通過數(shù)據(jù)分析得出聲音傳播的規(guī)律，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和計(jì)算思維能力。5.2課程目標(biāo)與內(nèi)容規(guī)劃課程目標(biāo)的設(shè)定圍繞知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度展開，旨在全面培養(yǎng)小學(xué)生的綜合素養(yǎng)，提升他們的計(jì)算思維能力。在知識(shí)與技能目標(biāo)方面，學(xué)生要了解科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科的基本概念和原理，掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。在科學(xué)領(lǐng)域，學(xué)生要認(rèn)識(shí)常見的物理現(xiàn)象、化學(xué)變化和生物特征等；在技術(shù)方面，學(xué)會(huì)使用常見的工具和技術(shù)手段，如3D打印機(jī)、編程軟件等；工程領(lǐng)域，了解簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)流程和方法；數(shù)學(xué)知識(shí)上，掌握基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算、圖形與幾何知識(shí)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法等。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，要能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，如運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，利用編程技能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)。過程與方法目標(biāo)聚焦于學(xué)生計(jì)算思維和問題解決能力的培養(yǎng)。學(xué)生要學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算思維的方法，如問題分解、算法設(shè)計(jì)、抽象建模等，將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為可解決的子問題，并設(shè)計(jì)出有效的解決方案。在面對(duì)“校園節(jié)能改造”的問題時(shí)，學(xué)生能夠運(yùn)用問題分解的方法，將問題分解為照明系統(tǒng)節(jié)能、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、用水系統(tǒng)節(jié)能等子問題。針對(duì)每個(gè)子問題，運(yùn)用抽象建模的方法，建立數(shù)學(xué)模型或物理模型，如建立照明系統(tǒng)的能耗模型，分析不同照明設(shè)備的能耗情況。然后，通過算法設(shè)計(jì)，制定出具體的節(jié)能措施和方案，如優(yōu)化照明系統(tǒng)的控制算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光和定時(shí)開關(guān)等。在這個(gè)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)新思維和批判性思維能力，提高他們的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)注重激發(fā)學(xué)生對(duì)STEM課程的興趣和熱情，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。通過豐富多樣的課程內(nèi)容和有趣的項(xiàng)目活動(dòng)，讓學(xué)生感受到STEM學(xué)科的魅力和實(shí)用性，激發(fā)他們的好奇心和求知欲。在“創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中，學(xué)生通過親手設(shè)計(jì)和制作機(jī)器人，體驗(yàn)到創(chuàng)新的樂趣和成就感，培養(yǎng)他們勇于嘗試、敢于創(chuàng)新的精神。同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)、社會(huì)責(zé)任感和團(tuán)隊(duì)合作精神，讓他們明白科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該服務(wù)于社會(huì)，造福人類。在課程內(nèi)容規(guī)劃上，緊密圍繞STEM學(xué)科領(lǐng)域，以真實(shí)問題或項(xiàng)目為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)具有綜合性和趣味性的課程內(nèi)容。從科學(xué)角度，融入物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識(shí)，讓學(xué)生了解自然科學(xué)的基本原理和規(guī)律。在“自制小火箭”項(xiàng)目中，涉及物理中的力學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生了解火箭發(fā)射的原理和影響因素；化學(xué)方面，了解火箭燃料的化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)原理；生物知識(shí)則可以體現(xiàn)在研究火箭發(fā)射對(duì)環(huán)境和生物的影響等。技術(shù)層面，涵蓋信息技術(shù)、工程技術(shù)等方面的內(nèi)容。學(xué)生學(xué)習(xí)編程技術(shù)，如Scratch圖形化編程，掌握編程的基本概念和方法，能夠運(yùn)用編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫、游戲和智能控制等功能。了解3D打印技術(shù)、激光切割技術(shù)等工程技術(shù)的原理和應(yīng)用，學(xué)會(huì)使用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型制作和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。工程領(lǐng)域，讓學(xué)生參與實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和制作項(xiàng)目，如設(shè)計(jì)和搭建橋梁模型、制作智能家居系統(tǒng)等。