以STEM課程為翼，助力小學生計算思維起飛一、引言1.1研究背景與動因在信息技術飛速發展的當下，社會已全面步入信息時代，數字化技術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。從日常的智能設備使用，到工作中的大數據分析、人工智能應用，計算思維已成為人們適應現代社會不可或缺的關鍵能力。小學生作為未來社會的主力軍，培養他們的計算思維顯得尤為重要。計算思維并非僅僅局限于計算機領域，它涵蓋了運用計算機科學的基本概念去分析問題、設計解決方案以及評估方案效果等一系列思維活動，是一種能夠廣泛應用于解決各類問題的思維方式。擁有良好計算思維的學生，在面對復雜問題時，能夠迅速理清思路，將大問題拆解為若干個小問題，運用合理的方法逐步解決，并且能夠對解決方案進行反思與優化。這種能力不僅有助于他們在數學、科學等學科的學習中取得更好的成績，還能為他們未來在各個領域的發展奠定堅實的基礎，使他們更好地適應信息時代的發展需求。而STEM課程作為一種融合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的跨學科教育模式，為小學生計算思維的培養提供了得天獨厚的土壤。它打破了傳統學科之間的界限，強調知識的綜合運用和實踐操作，讓學生在真實的情境中解決問題。在STEM課程中，學生通過參與各種項目和活動，如設計一個簡單的機器人、搭建一座橋梁模型等，能夠親身體驗到將科學知識、技術手段、工程設計和數學原理相結合的過程。在這個過程中，他們需要運用計算思維對問題進行分析和抽象，將實際問題轉化為可計算的模型，然后設計算法并編寫程序來實現解決方案，最后對結果進行評估和優化。這種學習方式與計算思維的培養高度契合，能夠有效地激發學生的學習興趣和創造力，提升他們的計算思維能力。因此，開展促進小學生計算思維發展的STEM課程教學設計與應用研究具有重要的現實意義和理論價值。1.2研究價值與意義在當今數字化時代，計算思維已成為個體適應社會發展的必備能力。對于小學生而言，培養計算思維對其個人成長具有深遠影響。從認知發展角度來看，計算思維的培養有助于小學生優化思維方式，提升邏輯思維、抽象思維和問題解決能力。在面對數學問題時，他們能夠運用計算思維將復雜問題分解為簡單步驟，找到解題思路；在語文寫作中，也能通過計算思維組織文章結構，使表達更有條理。這種思維能力的提升為小學生未來的學習和發展奠定了堅實基礎，無論是在中學階段應對更復雜的學科知識，還是在大學選擇專業和職業發展道路時，都能讓他們更加從容地面對挑戰，做出更明智的決策。從社會發展層面而言，培養小學生計算思維具有重要的戰略意義。隨著科技的飛速發展，人工智能、大數據、物聯網等新興技術不斷涌現，社會對具備計算思維的創新型人才需求日益增長。小學生作為未來社會的建設者，在小學階段培養他們的計算思維，能夠為國家培養適應未來科技發展的創新人才儲備力量。這些具有計算思維的人才，將在未來的科技創新、經濟發展等領域發揮重要作用，推動社會不斷進步，增強國家在全球競爭中的實力。在教育實踐方面，本研究對促進小學生計算思維發展的STEM課程教學設計與應用進行深入探索，具有重要的實踐指導價值。當前，雖然許多學校已經認識到計算思維培養的重要性，并開展了相關課程，但在實際教學中仍存在諸多問題，如課程內容缺乏系統性、教學方法單一、與實際生活聯系不緊密等。本研究通過構建科學合理的STEM課程教學體系，設計多樣化的教學活動和教學策略，為教師提供具體可操作的教學方案，幫助教師更好地將計算思維培養融入STEM課程教學中，提高教學質量和效果。同時，本研究還關注學生的個體差異，強調個性化教學，滿足不同學生的學習需求，促進全體學生計算思維的發展。從教育理論角度分析，本研究豐富和完善了計算思維培養和STEM教育的理論體系。目前，關于計算思維培養的理論研究雖然取得了一定成果，但在如何將計算思維與STEM課程有效融合方面，仍存在理論與實踐結合不夠緊密的問題。本研究通過深入探討STEM課程與計算思維培養的內在聯系，分析在STEM課程中培養計算思維的影響因素和作用機制，為教育理論的發展提供了新的視角和實證依據，進一步深化了對計算思維培養和STEM教育的認識，為后續相關研究提供了有益的參考和借鑒。1.3研究設計與方法本研究旨在深入探究促進小學生計算思維發展的STEM課程教學設計與應用，采用了多種研究方法，從理論梳理到實踐驗證，逐步推進研究進程。研究初期，運用文獻研究法廣泛收集國內外關于計算思維、STEM課程以及二者融合的相關文獻資料。通過對這些文獻的整理與分析，梳理計算思維和STEM課程的理論基礎，包括其概念內涵、發展歷程、重要特征等，明確計算思維的構成要素以及STEM課程的教育理念和教學模式。同時，分析現有研究中關于計算思維培養和STEM課程實施的成功經驗與存在問題，為本研究提供堅實的理論支撐和研究思路，避免重復勞動，確保研究的創新性和前沿性。在理論研究的基礎上，開展案例研究法。選取多所具有代表性的小學作為研究對象，深入這些學校的STEM課堂，觀察教師的教學過程和學生的學習表現。詳細記錄教學內容、教學方法、教學活動設計以及師生互動情況等，收集豐富的教學案例資料。對這些案例進行深入剖析，分析在不同教學情境下，教師如何通過STEM課程教學設計來培養學生的計算思維，學生在課程學習中計算思維能力的發展變化情況，以及教學過程中遇到的問題和解決方法。通過案例研究，總結出促進小學生計算思維發展的STEM課程教學設計的有效策略和實踐模式，為其他教師提供可借鑒的教學范例。為了全面評估STEM課程對小學生計算思維發展的影響，采用調查研究法。設計針對學生的計算思維能力測試量表，該量表依據計算思維的構成要素和小學生的認知水平進行編制，具有良好的信度和效度。在實施STEM課程前后，分別對參與課程的學生進行測試，對比分析測試數據，了解學生計算思維能力的提升情況。同時，設計學生和教師調查問卷，從學生的學習體驗、興趣態度、學習收獲以及教師的教學感受、教學反思等方面收集數據，全面了解STEM課程的教學效果和存在的問題。此外，還對部分學生和教師進行訪談，深入了解他們在課程實施過程中的想法和建議，進一步豐富研究資料，為研究結論的得出提供更全面的依據。通過綜合運用文獻研究法、案例研究法和調查研究法，本研究從理論和實踐兩個層面深入探討促進小學生計算思維發展的STEM課程教學設計與應用，為推動小學STEM教育的發展和學生計算思維能力的提升提供科學的理論指導和實踐參考。二、理論基石：概念與理論的深度剖析2.1小學生計算思維內涵計算思維這一概念，由美國卡內基?梅隆大學計算機科學系主任周以真教授于2006年3月在《CommunicationsoftheACM》上首次提出，她將其定義為運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。隨著研究的不斷深入，計算思維的內涵也在不斷豐富和拓展。從本質上講，計算思維是一種問題解決的思維過程，它強調運用計算機科學的原理和方法，將復雜問題進行分解、抽象，尋找其中的規律和模式，進而設計出有效的算法和解決方案。對于小學生而言，其計算思維具有獨特的特征。小學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，這使得他們在理解和運用計算思維時，更依賴于具體的事物和情境。在學習編程時，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理解程序的邏輯結構，而對于抽象的代碼編程則較難掌握。小學生計算思維的基礎性體現在，他們正處于計算思維培養的起步階段，主要是對計算思維的基本概念和方法進行初步認識和了解，如簡單的問題分解、順序執行等。此時的培養重點在于激發他們對計算思維的興趣，為今后更深入的學習打下堅實的基礎。計算思維能力并非一蹴而就，而是隨著小學生年齡的增長、知識的積累和學習經驗的增加而逐步發展的。