STEM课程中DBL教学培养小学生计算思维的研究

张屹 王珏 张莉 朱映晖 周琬琦 王宇悦

[摘   要] STEM课程具有跨学科特性和问题解决导向，是培养学生计算思维的重要载体。研究提出STEM课程基于设计的学习（DBL）培养小学生计算思维的教学模型，在对跨学科内容分析的基础上，通过DBL教学，促进小学生计算思维的培养。以“会打招呼的机器人”为STEM课程案例，进行具体的教学设计与实施。研究采取单组前后测实验，通过一学期的长时跟踪，同时辅以开放性问题、访谈探究STEM课程中DBL教学对学生计算思维的影响。研究表明，DBL教学对小学生计算思维的培养具有显著的促进作用，但在性别上的影响不显著。对创造力、批判性思维、问题解决、协作学习分维度均具有显著的促进作用，但对逻辑思维分维度的影响不显著。基于研究结果，提出STEM课程中DBL教学的优化建议。

[关键词] STEM; DBL; 小学生; 计算思维

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 张屹（1967—），女，湖北武汉人。教授，博士，主要从事智慧教育、计算思维教育、教育信息化测评与发展战略、教育信息化技术标准研究。E-mail：zhangyi@mail.ccnu.edu.cn。王珏为通讯作者，E-mail：wangjue@zjhu.edu.cn。

一、引   言

近年来，国际上将培养学生的计算思维作为重要的研究与教学实践内容。2018年，美国颁布的《ISTE教育者计算思维能力标准》，要求教育工作者应作为设计师致力于创造有意义的学习模式和环境，促进学生计算思维的培养[1]。STEM教育是以现实问题解决为目标导向的跨学科教育模式。基于设计的学习是STEM 教育中的创新性教学，帮助学生主动学习、探究、协作和创造，培养沟通和协作技能，拓展对计算科学的认知，使学生意识到计算机作为创造性工具的效用[2]。因此，探究在STEM课程中基于设计的教学能否有效地促进小学生计算思维培养的问题，具有重要的理论与现实意义。

二、文献综述

（一）STEM课程教学

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）学科融合的领域，广义的STEM还包括人文、艺术等学科的融合。STEM课程的核心特征是跨学科性[3]，教师教学的重心放在特定问题上，以多学科融合来促进学生解决实际问题能力的提高。因此，涉及问题解决过程中多门课程的共享概念，美国科学教育将其称为跨学科概念（Crosscutting Concepts），它提供了将学科核心概念联系的方法和工具[4]，形成对跨学科的整体认识，见表1。STEM跨学科概念是对学科领域知识共通性的高度凝练，将其引入STEM课程教育中，可以打破学科间的壁垒，实现课程的深度融合和创新教学。

（二）DBL教学

“基于设计的学习”（Design-based Learning，DBL或Learning-by-design，LBD）[2，5]是通过课程和项目学习使学生学会设计，是以问题解决为目标的学习模式。DBL为学生学习学科基本知识和技能提供了工具和技术，并要求学生综合应用多学科知识，通过协作完成设计任务，培养学生学会推断、提升协作学习、问题解决、批判性思维等高阶思维[6]，从而提高学生的创新能力[7]。

相关学者提出了DBL的教学模型，如尼尔森（Nelson）提出了逆向思维模式，从推理思维逆向开展教学，强调设计在实践中的重要性，证明设计的合理性并经过多次迭代改进[8]。克罗德纳（Kolodner）提出基于设计的科学探究循环模型，由设计/再设计和调查/探索两个循环组成[9]。福特尤斯（Fortus）和德尔希曼（Dershimer）开发了“基于设计的科学学习循环模型”，以学生设计制品为活动主线，关注学生的科学推理能力，强调通过物化制品及反馈使学生的推理过程具体化，让学生掌握问题解决及设计技能[10]。在DBL教学中，研究者关注真实情境创设、问题导向、协作学习、迭代设计、学习反思等教学策略的设计[5]。通过设计真实、劣构问题，提供动态、不确定性和挑战性的学习进程，对问题解决方案进行评估与完善，创设真实作品[8]。

