基于设计的STEM+C教学对小学生计算思维的影响研究

李幸 张屹 黄静 张敏 张岩 王珏

摘要：作为一种21世纪核心的复合能力，计算思维逐渐成为当前信息技术教育领域关注的焦点。该文提出基于设计的STEM+C理论框架。该框架以STEM学科内容为核心，以基于设计的教学为基础，实践计算思维的基本概念与原则，培养学习者的复合型计算思维能力。该框架强调利用STEM融合计算（Computing）的基于设计的教学法帮助小学生解决模糊、弱构的真实世界的复杂问题。小学生通过学习计算思维的基本概念与操作步骤，将真实的生活情境问题进行抽象与分解，转换成可视化的计算机语言，在原型的基础之上迭代调试、不断完善，制作出解决实际问题的产品。在设计与制作产品的过程中，培养学习者的计算思维能力。该文通过单组前后测实验，从问题解决能力、创造力、批判思维、算法思维以及协作思维五个计算思维的子维度对武汉市某小学四年级学生的计算思维能力进行调查。研究表明，基于设计的STEM+C教学在问题解决、批判思维、算法思维以及协作思维四个子维度上均提升学生的计算思维能力。该研究详细阐述和分析了基于设计的STEM+C教学促进计算思维的教学案例，以期为我国小学信息技术学科的研究与教学提供一定的参考。

关键词：计算思维;基于设计的学习;STEM+C;教学理论框架

中图分类号：G434

文献标识码：A

一、引言

2018年1月，我国最新实施的高中信息技术课程标准正式将“计算思维”作为信息技术学科的核心素养[1]。国际教育技术协会（ISTE）于2018年1 1月在学生教育技术标准中明确将计算思维作为K12学习者必不可少的技能之一[2]，2017年《地平线报告（基础教育版）》指出，计算思维是当今信息社会除阅读、写作、计算之外任何公民应熟练掌握的基本技能[3]。由此可见，计算思维对当前高度信息化的智慧时代极其重要，如何培养计算思维成为教育工作者亟需深思的问题。目前我国尚未出台培养小学生计算思维的国家政策，计算思维往往通过传统的信息技术课得以培养[4]。而计算思维作为一种解决真实世界开放式弱构复杂问题的能力，是涵盖算法思维、创造力、批判思维等多元能力的高阶应用型技能[5]，传统的以编程等计算机应用学习为主的信息技术课忽略真实生活情境，不重视技术与其他学科内容的融合，计算思维因而失去其解决真实世界复杂问题的内核价值[6]。STEM教育则是培养计算思维的沃土，Weintrop教授于2016年指出STEM教育与计算思维的互惠关系，指出计算思维在帮助学习者解决真实生活中的复杂问题的同时，习得学科知识与多元能力。计算思维在实践计算机科学、数学和科学的概念与知识的基础中互利共生[7]。因此，本研究的核心在于帮助学习者建立与真实问题情境之间的联系，在实践中掌握STEM知识的同时，解决开放、模糊、复杂的问题。本研究的另一研究重点是STEM+C理论框架的构建和教学模式的创新，以达成培養小学生计算思维的目的。

