陈 洁，陈 丽

(深圳市华强职业技术学校，广东深圳，518034)

一、探索背景

(一)计算思维及其重要性

为了顺应信息社会对信息人才的需求，培养学生的计算思维能力逐渐成为各国培养未来人才的重要目标之一。“计算思维”这一术语最早由西蒙·派珀特(Seymour Papert)提出，后经周以真教授界定，得到全世界范围内众多教育工作者的认同及进一步研究。[1]周以真教授及其合作伙伴将计算思维定义为一种思维过程，这种思维过程有助于确切表达实际问题及其解决方案，这种解决方案的表达形式有利于信息处理设备(通常情况下指计算机)的高效执行。我国《普通高中信息技术课程标准(2017年版2020年修订)》中明确定义：计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。[2]计算思维是信息技术学科核心素养之一，但其作用范围并不只限于信息技术领域，而是一种可以为大众应用于其他各领域的思维工具。

综合新课标和周以真教授对计算思维的定义，我们可以将使用计算思维解决问题的思维过程归纳为：界定问题—抽象特征—分解问题—组合形成问题解决方案—总结过程方法—迁移解决其他问题。其中，关键的步骤是抽象特征、分解问题和组合形成问题解决方案。抽象特征可以理解为：从具体事物的多种特征中忽略一些与解决问题无关的特征，保留一些与解决问题相关的特征的思维活动。[3]分解问题是将一个大而复杂的问题分解成一个个适合由计算机进行处理的小问题。组合形成解决问题的方案是将每个小问题的解决方案组合起来，最终形成解决大问题的整体方案。

(二)对儿童进行计算思维启蒙的可能性

根据发展心理学的信息加工理论，3—7岁学龄前期儿童关于熟悉事件的记忆常常以脚本的方式进行组织，即事件及其发生顺序在儿童的记忆中被概括地进行表征。[4]例如，儿童对于“去餐厅吃饭”这件事情的记忆可能是以下几个步骤：开车去餐厅—点餐—等待—吃饭—结账—回家。这种记忆过程与计算思维过程中对问题进行分解是一致的。

根据皮亚杰的观点，学龄前期儿童可以用象征符号表征行为，例如用“汽车”图像代表真正的汽车，并进一步与“坐车”这个行为相连接。[4]这使得处于这一发展阶段的儿童可以使用符号对问题进行描述和表达。

学龄前期儿童的精细运动技能也正在进步：他们能够将简单的拼图拼到一起，能够将不同形状的木块放入相应的孔中。但他们的动作还未达到精确和完美，因而更精细的鼠标定位与点击操作及键盘操作并不适合这个年龄段的儿童。

6—12岁儿童中期的儿童开始具备具体运算思维[4]，他们能够将逻辑运算用于解决与具体的物理事实相关的问题。具体运算思维使儿童能够理解类似时间与速度之间的关系这样的概念。同时，这个年龄段的儿童已经可以通过文字对问题进行描述和表达。

6—12岁儿童中期的儿童的精细运动技能进一步发展，已经可以完成在计算机键盘上打字、用笔写字这样的精细动作。特别是处于这个发展阶段后期，即11—12岁的儿童操控物体的能力几乎与成人无异。

考察这两个年龄阶段儿童的身心发展特征和计算思维的思维过程，我们可以发现，对学龄前期儿童和儿童中期儿童，培养他们的具象问题界定、简单特征抽象、问题分解、问题解决方案的组合等能力是符合儿童身心发展规律的。

抽象思维是一种高阶思维能力，是未来人才培养的重要目标之一。它可以分成不同层次的抽象程度。例如，11—12岁的儿童在理解如自由意志、形式逻辑等高度抽象内容时还会遇到一定困难。因此，我们在挑选交给儿童解决的问题时，需要辨别其抽象程度是否符合儿童身心发展水平。