（三）计算思维的内涵与评测方式

计算思维是用计算机科学实现的一种解决问题的方法和思维过程，支持信息技术、数学、科学和人文等所有学科的问题解决，力量和作用远远超出了任何一门学科[11]。在STEM课程中，学生学习如何基于现实世界的问题解决，系统掌握计算思维概念和实践，有助于在跨学科领域内形成问题解决方案，发展学生协作、反思、创造等高阶思维能力。Korkmaz，？覶akir和？魻zden基于文献将创造力、算法思维、批判性思维、问题解决、合作学习作为计算思维的核心技能[12]。

在评测学生的计算思维层面，比较常见的评测方法是使用量表/问卷。Korkmaz等人编制量表，通过数據分析与建模验证，形成评测计算思维的通用量表[12]。顾小清团队对该量表进行了本土化应用，基于中学生样本进行量表的构建，验证了其具有良好的结构效度和信度[13]。张屹研究团队对其进行改编，在STEM课程中对学生计算思维进行评测[14]，因此，Korkmaz等人编制的量表对我们评价小学生的计算思维具有参考价值。同时，结合访谈等对量化数据进行补充。Brennan和Resnick提出评估计算思维的三维框架（计算概念、计算实践和计算观点），通过访谈了解学生的计算观念[15]。

三、STEM课程DBL教学培养小学生

计算思维的教学模型

本研究深入分析跨学科STEM教学内容，参考DBL相关教学模型，结合与实验学校合作开发STEM课程的实际经验，在理解计算思维内涵的基础上，构建STEM课程DBL教学培养小学生计算思维的教学模型，从教学内容设计到教师的教学，再到学生的学习，最后内化为学生计算思维培养的逻辑顺序逐次展开，具体如图1所示。第一层是STEM教学内容层，学科内容体现跨学科性，通过跨学科概念体现解决问题的共享模式。第二、三层分别是DBL教学与学习层，建构教学流程和策略，形成多轮迭代的学习循环。第四层是计算思维目标层，最终达到培养小学生计算思维的目标。

（一）STEM教学内容

STEM教学内容的设计强调跨学科知识的整合，既保留单一学科的特点，对STEM教学内容进行有效分解，确保设计的问题和项目对学科基础性知识结构的全面、均衡覆盖，又对各学科进行深度融合，将分学科的知识按问题或项目逻辑进行跨学科重组，综合应用所有关联的STEM学科知识，通过跨学科概念的横向联结，建立多学科问题解决的共享模型。从STEM学科核心内容、跨学科核心概念对STEM教学内容进行细化分析，建立教学目标类目表。其中学科核心内容从STEM主体课程出发（但不局限于此），用英文首字母辅以数字序号的方式，细化该学科涉及的具体知识点。如科学（S）用S1、S2等符号分解知识点。跨学科概念可加强学科之间的联系，凝练核心概念（如图示与模式等），建立其在问题解决过程中的具体表征。

（二）DBL教的流程

DBL教学中指导教师如何教和学生如何学，包含五个主要步骤：（1）确定主题、讲授新知。教师从现实生活中确定主题，并找出与之对应的关键问题，问题的有效鉴定是设计问题解决方案的基础。创设挑战，并向学生讲授背景知识和新知识，为后续学习做好知识准备。（2）描述任务、评估分工。在此阶段，教师需要详细了解每个小组的人员构成，对小组进行目标评估，基于评估结果对人员进行调整。（3）建立标准、提供支架。教师根据教学目标设计评价标准，提供教学支架，如通过图形、图纸等非语言的模型[7]，帮助小组在DBL的设计环节提供具体、可操作的学习支架。（4）监督观察、适时指导。教师对整个学习过程进行巡视和监控，对学生在设计过程中出现的问题进行指导，了解小组学生制作进展，保证各组按照预定的时间完成设计作品。（5）评价成果、教学反思。教师组织小组进行作品展示，全面了解学生作品的实现程度，并对下一轮的改进提出教学建议，进入迭代过程。