二、文献综述

（一）计算思维的定义与测评

计算思维的概念众说纷纭。将学者们对计算思维的定义进行归纳总结，分为三类：第一类是一般性定义，强调其能力属性与思维活动属性。计算思维的定义最初由卡梅隆大学计算科学学院的周以真教授提出，她在2006年对计算思维的概念进行界定： “计算思维是通过运用计算机科学中的概念、观念与思维，结合数学思维与工程思维等多元思维的一种思维活动”[8]。2018年国际教育技术协会（ISTE）提出最新定义，即计算思维是利用计算机科学（CS）的核心原理和实践来解决模糊、复杂和开放式问题，是利用计算的力量设计解决方案。ISTE同时指出，计算思维作为一种复合型能力，包含协作思维、计算思维、创造力、协作思维、批判性思维以及问题解决能力[9]。总之，一般性定义强调计算思维的复合能力属性，即计算思维是利用计算机科学的核心原理与实践，解决模糊、复杂和开放性问题的一种复合型能力。第二类是操作性定义，强调其认知过程性属性。其操作性定义是在2011年由国际教育技术协会（ISTE）与计算机科学教师协会（CSTA）提出的，共包含六个思维过程：（1）制定问题并能够利用计算机和其他工具帮助解决该问题;（2）逻辑组织、分析数据;（3）利用抽象重新呈现数据;（4）利用算法思想（一系列有序的步骤）来支持自动化的解决方案;（5）识别、分析并实施可能的解决方案，结合上述提到的步骤和资源，选出最有效的解决方案;（6）将该问题的解决过程推广迁移到更一般的问题中‘10]。第三类是计算思维的教育与课程定义，强调其概念、实践与视角属性。Cynthia Selbv和John Woollard提出计算思维包括算法思维、评估、分解、抽象和概括这五个要素[11]。Brennan与Resnick于2012年提出计算思维框架，将计算思维分成计算概念、计算实践与计算视角，计算概念有序列、循环、事件、并行、条件、运算与数据;计算实践分为增量与迭代、测试与调试、重用与再混合、抽象与建模;计算视角则分为表达、连接与质疑[12]。国际教育技术协会（ISTE）则将其分成九大概念，分别为数据收集、数据分析、数据呈现、问题分解、抽象、算法与过程、自动化、模拟与并行处理[13]。综上所述，计算思维的定义是多元的。在本研究中，从计算思维的教学实践而言，计算思维是包含数据收集、数据分析、数据呈现、问题分解、抽象、算法与过程、自动化、模拟与并行处理等核心实践。从学习者的学习结果而言，计算思维是一种复合型能力，是融合协作思维、算法思维、创造力、协作思维、批判性思维以及问题解决能力的一种21世纪新型能力。

计算思维的测评方式较为多元，从复合能力视域而言，主要测评围绕计算思维所必需的复合能力。可利用自评量表问卷调查的形式测评，Korkmaz、Qakir以及Ozden结合国际教育技术协会（ISTE）发布的计算思维的定义，从创造力（Creativity）、问题解决（Problem Solving）、算法思维（Algorithmic Thinking）、协作思维（CooperativeThinking）、批判思维（Critical Thinking）等五个能力维度测评计算思维能力[14]。研究通过探索性因子分析、验证性因子分析、项目差异性分析、内部一致性系数和恒定性分析，对量表的效度和信度进行研究。分析结果表明，该量表是一种有效、可靠的测量工具，可测量学生的计算思维能力。

（二）基于设计的STEM+C教学培养计算思维

STEM+C-词源于2018美国国家科学基金的STEM+C项目，指科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）与计算（Computing，C）深度融合的基础教育项目[15]。STEM+C，是将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）.数学（Mathematics）有机地融为一体，以项目学习、问题解决为导向的组织课程[16]，培养学习者计算思维（ComputationalThinking）。STEM+C跨越了科學、技术、工程、数学、计算机科学等多个学科，在解决复杂开放性问题的同时，实现学科与思维过程的深度融合促进学习者计算思维能力的发展。