在低年級階段，小學生可能只能進行簡單的問題分解和步驟設計；到了高年級，他們則能夠嘗試進行更復雜的算法設計和系統分析，如設計一個小型的信息管理系統等。這就要求在教學中，教師應根據學生的不同發展階段，設計與之相適應的教學內容和教學活動，以促進他們計算思維的逐步提升。2.2STEM課程的特質與架構STEM課程作為一種獨特的教育模式，具有鮮明的特質。其最顯著的特點在于跨學科性，它打破了科學、技術、工程和數學學科之間的傳統界限，將這些學科的知識和方法有機融合。在設計一個簡單的橋梁模型的STEM課程項目中，學生需要運用科學知識來理解橋梁的力學原理，利用數學知識進行結構計算，借助技術手段選擇合適的材料和工具，運用工程思維進行設計和搭建。這種跨學科的融合，使學生能夠從多個角度看待問題，培養他們綜合運用知識解決實際問題的能力。重實踐也是STEM課程的重要特質。它強調學生通過親身參與實踐活動來獲取知識和技能，注重學生在實踐過程中的體驗和感悟。學生在參與機器人制作的實踐活動中，不僅能夠學習到機器人的相關知識，還能在動手操作過程中鍛煉自己的動手能力、創新能力和問題解決能力。通過實踐，學生能夠將抽象的理論知識轉化為實際的應用，更好地理解和掌握知識。問題解決是STEM課程的核心目標，它通常以真實情境中的問題為導向，激發學生的學習興趣和探究欲望。在面對城市交通擁堵問題時，教師引導學生通過分析問題、提出假設、設計解決方案并進行驗證等一系列過程，運用所學知識解決實際問題。在這個過程中，學生需要不斷地思考、嘗試和創新，從而提高他們的問題解決能力和批判性思維能力。STEM課程的目標具有多元性，旨在培養學生的綜合素養。它不僅關注學生在科學、技術、工程和數學領域的知識和技能的掌握，更注重培養學生的創新思維、問題解決能力、團隊合作精神和溝通能力等。通過STEM課程的學習，學生能夠具備適應未來社會發展所需的關鍵能力，成為具有創新精神和實踐能力的綜合性人才。在內容架構方面，STEM課程圍繞真實問題或項目展開，內容涵蓋多個學科領域。其課程內容的選擇緊密結合生活實際和社會需求，具有很強的實用性和時代性。在“智能家居系統設計”的課程項目中，課程內容可能涉及電子技術、計算機編程、傳感器原理、數學建模等多個學科知識，學生需要綜合運用這些知識來設計和實現一個智能家居系統。這種內容架構方式，使學生能夠在解決實際問題的過程中，將不同學科的知識融會貫通，形成一個完整的知識體系。在教學方法上，STEM課程倡導多樣化的教學方法。項目式學習是其常用的教學方法之一，學生在教師的指導下，以小組合作的形式完成一個具體的項目。在項目實施過程中，學生自主探究、分工協作，共同解決項目中遇到的各種問題，從而培養他們的團隊合作能力和自主學習能力。探究式學習也是STEM課程中常用的方法，教師通過創設問題情境，引導學生提出問題、做出假設、設計實驗、收集數據并得出結論，培養學生的科學探究精神和實踐能力。此外，STEM課程還注重運用信息技術手段，如虛擬現實、增強現實等，為學生提供更加直觀、生動的學習體驗，提高教學效果。2.3兩者的內在聯系從理論層面深入剖析，STEM課程與計算思維培養在諸多方面存在著緊密的內在聯系，二者相互交融、相輔相成。STEM課程的跨學科特性與計算思維的綜合性高度契合。計算思維并非孤立存在，它在解決問題時需要綜合運用多方面的知識和技能。在STEM課程中，學生需要整合科學、技術、工程和數學等多學科知識來完成項目或解決問題，這一過程恰恰為計算思維的培養提供了廣闊的空間。在設計一個小型風力發電裝置的STEM項目中，學生首先要運用科學知識了解風力發電的原理，明確風能轉化為電能的過程和條件；利用數學知識進行相關的計算，如風力大小與發電量的關系、裝置的結構尺寸計算等；借助技術手段選擇合適的材料和工具，如電機、葉片材料的選擇，以及使用3D打印技術制作零部件等；運用工程思維進行整體設計和優化，考慮裝置的穩定性、效率等因素。在這個過程中，學生需要將不同學科的知識進行融合和運用，不斷地進行分析、抽象、設計和優化，這與計算思維所強調的運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計的過程完全一致。通過這樣的跨學科實踐，學生能夠逐漸形成綜合性的思維方式，提高運用計算思維解決復雜問題的能力。問題解決是STEM課程和計算思維培養的核心目標。STEM課程通常以真實情境中的問題為導向，引導學生通過一系列的探究和實踐活動來解決問題。在這個過程中，學生需要運用計算思維的方法，如問題分解、算法設計、抽象建模等，將復雜的問題轉化為可解決的子問題，并設計出有效的解決方案。當學生面臨如何提高城市交通效率的問題時，他們首先需要運用計算思維將這個復雜問題分解為多個子問題，如分析交通流量的規律、研究不同交通信號燈的配時方案、探討公共交通與私家車的協同運行等。然后，針對每個子問題進行抽象建模，運用數學和計算機科學的方法設計算法，如利用數學模型預測交通流量，運用算法優化交通信號燈的配時。最后，通過實踐驗證和評估解決方案的有效性，并根據反饋進行優化。在這個過程中，學生的計算思維能力得到了鍛煉和提升，同時也實現了STEM課程解決實際問題的目標。從實踐角度來看，STEM課程為計算思維的培養提供了豐富的實踐平臺。在STEM課程的項目式學習和探究式學習中，學生通過親身參與實踐活動，能夠將抽象的計算思維概念轉化為實際的操作和應用。在機器人編程的STEM課程中，學生需要運用計算思維來編寫程序，控制機器人完成各種任務。他們需要分析任務需求，將其分解為具體的步驟，然后運用編程知識設計算法，通過編寫代碼來實現機器人的動作控制。在這個過程中，學生不僅能夠學習到編程的知識和技能，更重要的是能夠親身體驗計算思維在解決實際問題中的應用，從而加深對計算思維的理解和掌握。此外，STEM課程中的團隊合作和交流互動也有助于計算思維的培養。在團隊合作中，學生需要與同伴進行溝通、協作，共同解決問題。在這個過程中，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驗，拓寬自己的思維視野。學生在討論如何設計一個環保型的智能家居系統時，團隊成員可能會提出不同的想法和方案，通過交流和討論，學生能夠對問題有更全面的認識，學會從多種方案中選擇最優解，這有助于培養他們的批判性思維和計算思維中的評估能力。同時，在交流互動中，學生還需要清晰地表達自己的思路和想法，這也有助于提高他們的邏輯思維和表達能力，進一步促進計算思維的發展。三、國際視野：國外經驗的深度審視3.1國外相關實踐掃描美國作為教育創新的前沿陣地，在STEM課程培養小學生計算思維方面做出了諸多努力。2016年發布的《K-12計算機科學框架》，明確將計算思維教育納入其中，并詳細規劃了不同學段的目標和內容。在小學階段，通過豐富多樣的課程內容，引導學生初步認識計算思維的基本概念和方法。在一些小學的STEM課程中，設置了簡單的編程課程，讓學生使用Scratch等圖形化編程工具，通過拖拽模塊的方式編寫程序，實現角色的移動、動畫效果等。在這個過程中，學生學會將一個復雜的任務分解為多個簡單的步驟，如實現一個動畫效果，需要分解為角色的創建、動作的設計、時間的控制等步驟，這正是計算思維中問題分解的體現。同時，學生還需要對每個步驟進行抽象，用編程模塊來表示具體的操作，從而培養抽象思維能力。此外，美國還注重將計算思維與其他學科進行融合，在科學課程中，引導學生運用計算思維分析實驗數據、建立科學模型；在數學課程中，通過編程解決數學問題，讓學生體會數學與計算思維的緊密聯系。英國在STEM課程培養小學生計算思維方面也有著獨特的經驗。英國將計算思維的培養融入到語文、數學、物理等多個學科的學習中。在數學教學中，教師會通過一些實際問題，引導學生運用計算思維進行分析和解決。在解決行程問題時，教師會讓學生運用編程的思想，將問題中的各種條件進行抽象和建模，然后設計算法來求解。