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生需要運(yùn)用工程思維，進(jìn)行需求分析、方案設(shè)計(jì)、材料選擇、制作與測(cè)試等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)他們的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。數(shù)學(xué)知識(shí)貫穿整個(gè)課程內(nèi)容，用于數(shù)據(jù)計(jì)算、模型構(gòu)建和問題分析。在“智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”項(xiàng)目中，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集和分析，建立農(nóng)作物生長(zhǎng)與環(huán)境因素的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案。以“智能家居系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，課程內(nèi)容包括：了解智能家居系統(tǒng)的基本概念和組成部分，如智能家電、傳感器、控制器等，這涉及科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)；學(xué)習(xí)傳感器的工作原理和數(shù)據(jù)采集方法，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，如溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算判斷環(huán)境是否適宜；運(yùn)用編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的控制功能，如通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能燈光的自動(dòng)開關(guān)、智能窗簾的定時(shí)控制等，這屬于技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容；從工程角度，設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的布局和安裝方案，考慮設(shè)備的選型、位置擺放和線路連接等問題。通過這樣的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)⒖茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)有機(jī)融合，提升計(jì)算思維能力和綜合素養(yǎng)。5.3教學(xué)方法與策略選擇在促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的STEM課程教學(xué)中，精心選擇教學(xué)方法與策略至關(guān)重要，它們猶如教學(xué)的指南針，引領(lǐng)學(xué)生在知識(shí)的海洋中探索，有效提升計(jì)算思維能力。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性的有力手段。教師圍繞一個(gè)具體的項(xiàng)目主題，如“校園氣象站的設(shè)計(jì)與搭建”，引導(dǎo)學(xué)生以小組形式開展學(xué)習(xí)。在項(xiàng)目啟動(dòng)階段，教師提出問題，如“如何設(shè)計(jì)一個(gè)能夠準(zhǔn)確測(cè)量校園氣象信息的氣象站？”激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望。學(xué)生在小組中分工合作，有的負(fù)責(zé)收集氣象相關(guān)的科學(xué)知識(shí)，了解氣溫、濕度、氣壓等氣象要素的測(cè)量原理；有的運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，確定氣象站的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)處理方法；有的負(fù)責(zé)技術(shù)選型，選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備；還有的運(yùn)用工程思維進(jìn)行氣象站的整體設(shè)計(jì)和搭建。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生需要不斷地運(yùn)用計(jì)算思維解決遇到的問題，如如何優(yōu)化傳感器的布局以提高測(cè)量準(zhǔn)確性，如何設(shè)計(jì)算法對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析等。通過完成項(xiàng)目，學(xué)生不僅能夠?qū)⒍鄬W(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，還能在實(shí)踐中鍛煉計(jì)算思維能力，學(xué)會(huì)運(yùn)用問題分解、算法設(shè)計(jì)、抽象建模等方法解決實(shí)際問題。小組合作學(xué)習(xí)能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通能力，同時(shí)促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展。教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、性格特點(diǎn)等因素進(jìn)行合理分組，確保每個(gè)小組的成員都能在合作中發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)。在“智能交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)”的小組合作學(xué)習(xí)中，小組成員共同分析交通流量的變化規(guī)律，運(yùn)用計(jì)算思維將交通信號(hào)燈的控制問題分解為不同時(shí)間段的信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)設(shè)置、不同路口的信號(hào)燈協(xié)調(diào)等子問題。然后，成員們分別運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算，運(yùn)用編程知識(shí)設(shè)計(jì)信號(hào)燈的控制程序，通過討論和交流，共同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在小組合作過程中，學(xué)生們相互啟發(fā)、相互學(xué)習(xí)，從不同的角度思考問題，拓寬了計(jì)算思維的視野。同時(shí)，通過溝通和協(xié)作，學(xué)生們學(xué)會(huì)了如何表達(dá)自己的想法，傾聽他人的意見，提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通能力。