众多研究者们已经意识到构建计算思维的理论框架与教学模式的重要性。Dukeman.Caglar，&Shekhar提出C3STEM框架（Community-situated， Challenge-based， Collaborative LearningEnvironment），利用社区情境、基于挑战、协作学习环境的理论框架，探究在STEM课程中如何培养学习者的计算思维[17]。其中，基于设计的学习模式受到了研究者的普遍关注。基于设计的学习（Design-based Learning，又称为DBL），由乔治亚技术学院Kolodner教授在2007年首次提出[18]。Kolodner教授提出基于设计的双环结构，通过基于设计的学习促进科学探究能力的培养。Fortus教授则于2014年提出了一种单环迭代的基于设计的教学模式，即基于设计的科学环（Design-based Science，缩写DBS），该模式共分为五步，（1）鉴别与定义情境;（2）背景研究;（3）开发个人与集体观念;（4）构建产品;（5）反馈[19]，此后，随着信息技术的迅猛发展，更多学者强调利用基于设计的学习将STEM学科进行深度融合。2015年，Ikseon Choi教授团队开发了系列STEM+C课程，该课程结合交通问题、水资源问题等真实的科学问题，探究基于设计的学习模式，开展培养小学生计算思维的实证研究[20]。

基于设计的学习对真实世界的问题解决能力、批判思维、创造力、协作思维均有显著的提升作用[21]。学习者设计产品的过程，以及设计编程的过程，都是一种头脑建构新的关系与新的组合的过程，最终创造出新的观念与产品[22]。学习者在数据收集与分析过程中，不断形成与评估信息，通过质疑，分析、评估事物最终形成想法[23]，最终建构自己的知识，培养批判思维。在其后的编程、调试与修补程序的过程中，则对程序反复进行思考“是怎样”以及“为什么”，最终解决问题。尽管基于设计的学习在不同文献中对不同的能力提升均得以证实，但其学习效果测评往往聚焦于单个思维能力测评，对计算思维这种复合思维能力的效果测评的实证研究还相对不足[24]。同时，基于设计的学习模式结合不同的学科内容往往有不同的设计策略，而融合STEM+C的基于设计的教学模式与策略研究还有待加强[25]。

毋庸置疑，培养计算思维已成为信息化时代的发展趋势，目前我国培养小学生计算思维的教育还处于萌芽状态，但如何培养计算思维，如何创新计算思维的教学模式是摆在当前教育研究者面前的首要问题[26]。基于此前在实验学校三年的相关研究工作，笔者团队提出基于设计的STEM+C理论框架。研究问题包含以下方面：基于设计的STEM+C理论框架和教学模式是怎样的？基于该模式的实践教学是否引起学习者的复合计算思维能力的变化？如有变化，教学变化给我们带来了哪些启发？

三、基于设计的STEM+C理论框架

基于设计的STEM+C理论框架依托于合作小学STEM课程的开发，是本研究团队之前开发的STEM框架的进一步发展[27]。如图1所示，该框架以基于STEM+C的内容作为目标核心，左边区域为基于设计的学习双环，左上环为学习环，以教师指导、学生自主协作学习为主;左下环为实践环，即学习者在学习的过程中进行的实践环节。左上环以DavidFortus提出的基于设计的教学流程作为理论依据，左下环以美国国际教育技术协会（ISTE）提出的计算思维九大概念作为计算思维实践的核心内容，最终培养学习者的复合型计算思维能力。

图1中左边区域为基于设计的学习实践双环，将基于设计的学习与计算思维实践纵向深度融合。该学习实践双环具有以下特征：（1）左上环是学习者学习的过程。实施按六个核心要素依次实施，并迭代循环。即：定义与鉴定真实的情境问题，学习相关背景知识，通过头脑风暴设计解决问题的方案，通过算法编程构建原型，迭代完善产品，评价反馈与分享展示;（2）左下环是计算思维的实践过程。即依次开展“问题分解与抽象，数据收集与分析，数据的呈现，分布演算，自动化与模拟，并行处理”等计算思维的实践活动;（3）上下环一一对应，将计算思维的实践重组优化，融会贯通到基于设计的学习过程中。学习者在定义真实的问题情境中，将科学、数学、计算机编程知识与真实世界的问题解决进行整合。学习者在设计制作产品的过程中，进行计算思维实践，明确真实社会情境、多学科知识与计算机编程之间的联通关系。在算法编程的过程中，将真实世界的问题进行分解与抽象，转换成计算机可视化语言。在迭代设计与改进的过程中，实现自动化与模拟，将计算机可视化语言转换成现实世界的问题解决。