學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學模型，如速度、時間和路程的關系，然后運用編程知識編寫程序來計算答案。在語文教學中，通過創意寫作等活動，培養學生的邏輯思維和創新能力，這與計算思維中的邏輯思維和創新思維培養不謀而合。英國還非常重視教師的專業發展，通過開展各種培訓和研討活動，提高教師在計算思維教學方面的能力，確保教師能夠有效地將計算思維培養融入到日常教學中。芬蘭以其獨特的現象教學在教育領域備受關注，在STEM課程培養小學生計算思維方面也有著顯著成效。芬蘭的現象教學強調以真實的生活現象為主題，整合多個學科的知識進行教學。在“城市交通”這一現象教學主題中，學生需要綜合運用科學、技術、工程和數學等多學科知識來解決交通擁堵問題。他們首先運用科學知識了解交通流量的原理和影響因素，利用數學知識進行交通流量的統計和分析，借助技術手段如智能交通系統來監測和管理交通，運用工程思維設計合理的交通規劃和解決方案。在這個過程中，學生需要運用計算思維對復雜的交通問題進行分解和抽象，將其轉化為可解決的子問題，然后設計算法和解決方案。他們會將交通擁堵問題分解為不同時間段的交通流量分析、不同路段的通行能力分析等子問題，然后針對每個子問題進行數據收集和分析，運用算法優化交通信號燈的配時，設計合理的交通路線規劃等。通過這種現象教學，學生不僅能夠學習到多學科的知識，更重要的是能夠在解決實際問題的過程中，有效地培養計算思維能力。3.2典型案例深度剖析以美國某小學的“智能城市規劃”項目為例，該項目圍繞城市交通擁堵問題展開，旨在培養學生運用多學科知識解決實際問題的能力，進而提升計算思維。在課程設計方面，教師引導學生綜合運用科學、技術、工程和數學知識。在科學知識層面，學生需要了解交通流量的基本原理，如不同時間段交通流量的變化規律、影響交通流量的因素等；在技術運用上，學生運用傳感器技術收集交通數據，利用數據分析軟件對收集到的數據進行處理和分析；從工程角度出發，學生設計智能交通系統的初步方案，考慮道路布局、信號燈設置等因素；數學知識則貫穿始終，用于數據統計、模型構建和方案優化。例如，學生通過建立數學模型，運用統計學方法分析交通流量數據，預測不同區域在不同時間段的交通擁堵情況。在實施過程中，教師采用項目式學習方法，將學生分成小組，每個小組負責一個特定的任務，如交通數據收集小組、智能交通系統設計小組等。在交通數據收集小組中，學生運用傳感器技術，在學校周邊的主要道路上收集交通流量、車速等數據。他們需要根據實際情況選擇合適的傳感器安裝位置，確保數據的準確性和代表性。數據收集完成后，學生將數據導入數據分析軟件，運用數學知識對數據進行清洗、整理和分析。智能交通系統設計小組則根據數據分析結果，運用工程思維設計智能交通系統方案。他們需要考慮道路的通行能力、信號燈的配時方案、公共交通與私家車的協同運行等因素，通過多次討論和修改，最終確定最優方案。在整個過程中，教師作為引導者，適時提供指導和支持，幫助學生解決遇到的問題。該項目取得了顯著的效果。通過參與項目，學生不僅掌握了科學、技術、工程和數學等多學科知識，更重要的是，他們的計算思維能力得到了大幅提升。在問題解決過程中，學生學會了將復雜的交通擁堵問題分解為多個子問題，如交通流量分析、信號燈配時優化等，并針對每個子問題運用相應的知識和方法進行解決。在設計智能交通系統方案時，學生需要運用抽象思維，將實際的交通場景轉化為數學模型和工程設計方案。通過不斷地嘗試和優化方案，學生的算法設計和評估能力也得到了鍛煉。學生在項目中還培養了團隊合作精神、溝通能力和創新能力，這些能力的提升為他們未來的學習和生活奠定了堅實的基礎。英國某小學的“數學與編程融合”課程也是一個成功的案例。該課程將數學知識與編程教學緊密結合，旨在通過編程實踐加深學生對數學概念的理解，同時培養學生的計算思維。在課程設計上，教師根據小學數學的教學內容，選擇與之相關的編程主題。在學習數學中的圖形面積計算時，教師設計了一個編程項目，讓學生運用編程知識繪制不同形狀的圖形，并計算其面積。學生需要運用數學中的幾何知識，確定圖形的邊長、角度等參數，然后運用編程知識，如Scratch中的繪圖模塊，繪制出相應的圖形，并通過編寫程序計算圖形的面積。在實施過程中，教師采用探究式學習方法，引導學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正方形，并計算其面積。學生在思考問題的過程中，需要回顧數學中的正方形定義和面積計算公式，然后嘗試運用編程知識實現。在探究過程中，學生可能會遇到各種問題，如編程語法錯誤、圖形繪制不準確等。教師鼓勵學生自主查閱資料、嘗試不同的方法解決問題，必要時給予適當的指導。學生通過不斷地嘗試和調試，最終成功繪制出正方形并計算出其面積。在完成基本任務后，教師進一步引導學生拓展思維，如如何繪制一個不規則圖形，并計算其面積。學生需要運用數學中的分割法、填補法等方法，將不規則圖形轉化為規則圖形，然后再運用編程知識實現。通過該課程的學習，學生的計算思維能力得到了有效培養。在編程過程中，學生需要將數學問題轉化為編程問題，運用算法設計和邏輯思維編寫程序。在繪制三角形并計算其面積時，學生需要根據三角形的底和高，設計出計算面積的算法，并運用編程語句實現。這一過程鍛煉了學生的問題抽象和算法設計能力。同時，通過不斷地調試程序，學生學會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。學生對數學知識的理解也更加深入，他們能夠將抽象的數學概念通過編程直觀地呈現出來，增強了學習數學的興趣和自信心。3.3經驗借鑒與啟示國外在通過STEM課程培養小學生計算思維方面的實踐，為我國提供了多方面的經驗借鑒與啟示。在課程設計方面，國外強調跨學科融合，將科學、技術、工程和數學等多學科知識有機整合到課程內容中，以真實問題為導向，使學生在解決問題的過程中綜合運用多學科知識，培養計算思維。我國在課程設計時，也應打破學科界限，開發綜合性的STEM課程。在設計“智能環保家園”的課程項目時，融入科學中的環境科學知識，讓學生了解環境污染的原因和危害；結合技術中的傳感器技術和物聯網技術，實現對家居環境的監測和控制；運用工程思維進行家園的布局和設計；借助數學知識進行數據統計和分析。通過這樣的課程設計，讓學生在實踐中體會多學科知識的相互關聯，提升計算思維能力。同時，要注重課程內容的趣味性和實用性，根據小學生的認知特點和興趣愛好，選擇貼近生活的主題和案例，激發學生的學習興趣和參與度。多樣化的教學方法是國外STEM課程的一大特色，項目式學習、探究式學習等方法的運用，充分發揮了學生的主體作用，培養了學生的自主學習能力和創新思維。我國教師在教學中，也應積極采用這些教學方法。在“橋梁設計與建造”的項目式學習中，教師提出問題，引導學生分組進行項目研究。學生在小組中分工合作，進行資料收集、設計方案、模型制作等工作。在這個過程中，學生需要自主探究橋梁的結構、材料選擇、力學原理等知識，運用計算思維解決實際問題，如如何優化橋梁結構以承受更大的重量、如何合理分配材料以降低成本等。通過項目式學習，學生不僅掌握了知識和技能，還提高了團隊合作能力和計算思維能力。探究式學習中，教師可以創設問題情境，讓學生通過觀察、實驗、分析等方式自主探究問題的答案，培養學生的探究精神和計算思維。師資培養是保障STEM課程教學質量的關鍵。國外重視教師的專業發展，通過各種培訓和研討活動，提高教師的跨學科教學能力和計算思維教學能力。我國也應加強教師培訓體系建設，定期組織教師參加STEM課程培訓，邀請專家進行講座和指導，讓教師了解最新的教育理念和教學方法。開展教師之間的交流與合作，分享教學經驗和教學資源，共同提高教學水平。鼓勵教師參與教學研究，探索適合我國小學生的計算思維培養方法和教學模式。