探究式學(xué)習(xí)注重培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和創(chuàng)新思維，與計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)高度契合。教師創(chuàng)設(shè)問題情境，如“如何利用太陽(yáng)能為校園的路燈供電？”引導(dǎo)學(xué)生自主提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。學(xué)生在探究過程中，需要運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)問題進(jìn)行分析和抽象，如將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的問題抽象為能量轉(zhuǎn)換的模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算太陽(yáng)能板的面積和路燈的功率需求，通過實(shí)驗(yàn)探究不同類型太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率。在這個(gè)過程中，學(xué)生不斷地嘗試新的方法和思路，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和計(jì)算思維能力。教師在探究式學(xué)習(xí)中扮演引導(dǎo)者的角色，適時(shí)提供指導(dǎo)和支持，幫助學(xué)生解決遇到的困難，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思和總結(jié)，提高學(xué)生的自主探究能力和問題解決能力。情境教學(xué)法通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)、生動(dòng)的教學(xué)情境，讓學(xué)生在情境中感受問題的存在，激發(fā)學(xué)生解決問題的興趣和動(dòng)力。在“小小建筑師”的情境教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)建造校園圖書館的情境，讓學(xué)生扮演建筑師的角色，面臨如何合理規(guī)劃圖書館的布局、選擇建筑材料、控制建筑成本等實(shí)際問題。學(xué)生在情境中運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行分析和決策，如運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算圖書館的面積和空間布局，運(yùn)用工程知識(shí)選擇合適的建筑材料，通過成本效益分析優(yōu)化建筑方案。通過情境教學(xué)法，學(xué)生能夠更加直觀地理解問題，將抽象的計(jì)算思維概念應(yīng)用到實(shí)際情境中，提高了計(jì)算思維的應(yīng)用能力和解決實(shí)際問題的能力。在教學(xué)過程中，信息技術(shù)作為強(qiáng)大的輔助工具，能夠?yàn)閷W(xué)生提供更加豐富的學(xué)習(xí)資源和更加生動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，助力計(jì)算思維的培養(yǎng)。編程軟件是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要工具，如Scratch圖形化編程軟件，它以簡(jiǎn)單易懂的圖形化模塊代替復(fù)雜的代碼，適合小學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)特點(diǎn)。在“動(dòng)畫制作”的課程中，學(xué)生運(yùn)用Scratch軟件，通過拖拽模塊的方式編寫程序，實(shí)現(xiàn)角色的移動(dòng)、動(dòng)畫效果等。在這個(gè)過程中，學(xué)生學(xué)會(huì)將一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)畫任務(wù)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，如角色的動(dòng)作設(shè)計(jì)、場(chǎng)景的切換、時(shí)間的控制等，運(yùn)用算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體的功能，培養(yǎng)了問題分解和算法設(shè)計(jì)能力。Python等編程語(yǔ)言也可以在高年級(jí)適當(dāng)引入，讓學(xué)生進(jìn)一步深入了解編程的原理和方法，提升計(jì)算思維能力。虛擬仿真工具能夠模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)和場(chǎng)景，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行探索和實(shí)踐，降低實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高學(xué)習(xí)效果。在“物理電路實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生可以使用虛擬電路仿真軟件，如Multisim，在軟件中搭建電路模型，進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以自由地改變電路元件的參數(shù)，觀察電路的變化，分析電路的工作原理。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更加直觀地理解電路的抽象概念，如電流、電壓、電阻等，運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了抽象思維和問題解決能力。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)也可以應(yīng)用于STEM課程教學(xué)中，為學(xué)生創(chuàng)造沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，如在“古代建筑探索”的課程中，學(xué)生通過VR技術(shù)可以身臨其境地感受古代建筑的魅力，了解建筑的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用計(jì)算思維分析建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)和空間布局。5.4教學(xué)過程設(shè)計(jì)以“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述教學(xué)過程，旨在通過實(shí)際項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，提升計(jì)算思維能力。