如图1所示右边区域为学习结果环，学习者习得STEM学科内容，培养复合型计算思维能力。STEM教育融合计算思维是未来STEM+C课程设计的一种趋势。Wilensky et al，Sengupta et al.以及Weintrop et al均指出计算思维与STEM教育融合的优势。归纳可分为三点：（1）两者共享概念。计算思维（CT）本身即融合计算机科学、科学以及数学的基本概念和实践。它包括概念和实践，例如问题呈现、抽象、分解、模拟等。这些概念也是发展科学和数学学科专业知识的核心[28];（2）两者互惠共生。运用计算思维可丰富数学和科学概念的学习与演练，而运用数学和科学的语境可进一步丰富计算思维的学习[29]。（3）两者共创意义情境。计算思维的概念与其他STEM内容领域相结合，可共同营造有意义的现实情境，提供真实的学习经验，同时促进学习者知识的融会贯通[30];因而将计算思维融入到学科共性概念和实践中，创设以科学和真实问题情境，以工程设计与程序设计为STEM内容的整合器和计算思维的催化剂，实现学科与学科内容的跨越，从而培养计算思维。

框架的核心为将计算思维的实践融合到基于设计的学习中，利用学习与实践的过程，培养学习者的计算思维复合能力，即融合问题解决能力、批判思维、创造力、协作学习能力以及算法能力的复合能力。能力的培养体现在学习过程中，定义与鉴定情境问题，对应问题分解与抽象，是问题解决的核心部分;收集信息、获取知识的过程是甄别信息，综合分析信息的过程，是批判思维的重要部分;头脑风暴，设计产品方案，在呈现数据的过程展现学习者的创造力;其后，将真实世界中的设计转换成编程，通过编程的算法过程实现开发产品的原型，培养学习者的算法思维;通过迭代测试与修补，迭代完善产品，在该过程中体现学习者的设计思维;最终学习者通过反馈，分享成果，体现协作思维。整个过程则是解决复杂真实世界问题的能力，即计算思维能力。

四、基于设计的STEM+C课程《智慧小灯》教学设计与实施

基于设计的STEM+C课程共有五单元，分别为会说话的机器人、智能小灯，植物笑脸、风能发电和智能交通。这里以“智慧小灯”为例进行介绍。

（一）内容与能力目标分析

内容方面以STEM+C学科内容与计算思维实践内容为主。STEM+C学科内容方面主要依托科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）、计算机编程以及计算思维实践（C）等内容。科学学科主要学习科学概念知识，了解电阻、电流、回路以及传感器;技术上主要了解信息化工具，如何利用云平台检索软件分享作品等;工程方面主要了解工程制作的标准制定，例如了解智慧小灯的材料、标准与功能;数学学科主要了解数学概念与建模，例如加减运算、计量单位的概念，以及绘制设计图等;计算机编程方面主要了解编程概念，了解順序、循环、并行、事件、条件、运算符等。计算思维实践是过程性实践，包括将智慧小灯问题进行分解抽象、收集与分析智慧小灯类型与功能数据，利用设计图呈现智慧小灯的类型与功能数据、使用计算机算法实现智能小灯自动化开关变亮变暗以及小组并行分工协作，制作出智能小灯产品。

能力目标方面以计算思维复合能力为核心，包括培养学生解决复杂问题的能力，解决生活中自动化开关灯、调节灯的明暗、声音控制灯等真实复杂问题的能力;培养学生批判思维，通过推理和分析，调试数值，最终达到调节灯的明暗与控制灯的开关等功能;培养学生算法思维，通过设置一系列的循环语句、事件语句以及条件语句等，最终实现灯的智能功能;培养学生创造力，创造多元智能灯的观念与设计图;培养学生协作思维，通过组织、协调、分工以及相互反馈帮助，共同完成智慧小灯的制作。