國外在STEM課程實施過程中，充分利用各種資源，如企業資源、社區資源等，為學生提供豐富的學習機會和實踐平臺。我國可以借鑒這一經驗，加強學校與企業、社區的合作。與科技企業合作，開展科普講座、參觀企業研發中心等活動，讓學生了解科技前沿知識和實際應用；與社區合作，開展社會實踐項目，如社區環境調查與改善等，讓學生將所學知識應用到實際生活中。利用網絡資源，開發在線學習平臺，為學生提供豐富的學習資料和互動交流的機會。通過整合各種資源，為小學生計算思維的培養創造更好的條件。四、本土探索：國內現狀的全景透視4.1國內發展歷程回溯我國STEM教育的引入與發展，是在國際教育改革浪潮的推動下逐步展開的。20世紀80年代初期，中國開始關注STEM教育，彼時主要聚焦于中小學的科學教育領域，學校逐漸引入STEM教育理念，著重培養學生的科學素養和實踐能力。隨著對教育創新和人才培養的重視程度不斷提高，2000年至2010年期間，中國政府大力支持STEM教育，將其作為學校教育的關鍵組成部分，提出了“素質教育”“創新教育”等政策。在這一時期，學校愈發注重培養學生的實踐與創新能力，開設了更多與STEM相關的課程，為學生提供了更多接觸跨學科知識的機會。2010年至今，我國STEM教育迎來了快速發展的黃金時期。政府、學校和企業紛紛加大投入，推出一系列政策和項目。2015年，教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》中提出要“努力積極探索STEAM教育以及創客教育等新教育模式”。2016年，《教育信息化“十三五”規劃》指出，有條件的地區要積極研究信息技術在“眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育”等新教育模式中的應用，以提高學生綜合信息素養、創新思維和創新意識為目標。中國教育科學研究院在2018年發布《中國STEM教育白皮書》，強調STEM教育在培養學生綜合素質方面的重要戰略地位。同年11月推出《中國STEM教育2029創新行動計劃》，明確提出要在新中國成立一百周年時，將中國建成創新型國家，STEM教育將成為教育創新的重要抓手。在計算思維培養的政策支持方面，2017年，計算思維首次作為信息技術學科的核心素養被寫入課程標準。2022年，教育部頒布新版義務教育課程方案和課程標準，將原“信息技術”學科更名為“信息科技”，將計算思維與信息意識、數字化學習、信息社會責任并列為課程核心素養，納入十二類國家課程之中。這一系列政策的出臺，為在STEM課程中培養小學生計算思維提供了有力的政策依據和指導方向。在課程建設方面，國內許多學校積極探索STEM課程的開發與實施。一些學校自主研發STEM課程，結合當地特色和學生需求，設計了具有本校特色的課程內容。深圳某小學開發了“創意機器人”STEM課程，將機器人技術與編程、數學、科學等知識相結合，通過項目式學習的方式，讓學生在實踐中培養計算思維和創新能力。越來越多的學校引入了外部優質的STEM課程資源，如一些教育科技公司開發的在線STEM課程平臺，為學生提供了豐富多樣的課程選擇。在教學實踐方面，教師們不斷嘗試新的教學方法和手段，以促進學生計算思維的發展。項目式學習、探究式學習等教學方法在STEM課堂中得到廣泛應用。上海某小學在“橋梁設計”的STEM課程中，采用項目式學習方法，讓學生分組完成橋梁設計與搭建的任務。在項目實施過程中，學生需要運用計算思維對橋梁的結構、材料、承重等問題進行分析和設計，通過不斷地嘗試和優化，最終完成符合要求的橋梁模型。教師還利用信息技術手段，如虛擬現實、增強現實等，為學生創造更加真實、生動的學習情境，提高學生的學習興趣和參與度。4.2現狀調查與問題洞察為全面了解國內通過STEM課程培養小學生計算思維的現狀，本研究綜合運用問卷、訪談和課堂觀察等多種調查方法，對多所小學進行了深入調研。在問卷調查方面，針對教師和學生分別設計了具有針對性的問卷。教師問卷主要圍繞教師對STEM課程和計算思維的認知、教學實踐情況、教學中遇到的困難等方面展開。通過對回收的[X]份有效教師問卷分析發現，大部分教師對STEM課程和計算思維的理念有一定了解，但在實際教學中，仍存在一些問題。僅有[X]%的教師表示能夠系統地將計算思維培養融入STEM課程教學中，其余教師在教學中對計算思維的滲透較為零散，缺乏系統性和連貫性。在課程內容方面，超過[X]%的教師認為現有STEM課程內容與實際生活聯系不夠緊密，難以激發學生的學習興趣和積極性。學生問卷則重點關注學生對STEM課程的興趣、學習體驗以及在課程中計算思維能力的發展感受等?；厥盏腫X]份有效學生問卷顯示，約[X]%的學生對STEM課程表現出較高的興趣，但在課程學習過程中，僅有[X]%的學生能夠清晰地意識到自己計算思維能力的提升。這表明在教學過程中，教師對學生計算思維能力發展的引導和反饋還不夠明確，學生對自身能力的發展缺乏清晰的認知。訪談法主要針對學校管理人員、教師和部分學生進行。與學校管理人員的訪談中發現，許多學校在STEM課程推進過程中面臨著諸多困難。課程體系不完善是一個突出問題，缺乏統一的課程標準和教材，導致學校在課程設置和教學內容選擇上存在較大的隨意性。學校在師資配備和資源投入方面也存在不足，難以滿足STEM課程教學的需求。對教師的訪談進一步印證了問卷調查的結果，教師們普遍反映在教學中缺乏有效的教學方法和策略，難以引導學生將多學科知識進行融合，培養學生的計算思維。同時，教師自身的跨學科知識儲備不足，也限制了他們在STEM課程教學中的發揮。與學生的訪談中，學生們表示希望在STEM課程中能夠有更多的自主探究和實踐機會，能夠運用所學知識解決實際問題，提高自己的能力。課堂觀察選取了不同地區的多所小學的STEM課堂，觀察教師的教學過程和學生的學習表現。在觀察過程中發現，部分教師在教學方法上仍然較為傳統，以講授式教學為主，學生被動接受知識，缺乏主動思考和探究的機會。在“電路設計”的STEM課程中，教師直接講解電路原理和設計方法，然后讓學生按照給定的步驟進行電路搭建，學生在這個過程中只是機械地操作，沒有真正理解電路設計背后的計算思維和工程思維。在小組合作學習中，也存在一些問題，部分小組分工不合理，導致部分學生參與度不高，無法充分發揮小組合作學習的優勢。綜合以上調查結果分析，國內在通過STEM課程培養小學生計算思維方面存在以下問題：課程體系不完善，缺乏統一的課程標準和教材，課程內容與實際生活聯系不夠緊密；教學方法傳統，以講授式教學為主，學生主動參與度低，小組合作學習效果不佳；師資短缺，教師跨學科知識儲備不足，缺乏有效的教學方法和策略；資源不足，學校在STEM課程教學所需的設備、場地和資金等方面投入不夠，難以滿足教學需求。這些問題嚴重制約了STEM課程在培養小學生計算思維方面的效果，需要采取有效措施加以解決。4.3國內優秀案例展示北京某小學的“機器人編程”課程是國內STEM課程培養小學生計算思維的優秀典范。該課程目標明確，旨在通過機器人編程的學習，培養學生的計算思維、創新能力和實踐動手能力。在課程內容設計上，充分考慮小學生的認知水平和興趣特點，分為基礎編程、傳感器應用和創意項目三個階段。在基礎編程階段，學生學習Scratch圖形化編程，了解編程的基本概念和方法，如順序結構、選擇結構、循環結構等。在這個階段，通過簡單的動畫制作、小游戲開發等任務，讓學生初步掌握編程的基本技能，學會將一個任務分解為具體的步驟，培養問題分解能力。在傳感器應用階段，學生學習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合，實現機器人的智能控制。在學習紅外傳感器時，學生通過編程讓機器人能夠檢測到前方的障礙物并自動避開，這需要學生運用抽象思維，將實際的物理現象轉化為編程中的條件判斷，培養抽象思維能力。在創意項目階段，學生根據自己的興趣和想法，自主設計和完成一個機器人項目，如智能垃圾分類機器人、智能家居控制系統等。