在項(xiàng)目導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師利用多媒體展示當(dāng)前農(nóng)業(yè)種植面臨的挑戰(zhàn)，如水資源浪費(fèi)、病蟲害防治困難、農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境難以精準(zhǔn)控制等，引發(fā)學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)種植方式局限性的思考。播放一些因環(huán)境因素導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)的新聞報(bào)道和紀(jì)錄片片段，讓學(xué)生直觀感受問題的嚴(yán)重性。教師提出問題：“如何運(yùn)用我們所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能種植系統(tǒng)，解決這些問題呢？”激發(fā)學(xué)生的興趣和探究欲望，引導(dǎo)學(xué)生思考智能種植系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，如自動(dòng)澆水、自動(dòng)施肥、環(huán)境監(jiān)測(cè)、病蟲害預(yù)警等。問題分析階段，學(xué)生以小組為單位，對(duì)智能種植系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行深入分析。每個(gè)小組通過頭腦風(fēng)暴，討論實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能所需的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)。在討論自動(dòng)澆水功能時(shí)，學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)，了解植物的需水規(guī)律，不同植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求不同；運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)，計(jì)算出植物每天的需水量，以及根據(jù)土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，確定澆水的時(shí)間和水量。對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，學(xué)生需要了解溫度、濕度、光照等環(huán)境因素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，運(yùn)用傳感器技術(shù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷環(huán)境是否適宜植物生長(zhǎng)。教師在這個(gè)過程中，引導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜的問題分解為一個(gè)個(gè)具體的子問題，如將智能種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題分解為硬件選擇、軟件編程、系統(tǒng)集成等子問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題分解能力。方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，各小組根據(jù)問題分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)智能種植系統(tǒng)的方案。在硬件選擇方面，學(xué)生考慮選擇合適的傳感器，如溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器等，以及執(zhí)行器，如水泵、電磁閥、風(fēng)扇等。他們需要比較不同品牌和型號(hào)的傳感器和執(zhí)行器的性能、價(jià)格，選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品，這涉及到數(shù)學(xué)中的成本效益分析。在軟件編程方面，學(xué)生運(yùn)用編程知識(shí)，設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和對(duì)執(zhí)行器的控制。使用Arduino編程平臺(tái)，編寫程序讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，控制風(fēng)扇或加熱器工作，以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。學(xué)生還需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，考慮各個(gè)部件之間的連接和通信方式，運(yùn)用工程思維進(jìn)行系統(tǒng)集成。教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，提出多種設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。項(xiàng)目實(shí)施是學(xué)生將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)的關(guān)鍵階段。小組成員分工合作，有的負(fù)責(zé)硬件的組裝和調(diào)試，有的負(fù)責(zé)軟件的編寫和測(cè)試。在硬件組裝過程中，學(xué)生需要運(yùn)用工程知識(shí)，正確連接傳感器和執(zhí)行器，確保電路的穩(wěn)定性和安全性。在連接土壤濕度傳感器時(shí)，要注意正負(fù)極的連接，避免短路。軟件編寫過程中，學(xué)生不斷調(diào)試程序，解決出現(xiàn)的各種問題，如傳感器數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、執(zhí)行器控制異常等。學(xué)生發(fā)現(xiàn)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)較大的情況，通過檢查程序和傳感器連接，發(fā)現(xiàn)是程序中的濾波算法存在問題，經(jīng)過修改算法，數(shù)據(jù)變得穩(wěn)定。教師在這個(gè)過程中，提供必要的技術(shù)支持和指導(dǎo)，幫助學(xué)生解決遇到的困難。成果展示階段，各小組展示自己的智能種植系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、功能特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過程。小組通過PPT演示，詳細(xì)介紹了智能種植系統(tǒng)的硬件組成、軟件功能和實(shí)際運(yùn)行效果。