（二）教学设计与实施

“计算思维实践”和“基于设计的学习”两个过程的一一对应是本研究中基于设计的STEM+C理论框架强调的重点之一，此外还着重利用主题打破不同学科间的壁垒。在基于设计的STEM+C理论框架指导下，开展学习活动。教学设计与实施过程如下页图2所示。

该教学在武汉经济技术开发区实验小学四年级实施应用，课堂以翻转课堂的形式实施。

1.鉴定、理解问题情境，初步形成问题解决的能力

问题解决的基本步骤为“理解问题、设计计划、实施计划与回顾计划”。计算思维的本质即是利用计算机解决真实世界的复杂、弱构的问题。形成解决问题能力的基础是理解问题。理解复杂问题的思维步骤为对问题进行细化与深化，能对复杂问题进行抽象与分解，学习者按照计划分步实施解决方案，逐步通过计算机编程解决复杂的真实世界问题。

具体实施：教师设定“智慧家居”的情境，将“什么是智慧家居”的问题，分解为“什么是智慧家居中的智慧灯具”，聚焦“智慧家居中的智慧小灯”。本单元学习环境设置为在线学习课程。学生登录在线课程。该单元首先介绍真实的问题情境“智能家居在身边”，随后，老师为学生设计各种各样的情境和相关问题。例如，老师给学生展示了许多真实世界的图片以及相应的问题。 “智慧家居最近在我们的日常生活中很普遍。智慧家居的基本特征是什么？”“如果奶奶年纪大了，走到灯的开关旁不太方便，你可以帮她设计一个智慧灯，不用走过去就可以控制灯的开关吗？”。在这一过程中，教师通过设置问题支架，帮助学生理解将真实世界的问题抽象成“灯的调控问题”，并将灯的调控问题分解成设计问题、计算机编程问题、物理联通问题等问题，逐步帮助学生深入理解问题，初步形成问题解决能力。

2.学习与收集相关知识，分析、评价并建构知识体系，初步形成批判思维

批判思维的核心是“审视问题、推断假设、收集证据、分析推理、解释评价”，该步骤主要实践“审视问题，推断假设与收集证据”。

具体实施：该单元围绕“如何设计与制作智慧小灯”的问题隋境，介绍与之相关的知识。如背景知识： “物联网”“智能家居”，设计制作材料相关知识： “电子传感器” “声传感器” “光传感器”的概念，Scratch编程相关知识：事件、控制、运算等脚本，if...else，while等语句。对该知识内容通过不同的方式呈现，例如，学生观看“物联网”视频，了解如何用现代技术连接事物。新概念通常由视频、动画、图像和其他一些选定的材料来呈现。学生观看视频后，对在第一阶段提出的问题进行审视，并通过回答问题的过程中建构假设，例如“声音高于某个值或者低于某个值，灯会变亮或者变暗”，并完善“智慧小灯”的基本功能假设，收集证据，为创设智慧小灯的设计图与制作智慧小灯做准备。

3.开展头脑风暴，设计产品，促进创造力

创造力是制作集美学、艺术性或功能性为一体的产品的过程。学生在设计智能小灯的过程中，开发基于自己经验与想象力的设计图，并且可以根据自己的想象力创造新的元素，添加新的功能。学生在设计的过程中，积极进行对我表达，应用自身的思维以及想象力，设计集功能与美学为一体智能小灯。

具体实施：在背景知识学习后，如图3所示，学生小组合作设计属于自己的智慧小灯。学生在课堂上向配对同伴同学展示他的设计或解决方案。然后他和同伴合作决定他们更喜欢两个建议的解决方案中的哪一个，或者两个同伴决定以某种方式组合解决方案，并对完成的设计图打分评估。小组成员共同完成课前自主学习单，该任务单由四个问题组成，为学生根据自己的想象力创造新的元素提供脚手架。 “我们的日常生活中有什么样的常规智能灯？他们有什么特点？”;第二个问题是写出在学习背景知识后，通过评价与分析产生的问题;第三个问题为核心问题，设计智慧小灯并写出智慧小灯的功能和设计目的， “您想为您的智慧小屋设计什么样的小灯？”写下你设计的智慧小灯的功能和特点;第四个问题是进一步将设计中存在的问题呈现。