(三)实物编程在儿童计算思维启蒙中的作用

编程教育是培养计算思维的重要载体。如今，小学高年级信息技术课程普遍引入图形化编程教育。然而，学龄前期儿童受精细动作的发展水平制约，尚不能精确完成图形化编程所必需的鼠标定位及拖拽、键盘输入等动作。处于儿童中期的儿童，虽然理论上精细动作的发展水平足以完成图形化编程所需要的鼠标和键盘操作，但实践中，儿童个体精细动作发展水平参差不齐，在接受图形化编程教育时，可能会影响计算思维的训练效果。

世界卫生组织在2019年提出，为了孩子们的健康，应该限制5岁以下儿童使用电子屏幕；5岁以上儿童使用电子屏幕的时间也应该控制在一定范围内。因此，教育低龄儿童时应尽量回避电子屏幕的使用是教育界的主流共识和大部分家长的期望。如此一来，常见的在计算机上实现的图形化编程教育并不适用于学龄前期及刚进入儿童中期的儿童。因此，在尽量减少使用电子屏幕的前提下，我们要通过编程教育培养儿童计算思维，实物编程是较好的解决方案。

实物编程是一种特殊的编程方式，它的交互界面以实物形式出现，让低、幼龄儿童得以直接将实物编程工具抓握在手中，通过选择、组合程序积木块进行程序设计。儿童可以从简单的编程活动中习得粗浅的编程经验和运用计算思维解决问题的能力。

通常，实物编程工具的设计符合低幼儿童的精细运动发展水平。各程序模块均具有体积较大、易于拾取、便于安装且色彩鲜艳的特点。实物编程具有操作直接，编程简单，交互性强等特征。因此，使用实物编程对低、幼龄儿童进行计算思维的启蒙，可以绕开精细动作发展水平对儿童的制约，专注于对儿童思维能力的训练。部分实物编程模块如图1所示。

图1 5岁儿童手中的实物编程模块

(四)实物编程与STEAM教育的融合

西蒙·派珀特在他的研究成果中指出：“当我们教儿童使用计算机解决数学问题时，应将儿童的目标从‘解决问题’转为‘完成项目’，让儿童‘沉浸于项目当中’。”[5]这种方式能够让儿童解决在传统学校数学教学中看似不可能为该年龄段儿童解决的问题。

基于上述计算思维的思维过程，界定问题这个步骤的存在正是由于先存在一个具体项目。每个项目可以由多个待解决的问题构成。这些问题可以被“解决”，也可以因为“无法解决”而被别的问题替代。但这些问题都从属于项目，项目优先于问题。

STEAM教育通过跨学科整合科学(science)、技术(technology)、工程(engineering)、人文(rrt)和数学(math)等内容，培养学生运用多学科知识来解决实际问题的能力。不同项目需要用到的学科知识可以各不相同，但都需要综合多个学科的知识。计算机科学是在数学的基础上发展起来的，其本身也属于工程类学科，天然具有T、E、M几个属性，故最适合在STEAM教育中扮演“黏合剂”的角色。

我们培养学生的计算思维能力，并不是要将每名学生都培养成信息技术领域的专家，而是要培养学生使用计算思维迁移解决其他领域问题的能力。因此，在STEAM教育中融合计算思维培养符合STEAM教育的目标。

二、实物编程融合STEAM课例

(一)项目情景创设

儿童天生对大自然及其中的各种生物感到好奇。根据动物行为学家卡尔·佛里希对蜜蜂的交流方法的研究，蜜蜂是通过圆圈舞和“8”字形舞蹈来交流蜜源的距离和方位信息的。圆圈舞意味着蜜源离蜂巢较近。“8”字形舞蹈意味着蜜源离蜂巢较远，蜜蜂需要通过舞蹈与太阳的夹角、舞蹈的速度等将蜜源信息传达给同伴。

人工模拟蜂群建立自组织群体是人工智能研究的一个分支。[6]我们可以通过在课堂上向儿童展示关于蜜蜂交流情况的纪录片片段，激发儿童对蜜蜂交流行为的好奇心，引入本课要完成的项目：用实物编程机器人模拟蜜蜂交流行为。