他們展示了系統(tǒng)如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)控制澆水、施肥和通風(fēng)等操作。其他小組的學(xué)生和教師進(jìn)行提問和評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)建議。有的小組提出可以增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看種植環(huán)境數(shù)據(jù)和控制設(shè)備運(yùn)行。展示小組對(duì)提出的問題和建議進(jìn)行記錄和思考，為后續(xù)的改進(jìn)提供參考。評(píng)價(jià)反思環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)、小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià)。學(xué)生從問題分析、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施、團(tuán)隊(duì)合作等方面進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，反思自己在項(xiàng)目中的表現(xiàn)和收獲。學(xué)生在自我評(píng)價(jià)中提到，通過這個(gè)項(xiàng)目，自己學(xué)會(huì)了如何將一個(gè)大問題分解為多個(gè)小問題，并逐步解決，計(jì)算思維能力得到了很大提升。小組互評(píng)中，學(xué)生互相評(píng)價(jià)其他小組的項(xiàng)目成果，學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點(diǎn)，指出存在的不足。教師從專業(yè)角度對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，肯定學(xué)生的努力和創(chuàng)新，同時(shí)指出項(xiàng)目中存在的問題和改進(jìn)方向。教師評(píng)價(jià)某個(gè)小組的智能種植系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上比較合理，但在軟件編程方面，代碼的可讀性和可維護(hù)性有待提高。通過評(píng)價(jià)反思，學(xué)生總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，進(jìn)一步完善自己的項(xiàng)目成果，同時(shí)也促進(jìn)了計(jì)算思維能力的提升。六、應(yīng)用實(shí)踐：實(shí)證研究的科學(xué)開展6.1研究設(shè)計(jì)本研究采用實(shí)驗(yàn)研究法，旨在探究基于上述教學(xué)設(shè)計(jì)的STEM課程對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的實(shí)際效果。選取某小學(xué)四、五年級(jí)的學(xué)生作為研究對(duì)象，通過隨機(jī)抽樣的方式，將其分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組各[X]名學(xué)生?；谘芯磕康模岢鲆韵卵芯考僭O(shè)：H1：經(jīng)過一學(xué)期基于設(shè)計(jì)的STEM課程學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的計(jì)算思維能力顯著高于對(duì)照組；H2：在不同性別和年級(jí)的學(xué)生中，基于設(shè)計(jì)的STEM課程對(duì)計(jì)算思維能力的提升效果存在差異。在變量控制方面，本研究將學(xué)生的計(jì)算思維能力設(shè)定為因變量，通過專門設(shè)計(jì)的計(jì)算思維能力測(cè)試量表進(jìn)行測(cè)量。自變量為基于設(shè)計(jì)的STEM課程教學(xué)，實(shí)驗(yàn)組接受基于設(shè)計(jì)的STEM課程教學(xué)，對(duì)照組則按照傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。為確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格控制其他可能影響學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的無(wú)關(guān)變量。在教學(xué)時(shí)間上，保證實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的課程總時(shí)長(zhǎng)相同；教學(xué)環(huán)境方面，確保兩組學(xué)生在相似的教學(xué)設(shè)施、教室氛圍等環(huán)境中學(xué)習(xí)；教師因素上，安排教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)背景相近的教師分別授課，且教師在教學(xué)過程中除教學(xué)方法不同外，對(duì)學(xué)生的關(guān)注度、指導(dǎo)方式等盡量保持一致。本研究使用的研究工具主要包括計(jì)算思維能力測(cè)試量表、學(xué)生調(diào)查問卷和教師訪談提綱。計(jì)算思維能力測(cè)試量表依據(jù)計(jì)算思維的構(gòu)成要素，如問題分解、算法設(shè)計(jì)、抽象建模、評(píng)估優(yōu)化等，結(jié)合小學(xué)生的認(rèn)知水平進(jìn)行編制。量表包含選擇題、簡(jiǎn)答題和實(shí)踐操作題等多種題型，其中選擇題主要考查學(xué)生對(duì)計(jì)算思維基本概念的理解，簡(jiǎn)答題要求學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維分析和解決簡(jiǎn)單問題，實(shí)踐操作題則讓學(xué)生在實(shí)際情境中運(yùn)用計(jì)算思維完成任務(wù)，如設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的編程程序解決實(shí)際問題。量表經(jīng)過多次預(yù)測(cè)試和修訂，具有良好的信度和效度。學(xué)生調(diào)查問卷主要用于了解學(xué)生對(duì)STEM課程的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)體驗(yàn)以及在課程學(xué)習(xí)過程中計(jì)算思維能力的發(fā)展感受等。問卷采用李克特五點(diǎn)量表形式，從“非常不同意”到“非常同意”設(shè)置五個(gè)選項(xiàng)，涵蓋學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的興趣、對(duì)教學(xué)方法的滿意度、對(duì)自身計(jì)算思維能力提升的感知等多個(gè)維度。