4.联通物理与信息世界，利用Scratch构建原型，促进算法思维培养

算法思维包括对功能分析、数据组织、算法以及程序进行一般化以及参数化的过程。学生在编程的过程中，利用流程图或者思维导图画出一系列有序步骤达到最终解决问题的目的。

具体实施：学生将传感器联通小灯，利用传感器上的USB接口联通计算机，利用Scratch编程实现智慧小灯的基本功能，将现实世界的问题转换为计算机语言。利用算法思维，遵循一定的步骤开展编程实现智慧小灯三种基本功能，即光控、声控以及滑竿控智慧小灯。应用if..else语-句创建条件，允许agent按照指令执行（例如，如果光传感器值<（某值），则设置电机转速（某值））。学习者按照一定的顺序组织程序以及其中的算法，例如，if- else语句遵循逻辑路径，当电位器传感器值>（某值），则设置电机转速（某值），否则设置电机停止。学习者利用可视化Scratch编程，构建基本的光控、声控、滑竿控三种智慧小灯。光控小灯的编程代码如图3所示。

5.迭代测试智慧小灯，完善产品，培养学习者批判思维

批判思维的核心是“审视问题、推断假设、收集证据、分析推理、解释评价”，前期已经实践了“审视问题，推断假设与收集证据”。在这一阶段，学生更注重“分析推理与解释评价”。学生在测试与调试程序的时候，不断的修正自己的假设，分析评估可能的解决方案。在测试智能小灯的时候，学生假设不同情境下的灯是否可以实现其功能，并反复测试修正、评估和审视自己的假设，分析推理出最优的答案，并解释评价。

具体实施：学习者确保程序是否可以实现智慧小灯的基本功能，即利用光线传感器是否可以实现不同程度的光可控制打开马达，从而打开灯;是否可以滑动滑竿，滑杆滑动到什么程度可以实现开灯以及灯的亮暗功能，以及利用声音实现开关灯的功能等。学生通过分析程序，以及分析传感器的测量值不断调试程序。在调试程序的过程中，学生也不断的评估分析数值的内涵与意义，提升批判思维。在反复迭代测试的过程中，提升设计思维。同时，在评估分析数值的过程中，也是对数学数值大小概念的深化。在推测数值意义的同时，也加深了对科学概念电流、电阻、环路的理解。学生可以反复通过观察传感器的反应来反复调整和测试数值。

6.分享与评价产品，在交流过程中，提升协作思维

协作学习的形式多元，可通过分工协作完成共同的设计主题，结成伙伴关系对问题进行讨论协商，以及同伴之间提供评价反馈从而提供思路与灵感等方式开展协作学习，从而提升协作思维。

具体实施：学生以小组为单位，协作设计制作以Scratch编程联结传感器从而联结真实世界为重点的智慧作品。在分享与展示的过程中，学生将自身的需求、对生活的观察、审美以及对多元学科知识和计算思维的实践融入到智慧小灯设计图、Scratch程序以及结合审美与功能为一体的智慧小灯中，学生在整个过程中分工协作共同完成智慧小灯的设计、并对智慧小灯的功能与程序设计进行协商讨论，并与同伴评价智慧小灯产品。在多元协作中，提升协作思维。