在這個過程中，學生需要綜合運用所學知識，進行項目規劃、算法設計、程序編寫和調試優化，全面提升計算思維能力和創新能力。課程實施過程中，采用項目式學習和小組合作學習相結合的方式。教師根據課程內容設計一系列有趣的項目，如“機器人足球比賽”“機器人尋寶”等，將學生分成小組，每個小組負責完成一個項目。在小組合作中，學生們分工明確，有的負責硬件搭建，有的負責編程設計，有的負責測試優化。在“機器人足球比賽”項目中，負責硬件搭建的學生需要運用工程知識，設計和搭建一個靈活穩定的機器人底盤；負責編程設計的學生則需要運用計算思維，編寫程序控制機器人的運動、射門等動作；負責測試優化的學生要對機器人的性能進行測試，根據測試結果提出改進方案，不斷優化機器人的表現。在整個過程中，教師發揮引導作用，適時提供指導和幫助，鼓勵學生自主探索和解決問題。通過該課程的學習，學生的計算思維能力得到了顯著提升。在課程結束后的測試中，學生在問題分解、算法設計、抽象建模等方面的能力得分明顯提高。學生在面對實際問題時，能夠運用所學的計算思維方法，將問題分解為可解決的子問題，并設計出合理的解決方案。許多學生在參加各類機器人競賽中取得了優異成績，充分展示了他們在計算思維和創新能力方面的提升。上海某小學的“綠色校園設計”項目同樣具有借鑒意義。該項目以創建綠色校園為主題，引導學生綜合運用科學、技術、工程和數學知識，設計并實施一系列環保措施，培養學生的計算思維和社會責任感。課程目標圍繞知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度展開。在知識與技能方面，學生要了解環保知識、工程設計原理和數學建模方法；在過程與方法方面，培養學生的問題解決能力、團隊合作能力和計算思維能力；在情感態度與價值觀方面，增強學生的環保意識和社會責任感。在課程內容方面，涵蓋了多個學科領域。科學知識方面，學生學習生態系統、能源利用、環境污染等知識；技術應用上，學生運用3D打印技術制作環保設施模型，利用數據分析軟件監測校園環境數據；工程設計方面，學生設計校園雨水收集系統、垃圾分類處理方案等；數學知識用于數據統計、模型構建和成本效益分析。在設計校園雨水收集系統時，學生需要運用數學知識計算校園的降雨量、用水量，通過建立數學模型確定雨水收集池的大小和位置；運用工程知識設計收集系統的管道布局和存儲方式；利用科學知識了解雨水凈化和再利用的原理。課程實施采用探究式學習和實地調研相結合的方式。教師首先提出問題，引導學生進行思考和探究。在“如何減少校園能源消耗”的問題引導下，學生分組進行實地調研，收集校園能源使用數據，分析能源消耗的主要來源和原因。學生們通過觀察校園內的照明系統、空調系統、電器設備等的使用情況，運用數據分析軟件對收集到的數據進行整理和分析，找出能源浪費的環節。然后，學生們根據調研結果，運用所學知識提出解決方案，并進行實踐驗證。在設計節能照明方案時，學生們通過查閱資料、咨詢專家，了解不同類型照明設備的能耗和性能，運用計算思維設計出合理的照明布局和控制方案，通過實際安裝和測試，驗證方案的可行性和節能效果。該項目取得了顯著的成果。學生們不僅掌握了多學科知識，還提高了計算思維能力和實踐能力。通過項目學習，學生們學會了運用計算思維分析和解決實際問題，如在優化校園垃圾分類處理方案時，運用算法設計和邏輯思維，設計出更高效的垃圾分類流程和回收利用方案。學生們的環保意識和社會責任感也得到了增強，他們積極參與校園環?；顒?，將環保理念傳播給身邊的人。學校的校園環境得到了明顯改善，能源消耗降低，垃圾分類更加規范，形成了良好的綠色校園文化。五、教學設計：關鍵要素與創新策略5.1設計原則與思路在設計促進小學生計算思維發展的STEM課程時，需秉持一系列科學合理的原則，以確保課程的有效性和針對性。以學生為中心是首要原則，充分尊重學生的主體地位，關注學生的興趣愛好、認知水平和個體差異。根據小學生好奇心強、好動的特點，選擇趣味性強、貼近生活的課程主題，如“我的智能小書桌”，激發學生的學習興趣和主動性。在教學過程中，根據學生的不同學習進度和能力，提供個性化的學習指導和支持，滿足每個學生的學習需求?？鐚W科融合原則強調打破學科界限，將科學、技術、工程和數學等學科知識有機整合。在“環保小衛士”課程中，融合科學知識，讓學生了解環境污染的原因和危害；運用數學知識進行數據統計和分析，如統計校園垃圾的種類和數量；借助技術手段，如使用傳感器監測空氣質量；運用工程思維設計環保方案，如設計校園垃圾分類回收系統。通過這樣的跨學科融合，培養學生綜合運用多學科知識解決問題的能力，提升計算思維。情境性原則注重創設真實、具體的問題情境，讓學生在情境中感受問題的存在，激發他們解決問題的欲望。在“校園運動會籌備”課程中，創設校園運動會籌備的情境，讓學生面臨如何合理安排比賽項目、規劃場地、統計參賽人數等實際問題。在解決這些問題的過程中，學生需要運用計算思維進行分析和規劃，如運用算法設計比賽日程表，通過抽象將實際問題轉化為數學模型，從而提高計算思維能力。實踐性原則突出學生的親身參與和實踐操作，讓學生在實踐中積累經驗，加深對知識的理解和掌握。在“小小發明家”課程中，讓學生親自動手制作小發明，如簡易的太陽能風扇。在制作過程中，學生需要運用科學知識了解太陽能的原理，運用技術手段選擇合適的材料和工具，運用數學知識進行尺寸計算和性能優化，通過不斷地實踐和嘗試，培養問題解決能力和計算思維。開放性原則鼓勵學生大膽創新、自由探索，培養學生的創新思維和批判性思維。在課程設計中，設置開放性的問題和任務，如“設計一個未來的智能社區”，不限制學生的思維和方法，讓學生充分發揮想象力和創造力。在評價學生的作品和成果時，注重過程性評價和多元化評價，鼓勵學生提出獨特的見解和想法，培養學生的創新精神和計算思維?；谝陨显瓌t，課程設計思路主要圍繞項目式學習、問題解決和探究式學習展開。以項目式學習為載體，將課程內容分解為一個個具體的項目，如“智能農場設計”項目，讓學生在完成項目的過程中，綜合運用多學科知識和技能，培養計算思維和團隊合作能力。在項目實施過程中，以問題解決為導向，引導學生發現問題、分析問題并解決問題。當學生在設計智能農場的灌溉系統時，會遇到如何根據農作物的需求合理控制水量、如何選擇合適的灌溉設備等問題。教師引導學生運用計算思維，將問題分解為多個子問題，如分析農作物的需水規律、計算灌溉水量、比較不同灌溉設備的性能等，然后針對每個子問題進行研究和解決。探究式學習貫穿課程始終，教師創設問題情境，激發學生的探究欲望，讓學生自主探究、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？”學生通過實驗探究、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、傳播介質等。在探究過程中，學生運用計算思維進行數據收集和分析，如測量不同距離的聲音強度，通過數據分析得出聲音傳播的規律，從而培養學生的科學探究精神和計算思維能力。5.2課程目標與內容規劃課程目標的設定圍繞知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度展開，旨在全面培養小學生的綜合素養，提升他們的計算思維能力。在知識與技能目標方面，學生要了解科學、技術、工程和數學等學科的基本概念和原理，掌握相關的基礎知識和技能。在科學領域，學生要認識常見的物理現象、化學變化和生物特征等；在技術方面，學會使用常見的工具和技術手段，如3D打印機、編程軟件等；工程領域，了解簡單的工程設計流程和方法；數學知識上，掌握基本的數學運算、圖形與幾何知識、數據統計與分析方法等。學生通過課程學習，要能夠運用所學知識解決實際問題，如運用數學知識進行數據計算和分析，利用編程技能實現簡單的程序設計。過程與方法目標聚焦于學生計算思維和問題解決能力的培養。學生要學會運用計算思維的方法，如問題分解、算法設計、抽象建模等，將復雜問題轉化為可解決的子問題，并設計出有效的解決方案。