教師訪談提綱圍繞教師對(duì)STEM課程教學(xué)的實(shí)施情況、教學(xué)過程中遇到的問題、對(duì)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的觀察以及對(duì)課程的建議等方面展開。通過與教師的深入訪談，獲取更全面、深入的教學(xué)信息，為研究結(jié)果的分析和討論提供補(bǔ)充。6.2實(shí)踐過程在某小學(xué)的四、五年級(jí)開展實(shí)踐研究，實(shí)踐周期為一學(xué)期，每周安排2課時(shí)的STEM課程。在課程實(shí)施方面，依據(jù)前文設(shè)計(jì)的教學(xué)過程，以“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目為主要教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生逐步完成項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)。在項(xiàng)目導(dǎo)入階段，教師通過播放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的視頻和圖片，展示傳統(tǒng)種植方式的弊端，引發(fā)學(xué)生對(duì)智能種植系統(tǒng)的興趣和思考。教師還邀請(qǐng)了農(nóng)業(yè)專家到學(xué)校進(jìn)行講座，為學(xué)生講解農(nóng)業(yè)種植的基本知識(shí)和智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，讓學(xué)生對(duì)項(xiàng)目有更深入的了解。問題分析環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度分析智能種植系統(tǒng)的功能需求，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灌溉、自動(dòng)施肥等。教師鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的想法和疑問，并及時(shí)給予指導(dǎo)和解答。為了幫助學(xué)生更好地分析問題，教師還提供了一些相關(guān)的資料和案例，如其他學(xué)校的智能種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題等，讓學(xué)生參考和借鑒。方案設(shè)計(jì)階段，學(xué)生在小組內(nèi)分工合作，運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)智能種植系統(tǒng)的方案。教師為學(xué)生提供了豐富的材料和工具，如傳感器、控制器、電機(jī)、3D打印機(jī)等，讓學(xué)生能夠?qū)⒆约旱脑O(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際的模型。在設(shè)計(jì)過程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，嘗試不同的設(shè)計(jì)思路和方法，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生按照設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行硬件組裝和軟件編程。教師在一旁進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督，及時(shí)幫助學(xué)生解決遇到的問題。為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，教師還組織學(xué)生進(jìn)行小組競(jìng)賽，看哪個(gè)小組能夠最快、最好地完成智能種植系統(tǒng)的制作。在競(jìng)賽過程中，學(xué)生們相互學(xué)習(xí)、相互競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步提高了自己的能力。成果展示階段，各小組展示自己的智能種植系統(tǒng)，并介紹設(shè)計(jì)思路和制作過程。教師組織學(xué)生進(jìn)行投票，評(píng)選出最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、最佳創(chuàng)意獎(jiǎng)、最佳團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)等。在展示過程中，學(xué)生們不僅展示了自己的作品，還分享了自己在項(xiàng)目中的收獲和體會(huì)，進(jìn)一步加深了對(duì)計(jì)算思維的理解和應(yīng)用。在整個(gè)實(shí)踐過程中，教師充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和問題解決進(jìn)度，適時(shí)提供指導(dǎo)和支持。當(dāng)學(xué)生在問題分析階段遇到困難時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用思維導(dǎo)圖等工具，將復(fù)雜問題分解為簡(jiǎn)單的子問題；在方案設(shè)計(jì)階段，教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，提出多種設(shè)計(jì)方案，并引導(dǎo)學(xué)生從可行性、創(chuàng)新性、成本等方面進(jìn)行評(píng)估和選擇。教師還注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，鼓勵(lì)學(xué)生自主查閱資料、嘗試解決問題，當(dāng)學(xué)生無(wú)法自行解決問題時(shí)，教師再給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，積極參與各項(xiàng)活動(dòng)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。在小組合作中，學(xué)生們分工明確、相互協(xié)作，共同完成項(xiàng)目任務(wù)。在“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目中，有的學(xué)生負(fù)責(zé)硬件組裝，有的學(xué)生負(fù)責(zé)軟件編程，有的學(xué)生負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和分析，大家各司其職，共同努力。學(xué)生們?cè)谟龅絾栴}時(shí)，能夠主動(dòng)思考、積極探索，嘗試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題。當(dāng)軟件編程出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，學(xué)生們通過查閱資料、請(qǐng)教老師和同學(xué)等方式，不斷調(diào)試程序，最終解決問題。