五、基于设计的STEM+C教学效果测评

（一）研究对象

本研究的研究对象为武汉某小学四年级参与该课程的46名小学生，其中男生22人.女生24人。选用自陈式《计算思维能力量表》为测量工具，采用单组前后测实验设计探讨基于设计的STEM+C教学对学生计算思维能力的影响。 （二）测量工具 问卷改编自Ozgen Korkmaz开发的计算思维量表（Computational Thinking Scale，CTSy31J。该问卷从创造力（Creativity）、批判思维（Critical Thinking）、问题解决（Ptoblem Solving）、算法思维（Algorithmic Thinking）、协作思维（Cooperative Thinking）五个子维度调查学习者的计算思维复合能力。每个维度分别有7、6、4、5、5道题，共27道题目，Korkmaz通过探索性因子分析、验证性因子分析以及项目研究等进行分析，内部一致性系数高，稳定性分析可靠。问卷采用李克特五级量表。对问卷进行翻译和本土化后，对信度进行测量。创造力、算法思维、问题解决、协作思维和批判思维五个维度上Cronbach的Alpha值分别为0.85、0.86、0.82、0.80、0.72。该研究中五个维度Cronbach的Alpha均在0.7以上，表明该问卷具有较好的信度。学生在学习智慧小灯为主要内容的三个单元的STEM+C课程前后分别填写计算思维前测问卷和计算思维后测问卷。

（三）数据分析

对STEM+C课程前后分发的问卷回收并进行数据分析，数据分析的结果如下：

1.经过基于设计的STEM+C学习后，学生的计算思维能力在创造力、算法思维、协作思维、批判性思维以及问题解决维度上均值均有提升。如图4所示。

图4显示，学生整体计算思维能力本身就较高，创造力、算法思维、协作思维、批判性思维以及问题解决维度上均值分别为3.99，4.27，3.60，3.92以及4.08，可能由于该小学近三年来开设多元社团课、机器人课程以及创客课程等。在开展STEM+C课程后，学生在创造力、算法思维、协作思维、批判性思维以及问题解决维度上有不同程度的提升。可见，STEM+C课程的学习促进学习者创造的能力、按照步骤有序解决问题的能力、协作解决问题的能力以及辨证看待问题，批判性分析评估问题的能力。

2.经过基于设计的STEM+C学习后，学生在算法思维、协作思维、批判思维以及问题解决维度四个维度上存在显著性差异，在创造力维度上无显著性差异，同时，在协作思维维度上效应量较小。数据结果如下表所示。

本研究对小学四年级学生在学习前后的计算思维能力进行配对样本t检验，结果表明：在经过“智慧小灯”课程学习后，学生的计算思维在算法思维、协作学习、批判思维、以及问题解决维度上有所提升。在算法维度上，学生具有更强的算法能力感知“我相信我可以很容易的找到数字之间的关系”（m前测=4.27，m后测=4.56.t=-2.62）。学生在调试错误的过程中，不断审视可能的问题，做出假设，大胆尝试，不断推理与分析，提出不同的解决方案，并在多个可能的解决方案中寻找最优方案或准确的解决措施，在这一过程中，培养批判思维。例如，在调试程序环节，C同學说道“写程序的时候，我想要的灯是一个天黑了就可以亮的灯，所以我要知道哪个值是表示天黑。我猜可能是30”。从协作思维维度来看，学生的协作学习能力感知得到增强，认为“我喜欢和我的小组伙伴一起体验合作学习”“我喜欢在合作学习中与伙伴们一起解决问题”（m前测=3.60，m后测=3 .93.t=-2.18）。在批判思维的维度上，学生批判思维显著提升， “我在做出决定时，会对几个选择进行比较筛选”显著增加（m刖测=3.92，m后测=4.30，t=-2.11）。在问题解决维度上，学生的问题解决能力的感知显著增加（m前测=4.08，m后测=4.39，t=-3.73）。学生积极解决真实生活问题的行为贯穿始终。

另外，研究者趋于认为合理使用假设显著性检验，辅以效应量，能改进评估结果[32]。心理学家Ferguson于2009年提出，效应量小、中、大的标准分别为0.04、0.25、0.64[33]。一般社会科学类研究，效应量中等及以上为佳。从效应量大小来看，创造力、算法思维、批判思维以及问题解决方面效应量中等，而协作思维方面效应量较小，协作思维的培养方式有待改进。