在面對“校園節能改造”的問題時，學生能夠運用問題分解的方法，將問題分解為照明系統節能、空調系統節能、用水系統節能等子問題。針對每個子問題，運用抽象建模的方法，建立數學模型或物理模型，如建立照明系統的能耗模型，分析不同照明設備的能耗情況。然后，通過算法設計，制定出具體的節能措施和方案，如優化照明系統的控制算法，實現自動調光和定時開關等。在這個過程中，培養學生的邏輯思維、創新思維和批判性思維能力，提高他們的自主學習能力和團隊合作能力。情感態度與價值觀目標注重激發學生對STEM課程的興趣和熱情，培養他們的創新精神和實踐能力。通過豐富多樣的課程內容和有趣的項目活動，讓學生感受到STEM學科的魅力和實用性，激發他們的好奇心和求知欲。在“創意機器人設計”項目中，學生通過親手設計和制作機器人，體驗到創新的樂趣和成就感，培養他們勇于嘗試、敢于創新的精神。同時，培養學生的環保意識、社會責任感和團隊合作精神，讓他們明白科學技術的發展應該服務于社會，造福人類。在課程內容規劃上，緊密圍繞STEM學科領域，以真實問題或項目為導向，設計具有綜合性和趣味性的課程內容。從科學角度，融入物理、化學、生物等學科知識，讓學生了解自然科學的基本原理和規律。在“自制小火箭”項目中，涉及物理中的力學知識，讓學生了解火箭發射的原理和影響因素；化學方面，了解火箭燃料的化學性質和反應原理；生物知識則可以體現在研究火箭發射對環境和生物的影響等。技術層面，涵蓋信息技術、工程技術等方面的內容。學生學習編程技術，如Scratch圖形化編程，掌握編程的基本概念和方法，能夠運用編程實現簡單的動畫、游戲和智能控制等功能。了解3D打印技術、激光切割技術等工程技術的原理和應用，學會使用相關設備進行簡單的模型制作和產品設計。工程領域，讓學生參與實際的工程設計和制作項目，如設計和搭建橋梁模型、制作智能家居系統等。在項目實施過程中，學生需要運用工程思維，進行需求分析、方案設計、材料選擇、制作與測試等環節，培養他們的工程實踐能力和創新能力。數學知識貫穿整個課程內容，用于數據計算、模型構建和問題分析。在“智能農業監測系統”項目中，運用數學知識進行傳感器數據的采集和分析，建立農作物生長與環境因素的數學模型，通過數據分析優化農業生產方案。以“智能家居系統”項目為例，課程內容包括：了解智能家居系統的基本概念和組成部分，如智能家電、傳感器、控制器等，這涉及科學和技術領域的知識；學習傳感器的工作原理和數據采集方法，運用數學知識對采集到的數據進行分析和處理，如溫濕度傳感器采集環境溫濕度數據，通過數學計算判斷環境是否適宜；運用編程技術實現智能家居系統的控制功能，如通過編寫程序實現智能燈光的自動開關、智能窗簾的定時控制等，這屬于技術領域的內容；從工程角度，設計智能家居系統的布局和安裝方案，考慮設備的選型、位置擺放和線路連接等問題。通過這樣的項目式學習，學生能夠將科學、技術、工程和數學知識有機融合，提升計算思維能力和綜合素養。5.3教學方法與策略選擇在促進小學生計算思維發展的STEM課程教學中，精心選擇教學方法與策略至關重要，它們猶如教學的指南針，引領學生在知識的海洋中探索，有效提升計算思維能力。項目式學習是激發學生學習興趣和主動性的有力手段。教師圍繞一個具體的項目主題，如“校園氣象站的設計與搭建”，引導學生以小組形式開展學習。在項目啟動階段，教師提出問題，如“如何設計一個能夠準確測量校園氣象信息的氣象站？”激發學生的好奇心和探究欲望。學生在小組中分工合作，有的負責收集氣象相關的科學知識，了解氣溫、濕度、氣壓等氣象要素的測量原理；有的運用數學知識進行數據統計和分析，確定氣象站的測量精度和數據處理方法；有的負責技術選型，選擇合適的傳感器和數據傳輸設備；還有的運用工程思維進行氣象站的整體設計和搭建。在項目實施過程中，學生需要不斷地運用計算思維解決遇到的問題，如如何優化傳感器的布局以提高測量準確性，如何設計算法對收集到的數據進行實時處理和分析等。通過完成項目，學生不僅能夠將多學科知識融會貫通，還能在實踐中鍛煉計算思維能力，學會運用問題分解、算法設計、抽象建模等方法解決實際問題。小組合作學習能夠充分發揮學生的主體作用，培養學生的團隊協作能力和溝通能力，同時促進計算思維的發展。教師根據學生的學習能力、性格特點等因素進行合理分組，確保每個小組的成員都能在合作中發揮自己的優勢。在“智能交通信號燈設計”的小組合作學習中，小組成員共同分析交通流量的變化規律，運用計算思維將交通信號燈的控制問題分解為不同時間段的信號燈時長設置、不同路口的信號燈協調等子問題。然后，成員們分別運用數學知識進行信號燈時長的計算，運用編程知識設計信號燈的控制程序，通過討論和交流，共同優化設計方案。在小組合作過程中，學生們相互啟發、相互學習，從不同的角度思考問題，拓寬了計算思維的視野。同時，通過溝通和協作，學生們學會了如何表達自己的想法，傾聽他人的意見，提高了團隊協作能力和溝通能力。探究式學習注重培養學生的自主探究能力和創新思維，與計算思維的培養目標高度契合。教師創設問題情境，如“如何利用太陽能為校園的路燈供電？”引導學生自主提出問題、做出假設、設計實驗、收集數據并得出結論。學生在探究過程中，需要運用計算思維對問題進行分析和抽象，如將太陽能轉化為電能的問題抽象為能量轉換的模型，運用數學知識計算太陽能板的面積和路燈的功率需求，通過實驗探究不同類型太陽能板的轉換效率。在這個過程中，學生不斷地嘗試新的方法和思路，培養了創新思維和計算思維能力。教師在探究式學習中扮演引導者的角色，適時提供指導和支持，幫助學生解決遇到的困難，引導學生進行反思和總結，提高學生的自主探究能力和問題解決能力。情境教學法通過創設真實、生動的教學情境，讓學生在情境中感受問題的存在，激發學生解決問題的興趣和動力。在“小小建筑師”的情境教學中，教師創設建造校園圖書館的情境，讓學生扮演建筑師的角色，面臨如何合理規劃圖書館的布局、選擇建筑材料、控制建筑成本等實際問題。學生在情境中運用計算思維進行分析和決策，如運用數學知識計算圖書館的面積和空間布局，運用工程知識選擇合適的建筑材料，通過成本效益分析優化建筑方案。通過情境教學法，學生能夠更加直觀地理解問題，將抽象的計算思維概念應用到實際情境中，提高了計算思維的應用能力和解決實際問題的能力。在教學過程中，信息技術作為強大的輔助工具，能夠為學生提供更加豐富的學習資源和更加生動的學習體驗，助力計算思維的培養。編程軟件是培養學生計算思維的重要工具，如Scratch圖形化編程軟件，它以簡單易懂的圖形化模塊代替復雜的代碼，適合小學生的認知水平和學習特點。在“動畫制作”的課程中，學生運用Scratch軟件，通過拖拽模塊的方式編寫程序，實現角色的移動、動畫效果等。在這個過程中，學生學會將一個復雜的動畫任務分解為多個簡單的步驟，如角色的動作設計、場景的切換、時間的控制等，運用算法設計實現具體的功能，培養了問題分解和算法設計能力。Python等編程語言也可以在高年級適當引入，讓學生進一步深入了解編程的原理和方法，提升計算思維能力。虛擬仿真工具能夠模擬真實的實驗和場景，讓學生在虛擬環境中進行探索和實踐，降低實驗成本和風險，同時提高學習效果。在“物理電路實驗”中，學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，進行電路實驗。學生可以自由地改變電路元件的參數，觀察電路的變化，分析電路的工作原理。通過虛擬仿真實驗，學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，運用計算思維進行電路分析和設計，培養了抽象思維和問題解決能力。虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術也可以應用于STEM課程教學中，為學生創造沉浸式的學習體驗，如在“古代建筑探索”的課程中，學生通過VR技術可以身臨其境地感受古代建筑的魅力，了解建筑的結構和設計原理，運用計算思維分析建筑的力學結構和空間布局。