學(xué)生們還能夠積極分享自己的想法和經(jīng)驗(yàn)，相互學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步。在成果展示階段，學(xué)生們能夠自信地展示自己的作品，清晰地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路和制作過程，充分展示了自己的學(xué)習(xí)成果和能力提升。6.3數(shù)據(jù)收集與分析在實(shí)踐過程中，運(yùn)用多種方法進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)收集，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。計(jì)算思維能力測(cè)試分別在課程實(shí)施前和實(shí)施后進(jìn)行，前測(cè)旨在了解學(xué)生初始的計(jì)算思維水平，后測(cè)則用于評(píng)估學(xué)生在接受STEM課程教學(xué)后的能力變化。測(cè)試嚴(yán)格按照量表的要求進(jìn)行，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生獨(dú)立完成測(cè)試題目。測(cè)試結(jié)束后，對(duì)學(xué)生的答題情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，包括答對(duì)題目數(shù)量、答錯(cuò)題目類型、解題思路等。學(xué)生調(diào)查問卷在課程實(shí)施中期和結(jié)束后各發(fā)放一次。中期問卷主要用于了解學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的體驗(yàn)和感受，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整；后期問卷則重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)自身計(jì)算思維能力提升的評(píng)價(jià)以及對(duì)課程的整體滿意度。問卷發(fā)放過程中，確保學(xué)生理解問卷內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生真實(shí)作答。教師訪談在課程實(shí)施結(jié)束后進(jìn)行，采用面對(duì)面訪談和線上訪談相結(jié)合的方式，方便不同時(shí)間和地點(diǎn)的教師參與。訪談過程中，詳細(xì)記錄教師的觀點(diǎn)和意見，對(duì)于教師提出的問題和建議進(jìn)行深入探討。課堂觀察則貫穿課程實(shí)施的全過程，由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的觀察員負(fù)責(zé)。觀察員按照預(yù)先制定的觀察量表，對(duì)教師的教學(xué)方法、學(xué)生的參與度、小組合作情況等進(jìn)行詳細(xì)記錄。在觀察“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目的課堂時(shí)，記錄教師如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題分析，學(xué)生在小組討論中的表現(xiàn)，以及小組合作過程中遇到的問題和解決方式等。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)計(jì)算思維能力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，比較實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生在前后測(cè)中的成績(jī)差異，以驗(yàn)證假設(shè)H1。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在后測(cè)中的成績(jī)顯著高于前測(cè)，且與對(duì)照組后測(cè)成績(jī)相比也有顯著差異，表明基于設(shè)計(jì)的STEM課程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升具有顯著效果。對(duì)學(xué)生調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，了解學(xué)生對(duì)課程的興趣、學(xué)習(xí)體驗(yàn)等方面的情況。通過分析發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生對(duì)STEM課程表現(xiàn)出較高的興趣，認(rèn)為課程內(nèi)容豐富有趣，教學(xué)方法新穎多樣，能夠激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性。在對(duì)課程內(nèi)容的興趣調(diào)查中，超過80%的學(xué)生表示對(duì)“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目非常感興趣或比較感興趣。對(duì)于教師訪談和課堂觀察的數(shù)據(jù)，采用內(nèi)容分析法進(jìn)行分析。從教師訪談中提煉出關(guān)于教學(xué)實(shí)施、學(xué)生表現(xiàn)、課程改進(jìn)等方面的關(guān)鍵信息，從課堂觀察數(shù)據(jù)中總結(jié)出教學(xué)過程中的優(yōu)點(diǎn)和不足。教師普遍認(rèn)為，在“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目教學(xué)中，學(xué)生的參與度較高，但在小組合作中，部分學(xué)生的溝通能力還有待提高。通過課堂觀察發(fā)現(xiàn)，一些小組在項(xiàng)目實(shí)施過程中分工不夠明確，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度受到影響。6.4研究結(jié)果與討論研究結(jié)果表明，基于設(shè)計(jì)的STEM課程對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維能力的提升具有顯著的促進(jìn)作用。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在接受一學(xué)期的STEM課程教學(xué)后，計(jì)算思維能力測(cè)試成績(jī)較對(duì)照組有明顯提高。在問題分解能力方面，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生能夠更加清晰、準(zhǔn)確地將復(fù)雜問題分解為多個(gè)子問題，并找到解決問題的關(guān)鍵步驟。