六、总结与思考

笔者所在团队构建了基于设计的STEM+C理论框架与教学模式，实施教学活动并开展实证研究验证其效果。该教学着重利用真实的问题情境，将现实问题进行抽象与分解，学生设计真实世界的产品以及虚拟世界的产品内核，将真实世界产品内核用可视化的计算机语言表征，制作出原型的基础上，利用迭代调试不断完善制作出解决多元实际问题的产品。在设计与制作产品的过程中，学习者习得知识概念以及培养复合型计算思维能力。研究采用单组前后测准实验研究法，从问题解决能力、创造力、批判思维、算法思维以及协作思维五个计算思维的子维度调查武汉经济技术开发区实验小学四年级学生的计算思维能力。研究表明，基于设计的STEM+C教学在问题解决、批判思维、算法思维以及协作思维四个子维度上均提升，在创造力上没有显著差异，在协作思维上效应量较小。该教学案例有值得借鉴与反思的地方。

（一）设计螺旋式深入的真实、模糊、复杂和开放的问题情境，为问题解决能力的提高提供温床

在本研究中，问题解决相对而言是提升较为显著的子维度。在教学实施过程中，真实的问题情境给学生更多临场体验，同时，开放、复杂的问题将STEM学科内容有效串联，模糊、弱构的问题则适合将问题迭代优化，从而形成有机整体。问题对于STEM教学设计与实施效果具有重要影响[34]。STEM+C教学模式的第一步即核心是设计情境问题，将其作为切入点，融合STEM学科内容，提出多维度的任务单。真实、复杂开放的问题融入培养学生思维过程的任务单，学生在教师的指导下完成问题的抽象与分解，采集与分析，可视化呈现数据，利用计算机编程制作雏形，迭代改善，最终形成解决复杂开放问题的能力。

（二）探究多元教学策略，搭建灵活的脚手架，改进培养协作思维和创造思维的方式

在本研究中，创造力是无显著性差异的子维度。究其原因，在教学策略与脚手架搭建上缺乏一定的灵活性。灵活的脚手架创设则是为科学孕育提供温床，例如，在问题情境设置的过程中，设置更为灵活、多元的问题情境，给予学生灵活的创造空间;在设计过程中，引导学习者绘画思维导图、流程图、设计图等多种形式的模式图，帮助学习者开展更多创造多元作品的机会，这与不少学者认为应当注重培养学生综合运用多种思维工具解决问题的想法不谋而合[35];同时，协作思维的效应量较小。在协作学习过程中，依然存在同伴“搭便车”，成员有争执时缺乏沟通技巧等问题，尽管在教学过程中采用了一对一同伴协作，头脑风暴、同伴互评等协作学习策略，但在搭建脚手架方面可能还存在不足，例如，协作学习任务单的设定上有待斟酌，不断改进协作学习的策略与方式还任重道远。

本研究依托项目组与武汉经济技术开发区实验小学开展合作项目，该项目开展STEM+C教学促进学生计算思维能力的转变，以期促进学生二十一世纪核心能力的培养。但是该研究还存在一定的不足，关于课程的前期设计和现实条件下教师的实施还有待进一步完善。对构建的框架的適用度还需结合不同的主题开展更广泛的研究。本研究仅通过单组前后测进行了效果的验证，未来还将采用更严谨的实验设计方案。

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作者简介：

李幸：在读博士，研究方向为SrEM教育、计算思维、智慧教育、数字化教学设计（lixing1130@mails.cmu.edu.m）。

张屹：教授，博士，博士生导师，研究方向为移动学习与智慧教育、STEM教育、教育信息化技术标准、教育信息化测评与发展战略（zhangyi@mai1.ccnu.edu.cn）。