5.4教學過程設計以“智能種植系統”項目為例，詳細闡述教學過程，旨在通過實際項目引導學生綜合運用多學科知識，提升計算思維能力。在項目導入環節，教師利用多媒體展示當前農業種植面臨的挑戰，如水資源浪費、病蟲害防治困難、農作物生長環境難以精準控制等，引發學生對傳統種植方式局限性的思考。播放一些因環境因素導致農作物減產的新聞報道和紀錄片片段，讓學生直觀感受問題的嚴重性。教師提出問題：“如何運用我們所學的知識，設計一個智能種植系統，解決這些問題呢？”激發學生的興趣和探究欲望，引導學生思考智能種植系統應具備的功能，如自動澆水、自動施肥、環境監測、病蟲害預警等。問題分析階段，學生以小組為單位，對智能種植系統的功能需求進行深入分析。每個小組通過頭腦風暴，討論實現各個功能所需的科學、技術、工程和數學知識。在討論自動澆水功能時，學生運用科學知識，了解植物的需水規律，不同植物在不同生長階段對水分的需求不同；運用數學知識，計算出植物每天的需水量，以及根據土壤濕度傳感器的數據，確定澆水的時間和水量。對于環境監測功能，學生需要了解溫度、濕度、光照等環境因素對植物生長的影響，運用傳感器技術采集環境數據，運用數學知識對數據進行分析和處理，判斷環境是否適宜植物生長。教師在這個過程中，引導學生將復雜的問題分解為一個個具體的子問題，如將智能種植系統的設計問題分解為硬件選擇、軟件編程、系統集成等子問題，培養學生的問題分解能力。方案設計環節，各小組根據問題分析的結果，設計智能種植系統的方案。在硬件選擇方面，學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，以及執行器，如水泵、電磁閥、風扇等。他們需要比較不同品牌和型號的傳感器和執行器的性能、價格，選擇性價比高的產品，這涉及到數學中的成本效益分析。在軟件編程方面，學生運用編程知識，設計程序實現對傳感器數據的采集、處理和對執行器的控制。使用Arduino編程平臺，編寫程序讀取溫濕度傳感器的數據，當溫度過高或過低時，控制風扇或加熱器工作，以調節環境溫度。學生還需要設計系統的整體架構，考慮各個部件之間的連接和通信方式，運用工程思維進行系統集成。教師鼓勵學生大膽創新，提出多種設計方案，并對方案進行評估和優化。項目實施是學生將設計方案轉化為實際系統的關鍵階段。小組成員分工合作，有的負責硬件的組裝和調試，有的負責軟件的編寫和測試。在硬件組裝過程中，學生需要運用工程知識，正確連接傳感器和執行器，確保電路的穩定性和安全性。在連接土壤濕度傳感器時，要注意正負極的連接，避免短路。軟件編寫過程中，學生不斷調試程序，解決出現的各種問題，如傳感器數據讀取錯誤、執行器控制異常等。學生發現溫濕度傳感器的數據出現波動較大的情況，通過檢查程序和傳感器連接，發現是程序中的濾波算法存在問題，經過修改算法，數據變得穩定。教師在這個過程中，提供必要的技術支持和指導，幫助學生解決遇到的困難。成果展示階段，各小組展示自己的智能種植系統，并介紹系統的設計思路、功能特點和實現過程。小組通過PPT演示，詳細介紹了智能種植系統的硬件組成、軟件功能和實際運行效果。他們展示了系統如何實時監測環境數據，并根據數據自動控制澆水、施肥和通風等操作。其他小組的學生和教師進行提問和評價，提出改進建議。有的小組提出可以增加遠程監控功能，通過手機APP實時查看種植環境數據和控制設備運行。展示小組對提出的問題和建議進行記錄和思考，為后續的改進提供參考。評價反思環節，教師組織學生進行自我評價、小組互評和教師評價。學生從問題分析、方案設計、項目實施、團隊合作等方面進行自我評價，反思自己在項目中的表現和收獲。學生在自我評價中提到，通過這個項目，自己學會了如何將一個大問題分解為多個小問題，并逐步解決，計算思維能力得到了很大提升。小組互評中，學生互相評價其他小組的項目成果，學習他人的優點，指出存在的不足。教師從專業角度對學生的項目成果進行評價，肯定學生的努力和創新，同時指出項目中存在的問題和改進方向。教師評價某個小組的智能種植系統在硬件設計上比較合理，但在軟件編程方面，代碼的可讀性和可維護性有待提高。通過評價反思，學生總結經驗教訓，進一步完善自己的項目成果，同時也促進了計算思維能力的提升。六、應用實踐：實證研究的科學開展6.1研究設計本研究采用實驗研究法，旨在探究基于上述教學設計的STEM課程對小學生計算思維發展的實際效果。選取某小學四、五年級的學生作為研究對象，通過隨機抽樣的方式，將其分為實驗組和對照組，每組各[X]名學生?；谘芯磕康?，提出以下研究假設：H1：經過一學期基于設計的STEM課程學習，實驗組學生的計算思維能力顯著高于對照組；H2：在不同性別和年級的學生中，基于設計的STEM課程對計算思維能力的提升效果存在差異。在變量控制方面，本研究將學生的計算思維能力設定為因變量，通過專門設計的計算思維能力測試量表進行測量。自變量為基于設計的STEM課程教學，實驗組接受基于設計的STEM課程教學，對照組則按照傳統教學方式進行學習。為確保研究結果的準確性，嚴格控制其他可能影響學生計算思維發展的無關變量。在教學時間上，保證實驗組和對照組的課程總時長相同；教學環境方面，確保兩組學生在相似的教學設施、教室氛圍等環境中學習；教師因素上，安排教學經驗和專業背景相近的教師分別授課，且教師在教學過程中除教學方法不同外，對學生的關注度、指導方式等盡量保持一致。本研究使用的研究工具主要包括計算思維能力測試量表、學生調查問卷和教師訪談提綱。計算思維能力測試量表依據計算思維的構成要素，如問題分解、算法設計、抽象建模、評估優化等，結合小學生的認知水平進行編制。量表包含選擇題、簡答題和實踐操作題等多種題型，其中選擇題主要考查學生對計算思維基本概念的理解，簡答題要求學生運用計算思維分析和解決簡單問題，實踐操作題則讓學生在實際情境中運用計算思維完成任務，如設計一個簡單的編程程序解決實際問題。量表經過多次預測試和修訂，具有良好的信度和效度。學生調查問卷主要用于了解學生對STEM課程的學習興趣、學習體驗以及在課程學習過程中計算思維能力的發展感受等。問卷采用李克特五點量表形式，從“非常不同意”到“非常同意”設置五個選項，涵蓋學生對課程內容的興趣、對教學方法的滿意度、對自身計算思維能力提升的感知等多個維度。教師訪談提綱圍繞教師對STEM課程教學的實施情況、教學過程中遇到的問題、對學生計算思維發展的觀察以及對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、深入的教學信息，為研究結果的分析和討論提供補充。6.2實踐過程在某小學的四、五年級開展實踐研究，實踐周期為一學期，每周安排2課時的STEM課程。在課程實施方面，依據前文設計的教學過程，以“智能種植系統”項目為主要教學內容，引導學生逐步完成項目的各個環節。在項目導入階段，教師通過播放農業生產相關的視頻和圖片，展示傳統種植方式的弊端，引發學生對智能種植系統的興趣和思考。教師還邀請了農業專家到學校進行講座，為學生講解農業種植的基本知識和智能農業的發展現狀，讓學生對項目有更深入的了解。問題分析環節，教師組織學生進行小組討論，引導學生從不同角度分析智能種植系統的功能需求，如環境監測、自動灌溉、自動施肥等。教師鼓勵學生提出自己的想法和疑問，并及時給予指導和解答。為了幫助學生更好地分析問題，教師還提供了一些相關的資料和案例，如其他學校的智能種植系統設計方案、農業生產中的實際問題等，讓學生參考和借鑒。方案設計階段，學生在小組內分工合作，運用所學的科學、技術、工程和數學知識，設計智能種植系統的方案。教師為學生提供了豐富的材料和工具，如傳感器、控制器、電機、3D打印機等，讓學生能夠將自己的設計方案轉化為實際的模型。在設計過程中，教師鼓勵學生大膽創新，嘗試不同的設計思路和方法，同時引導學生對設計方案進行評估和優化。