(二)界定问题

接着，教师与儿童一起将模拟蜜蜂的运动路线用上、下、左、右箭头等符号进行表示，即使用低龄儿童可以理解的符号表达需要解决的问题。

(三)抽象特征

儿童再次仔细观看蜜蜂交流情况视频片段并参照前述跑动活动的路线，并在教师的引导下，将蜜蜂的行为抽象为圆圈舞和“8”字形舞蹈。

学龄前期儿童可能存在不认识数字“8”的情况，则可引导儿童将“8”字形轨迹识别为两个相连的圆形。教师引导学生将圆圈形轨迹和“8”字形轨迹进一步抽象，简化为正方形轨迹和两个重叠的正方形轨迹。(一般实物编程机器人都支持直线前进、直线后退、右转、左转这四个指令。)

儿童中期的儿童已经有了具体运算思维，并且他们在小学五年级数学课上会学习角度与方位等相关数学基础知识。因此，可以将圆圈形轨迹和“8”字形轨迹转为实物编程模块所支持的不同角度对应的不同多边形轨迹。例如，实物编程机器人支持旋转15°指令，则可通过旋转15°、前进，如此重复24次，对应于24边形轨迹。

(四)分解问题

我们可以将使用实物编程机器人模拟蜜蜂这个问题分解为对蜜蜂的行为模拟和外形模拟两个子问题。

1.对蜜蜂的行为模拟

教师引导学龄前期儿童将正方形轨迹分解为“前进”—“左转”—“前进”— “左转”—“前进”— “左转”—“前进”(图2)，并引导儿童自行得出正方形轨迹的另一种分解方法(“前进”—“右转”—“前进”— “右转”—“前进”— “右转”—“前进”)。

三要积极参与中国—中南半岛、孟中印缅经济走廊建设，创新对外合作模式，找准同各国互利合作的契合点，统筹推进经济、农业、科技、文化、教育、旅游、金融等合作，让周边国家在与云南的合作中实现互利共赢。

图2 正方形与“8”字形轨迹的拆分

教师可以引导儿童观察上述轨迹分解方案，发现其中的重复操作，从而将上述运动方案简化为：“前进—右转”(重复3次)—“前进”。由于计算机程序在进行处理时，增加一次“右转”并不会影响最终结果，但可以让程序流程更简洁，因此，将运动方案最终确定为：“前进—右转”(重复4次)。

在对正方形轨迹进行分解的基础上，教师进一步引导儿童将“8”字形轨迹分解为“前进”—“左转”—“前进”— “左转”—“前进”— “左转”—“前进”— “右转”—“前进”— “右转”—“前进”— “右转”—“前进”。如同正方形轨迹的处理方法，“8”字形轨迹分解方案也可以进一步简化为“前进”“左转”和“前进”“右转”的重复动作。

对处于儿童中期的儿童，教师可引导他们将圆圈轨迹分解为“前进”→“左转30°”(或实物编程机器人支持的其他角度) →“前进”→“左转30°”……“前进”。儿童可以自行尝试要重复多少次“前进”，“左转30°”动作，机器人才能回到起点，形成类圆轨迹(图3)。通过机器人的运动轨迹，儿童能够获得对多边形更直观的感受。

图3 将圆圈轨迹分解为绘制正12边形

“8”字形轨迹的拆分方案则随着圆圈轨迹的分解方案改变而改变。某些实物编程机器人支持多种旋转角度，如15°、45°等，可以引导儿童进一步观察探究：“在改变机器人单次旋转角度且不改变机器人单次前进距离的情况下，机器人运动轨迹的大小和形状、机器人的运行时间有什么变化？”

在儿童进行观察探究并尝试改变实物编程机器人单次旋转角度时，教师要引导儿童填写指令方案记录表(表1)，培养儿童进行科学观察和记录的习惯。注意表格中的文字可以由符号代替，以适应儿童的认知发展水平。