在解決“校園節(jié)能改造”問題時(shí)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生能夠迅速將問題分解為照明系統(tǒng)節(jié)能、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、用水系統(tǒng)節(jié)能等子問題，并針對(duì)每個(gè)子問題提出具體的解決方案，如通過分析照明時(shí)間和亮度需求，提出更換節(jié)能燈具和安裝智能照明控制系統(tǒng)的方案；根據(jù)空調(diào)使用時(shí)間和室內(nèi)溫度要求，設(shè)計(jì)合理的空調(diào)運(yùn)行策略等。這是因?yàn)樵赟TEM課程中，學(xué)生通過參與各種項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，經(jīng)常面臨復(fù)雜的實(shí)際問題，在不斷的實(shí)踐中逐漸掌握了問題分解的方法和技巧，提高了問題分解能力。在算法設(shè)計(jì)能力上，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生表現(xiàn)出更強(qiáng)的邏輯性和創(chuàng)新性。他們能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出更加高效、合理的算法來(lái)解決問題。在“智能種植系統(tǒng)”項(xiàng)目中，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在設(shè)計(jì)自動(dòng)澆水算法時(shí)，考慮到植物的生長(zhǎng)階段、土壤濕度、天氣狀況等多種因素，設(shè)計(jì)出了根據(jù)不同條件自動(dòng)調(diào)整澆水量和澆水時(shí)間的算法，而對(duì)照組學(xué)生的算法相對(duì)簡(jiǎn)單，只考慮了單一的土壤濕度因素。這得益于STEM課程中注重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新思維，通過小組合作、探究式學(xué)習(xí)等方式，激發(fā)學(xué)生的思維活力，讓學(xué)生在解決問題的過程中不斷嘗試新的思路和方法，從而提升了算法設(shè)計(jì)能力。對(duì)于抽象建模能力，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生能夠更好地將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為抽象的數(shù)學(xué)模型或概念模型，運(yùn)用模型來(lái)分析和解決問題。在研究“物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”時(shí)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)，建立物體運(yùn)動(dòng)的速度、時(shí)間和路程的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)模型的分析和計(jì)算，預(yù)測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和狀態(tài)。這是由于STEM課程的跨學(xué)科特性，讓學(xué)生接觸到了多學(xué)科的知識(shí)和方法，學(xué)會(huì)了從不同學(xué)科的角度看待問題，從而能夠更靈活地運(yùn)用抽象建模的方法解決問題。在評(píng)估優(yōu)化能力方面，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生能夠?qū)ψ约涸O(shè)計(jì)的方案和解決問題的過程進(jìn)行反思和評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化方案。在“橋梁設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在完成橋梁模型搭建后，能夠從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、承重能力、材料成本等多個(gè)角度對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，如增加橋梁的支撐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料的選擇等，使橋梁模型更加完善。而對(duì)照組學(xué)生在這方面的能力相對(duì)較弱，往往忽視對(duì)方案的評(píng)估和優(yōu)化。這是因?yàn)樵赟TEM課程教學(xué)中，教師注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思和總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從不同角度審視自己的作品和成果，從而提高了評(píng)估優(yōu)化能力。研究結(jié)果還顯示，在不同性別和年級(jí)的學(xué)生中，基于設(shè)計(jì)的STEM課程對(duì)計(jì)算思維能力的提升效果存在一定差異。在性別方面，男生在算法設(shè)計(jì)和抽象建模能力上的提升幅度相對(duì)較大，女生在問題分解和評(píng)估優(yōu)化能力上的提升更為明顯。這可能與男女生的思維特點(diǎn)和興趣愛好有關(guān)。男生通常對(duì)技術(shù)和數(shù)學(xué)更感興趣，在算法設(shè)計(jì)和抽象建模等涉及較多邏輯思維和數(shù)學(xué)知識(shí)的方面，表現(xiàn)出更強(qiáng)的學(xué)習(xí)動(dòng)力和能力提升；女生則更注重細(xì)節(jié)和整體的協(xié)調(diào)性，在問題分解和評(píng)估優(yōu)化方面更具優(yōu)勢(shì)。在年級(jí)方面，五年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力提升幅度相對(duì)大于四年級(jí)學(xué)生。這可能是因?yàn)槲迥昙?jí)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和認(rèn)知能力相對(duì)更豐富，能夠更好地理解和應(yīng)用STEM課程中的知識(shí)和方法，從而在計(jì)算思維能力的提升上更為顯著。通過學(xué)生調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)可以看出，大部分學(xué)生對(duì)STEM課程表現(xiàn)出較高的興趣。課程內(nèi)容的趣味性和實(shí)踐性是吸引學(xué)生的主要因素，學(xué)生們認(rèn)為在STEM課程中能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題的解決中，體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂趣和成就感。在