項目實施過程中，學生按照設計方案，進行硬件組裝和軟件編程。教師在一旁進行指導和監督，及時幫助學生解決遇到的問題。為了提高學生的實踐能力和團隊合作精神，教師還組織學生進行小組競賽，看哪個小組能夠最快、最好地完成智能種植系統的制作。在競賽過程中，學生們相互學習、相互競爭，進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，并介紹設計思路和制作過程。教師組織學生進行投票，評選出最佳設計獎、最佳創意獎、最佳團隊獎等。在展示過程中，學生們不僅展示了自己的作品，還分享了自己在項目中的收獲和體會，進一步加深了對計算思維的理解和應用。在整個實踐過程中，教師充分發揮引導作用，根據學生的學習情況和問題解決進度，適時提供指導和支持。當學生在問題分析階段遇到困難時，教師引導學生運用思維導圖等工具，將復雜問題分解為簡單的子問題；在方案設計階段，教師鼓勵學生進行頭腦風暴，提出多種設計方案，并引導學生從可行性、創新性、成本等方面進行評估和選擇。教師還注重培養學生的自主學習能力，鼓勵學生自主查閱資料、嘗試解決問題，當學生無法自行解決問題時，教師再給予適當的指導。學生在學習過程中，積極參與各項活動，充分發揮主觀能動性。在小組合作中，學生們分工明確、相互協作，共同完成項目任務。在“智能種植系統”項目中，有的學生負責硬件組裝，有的學生負責軟件編程，有的學生負責數據收集和分析，大家各司其職，共同努力。學生們在遇到問題時，能夠主動思考、積極探索，嘗試運用所學知識解決問題。當軟件編程出現錯誤時，學生們通過查閱資料、請教老師和同學等方式，不斷調試程序，最終解決問題。學生們還能夠積極分享自己的想法和經驗，相互學習、共同進步。在成果展示階段，學生們能夠自信地展示自己的作品，清晰地表達自己的設計思路和制作過程，充分展示了自己的學習成果和能力提升。6.3數據收集與分析在實踐過程中，運用多種方法進行全面的數據收集，以確保研究結果的準確性和可靠性。計算思維能力測試分別在課程實施前和實施后進行，前測旨在了解學生初始的計算思維水平，后測則用于評估學生在接受STEM課程教學后的能力變化。測試嚴格按照量表的要求進行，在規定時間內，讓學生獨立完成測試題目。測試結束后，對學生的答題情況進行詳細記錄，包括答對題目數量、答錯題目類型、解題思路等。學生調查問卷在課程實施中期和結束后各發放一次。中期問卷主要用于了解學生在課程學習過程中的體驗和感受，及時發現問題并進行調整；后期問卷則重點關注學生對自身計算思維能力提升的評價以及對課程的整體滿意度。問卷發放過程中，確保學生理解問卷內容，鼓勵學生真實作答。教師訪談在課程實施結束后進行，采用面對面訪談和線上訪談相結合的方式，方便不同時間和地點的教師參與。訪談過程中，詳細記錄教師的觀點和意見，對于教師提出的問題和建議進行深入探討。課堂觀察則貫穿課程實施的全過程，由經過專業培訓的觀察員負責。觀察員按照預先制定的觀察量表，對教師的教學方法、學生的參與度、小組合作情況等進行詳細記錄。在觀察“智能種植系統”項目的課堂時，記錄教師如何引導學生進行問題分析，學生在小組討論中的表現，以及小組合作過程中遇到的問題和解決方式等。運用SPSS軟件對計算思維能力測試數據進行統計分析，通過獨立樣本t檢驗，比較實驗組和對照組學生在前后測中的成績差異，以驗證假設H1。結果顯示，實驗組學生在后測中的成績顯著高于前測，且與對照組后測成績相比也有顯著差異，表明基于設計的STEM課程對學生計算思維能力的提升具有顯著效果。對學生調查問卷的數據進行描述性統計分析，了解學生對課程的興趣、學習體驗等方面的情況。通過分析發現，大部分學生對STEM課程表現出較高的興趣，認為課程內容豐富有趣，教學方法新穎多樣，能夠激發他們的學習積極性。在對課程內容的興趣調查中，超過80%的學生表示對“智能種植系統”項目非常感興趣或比較感興趣。對于教師訪談和課堂觀察的數據，采用內容分析法進行分析。從教師訪談中提煉出關于教學實施、學生表現、課程改進等方面的關鍵信息，從課堂觀察數據中總結出教學過程中的優點和不足。教師普遍認為，在“智能種植系統”項目教學中，學生的參與度較高，但在小組合作中，部分學生的溝通能力還有待提高。通過課堂觀察發現，一些小組在項目實施過程中分工不夠明確，導致項目進度受到影響。6.4研究結果與討論研究結果表明，基于設計的STEM課程對小學生計算思維能力的提升具有顯著的促進作用。實驗組學生在接受一學期的STEM課程教學后，計算思維能力測試成績較對照組有明顯提高。在問題分解能力方面，實驗組學生能夠更加清晰、準確地將復雜問題分解為多個子問題，并找到解決問題的關鍵步驟。在解決“校園節能改造”問題時，實驗組學生能夠迅速將問題分解為照明系統節能、空調系統節能、用水系統節能等子問題，并針對每個子問題提出具體的解決方案，如通過分析照明時間和亮度需求，提出更換節能燈具和安裝智能照明控制系統的方案；根據空調使用時間和室內溫度要求，設計合理的空調運行策略等。這是因為在STEM課程中，學生通過參與各種項目式學習活動，經常面臨復雜的實際問題，在不斷的實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。在算法設計能力上，實驗組學生表現出更強的邏輯性和創新性。他們能夠運用所學知識，設計出更加高效、合理的算法來解決問題。在“智能種植系統”項目中，實驗組學生在設計自動澆水算法時，考慮到植物的生長階段、土壤濕度、天氣狀況等多種因素，設計出了根據不同條件自動調整澆水量和澆水時間的算法，而對照組學生的算法相對簡單，只考慮了單一的土壤濕度因素。這得益于STEM課程中注重培養學生的邏輯思維和創新思維，通過小組合作、探究式學習等方式，激發學生的思維活力，讓學生在解決問題的過程中不斷嘗試新的思路和方法，從而提升了算法設計能力。對于抽象建模能力，實驗組學生能夠更好地將實際問題轉化為抽象的數學模型或概念模型，運用模型來分析和解決問題。在研究“物體的運動規律”時，實驗組學生能夠運用數學知識，建立物體運動的速度、時間和路程的數學模型，通過對模型的分析和計算，預測物體的運動軌跡和狀態。這是由于STEM課程的跨學科特性，讓學生接觸到了多學科的知識和方法，學會了從不同學科的角度看待問題，從而能夠更靈活地運用抽象建模的方法解決問題。在評估優化能力方面，實驗組學生能夠對自己設計的方案和解決問題的過程進行反思和評估，根據評估結果及時調整和優化方案。在“橋梁設計”項目中，實驗組學生在完成橋梁模型搭建后，能夠從結構穩定性、承重能力、材料成本等多個角度對模型進行評估，發現問題后及時調整設計方案，如增加橋梁的支撐結構、優化材料的選擇等，使橋梁模型更加完善。而對照組學生在這方面的能力相對較弱，往往忽視對方案的評估和優化。這是因為在STEM課程教學中，教師注重引導學生進行反思和總結，培養學生的批判性思維能力，讓學生學會從不同角度審視自己的作品和成果，從而提高了評估優化能力。研究結果還顯示，在不同性別和年級的學生中，基于設計的STEM課程對計算思維能力的提升效果存在一定差異。在性別方面，男生在算法設計和抽象建模能力上的提升幅度相對較大，女生在問題分解和評估優化能力上的提升更為明顯。這可能與男女生的思維特點和興趣愛好有關。男生通常對技術和數學更感興趣，在算法設計和抽象建模等涉及較多邏輯思維和數學知識的方面，表現出更強的學習動力和能力提升；女生則更注重細節和整體的協調性，在問題分解和評估優化方面更具優勢。在年級方面，五年級學生的計算思維能力提升幅度相對大于四年級學生。這可能是因為五年級學生的知識儲備和認知能力相對更豐富，能夠更好地理解和應用STEM課程中的知識和方法，從而在計算思維能力的提升上更為顯著。通過學生調查問卷的數據可以看出，大部分學生對STEM課程表現出較高的興趣。課程內容的趣味性和實踐性是吸引學生的主要因素，學生們認為在STEM課程中能夠將所學知識應用到實際問題的解決中，體驗到學習的樂趣和成就感。在