表1 指令方案记录表

在儿童接受情况良好的情况下，教师可以带领儿童更细致地观察蜜蜂行为，引导儿童注意蜜蜂摆尾动作，并引导儿童在设计实物编程机器人路线时，自行添加震动功能或蜂鸣功能代表蜜蜂快速摆尾动作。

2.对蜜蜂的外形模拟

对于学龄前期儿童，可将蜜蜂外形抽象为：触角、一对翅膀和尾部的蜇针。(图4)儿童可以自行将蜜蜂图像绘制于硬卡纸上，或由教师将蜜蜂图像打印在硬卡纸上，并由儿童将硬卡纸上的蜜蜂粘贴于实物模拟机器人上，模拟蜜蜂的外形。儿童在剪贴的过程中，可以进一步了解并熟悉蜜蜂的特征。

图4 蜜蜂的身体构造示意

对于处于儿童后期的儿童，可在抽象蜜蜂外形时增加更多细节：如3对足、有条纹的身体等(图5)。

图5 较逼真的蜜蜂

(五)组合形成解决问题方案

上文将使用实物机器人模拟蜜蜂这一项目分拆为行为模拟和外观模拟两个子问题，然后儿童可分别解决两个子问题。因此，在解决上述两个子问题后，教师就要引导儿童将两个子问题的解决方案合并为一个最终的方案。

可行的合并策略之一是在调试完机器人的动作后，再完成实物机器人的外观模拟。这种合并策略的优点是在调试机器人的动作时，儿童得以更清晰地观察机器人行为。

其他的合并策略，如分组完成机器人的外观模拟和行为模拟等，需要教师根据儿童的具体人数、学习状态等选择采用。

(六)总结过程方法

教师引导儿童回顾完成整个项目的过程，进一步加深使用计算思维解决问题的过程给儿童留下的印象。本例中，将对蜜蜂的模拟分为行为模拟和外形模拟两部分，然后分别对蜜蜂的行为和外形抽取特征。抽取特征的原则是这些行为和外形特征能够在实物编程机器人上得到实现。儿童在了解需要实现的特征后，再对实编程机器人进行编程，实现相应功能。

(七)迁移解决其他问题

本例中， 将对蜜蜂的模拟拆分为动作模拟和外形模拟两部分的方法，在很多科学研究领域均可找到类似做法。如在设计人形机器人时，机器人动作和外观的设计可以由不同的研究团队完成；又例如，在设计网站时，也可以将其分为后端功能模块设计和前端交互界面设计两部分，这两部分可以由不同的开发人员分别完成。这种分解问题、逐个解决最后加以组合的计算思维思考过程可以迁移解决日常生活中的其他方面。

三、课例中的STEAM要素

本例以生物学科知识，包括蜜蜂的行为和身体结构特征等知识，作为项目的情景导入；通过绘制蜜蜂外形，将艺术与生物科学中的分类学结合起来，将生物学的知识学习转变为手工作业中的观察和模仿；通过对蜜蜂行为的模拟，将数学上的角度、正多边形、方向、圆周角等多个知识点综合运用；通过对实物编程机器人进行编程，将不同学科知识“黏合”为一个完整的项目；通过项目的实施，直观地体现了数学概念在日常生活中的运用。

儿童运用自身的知识储备并学习部分适应自身身心发展水平的知识技能即能完成具体的项目，有助于培养儿童的学习信心、激发儿童的学习兴趣。

四、结语

STEAM教育和各学科的核心素养均指向同一个方向——培养未来人才。作为信息技术学科核心素养之一的计算思维可以而且应该成为STEAM教育的有机组成部分。如果把STEAM教育看成一张网，将其中各个部分——科学、技术、工程、艺术和数学有机地交织在一起，则可以把计算思维看成编织这张大网的重要而有效的思维方法之一。送给孩子们一张网，不如教给孩子们织网的方法。实物编程可融合到STEAM教学中，成为各学科知识的“黏合剂”，将各学科知识有机地组织起来，形成综合的学习项目。