（三）DBL学的流程

DBL学习流程是指导学生如何开展学习，包含五个对应的步骤：（1）理解挑战，习得新知。（2）小组分工，明确任务。（3）头脑风暴，设计作品。头脑风暴是针对设计前的个体意见与集体意见的充分整合，进一步厘清设计思路和实现目标。根据教师给予的评价标准和学习支架，学生进行图纸（或模型）的设计。（4）原型制作，调试修改。原型制作是将设计想法具体化，它并不是最终的问题解决方案，通过原型制作，快速构建作品。调试是对原型的优化，重新定义、检测、调整初始观点或方案。（5）展示评价、迭代改进。最后，学生通过作品展示，进行解释和交流，促使学生的学习反思与作品迭代设计。

（四）计算思维培养目标

综合Korkmaz等[12]的相关文献，构建包含创造力、逻辑思维、批判性思维、问题解决、协作学习的计算思维核心能力。创造力体现思维的灵活性、深刻性和缜密性;逻辑思维包含定义问题、分解与抽象问题、对数据进行分析建模、建立算法步骤等逻辑化步骤。批判性思维包含学习者整合他人理解，对问题进行理解、表达的能力，以及对学习的自信心等;问题解决包含对问题的分类，对解决方案的阐述和应用，使用科学的实验方法与分析方法等，体现实现问题解决的一系列过程;协作学习能力包含小组学生之间进行观点、建议和经验的交流能力，向同伴学习的能力与贡献、评价观点、意见的能力。建立计算思维的类目表，以英文字母加数字序号表示细化目标，如创造力用C1、C2等符号表示。

四、“会打招呼的机器人”STEM课的

教学设计与实施

（一）教学内容分析

本次课学习主题为“会打招呼的机器人”，主要实现利用舵机、超声波和蜂鸣器搭建硬件，用程序实现当机器人看到人时播放提示音并招手，没有人时静止的功能。教学内容是跨学科STEM课程，科学涉及理解舵机、蜂鸣器和超声波的工作原理、功能等;信息技术涉及蜂鸣器、舵机、超声波等硬件知识，上传与固件调试，循环、条件判断语句的编程应用等;工程涉及设计图的绘制、机器人结构搭建、程序结构的迭代优化;数学涉及舵机转动角度、等待时间的选择，超声波测距的计算;艺术涉及机器人的外观形态、装饰。跨学科概念涉及“具体与抽象”等的概念。

（二）学习者分析

教学对象是一到五年级的35名学生，其年龄跨度较大。和其他常规班学生相比，学习STEM课程的学生对机器人编程学习与实践更感兴趣，大部分已有一定的编程基础和较强的动手能力。

（三）教学目标

“会打招呼的机器人”课程案例的教学目标分为STEM学科核心知识、跨学科概念与计算思维培养目标，具体见表2。

（四）教学设计与实施

该课的教学设计与实施如图2所示，分为DBL学习流程、师生活动、资源与工具和计算思维培养目标，如图2所示。

教师创设真实情境任务：“新西蘭中小学校长们将于近期参观学校，我们要用自己设计的Arduino机器人欢迎他们”，主题内容来源于现实生活，能让学生面对真实的任务解决问题，体验学习的挑战性。教师

展示机器人，引导学生从不同角度思考机器人功能，同时讲授舵机、蜂鸣器和超声波等硬件工作原理，帮助学生了解生活中舵机与超声波的功能与作用等背景知识。在习得新知后，教师对设计任务作详细的解释和描述。教师展示流程图，如图3所示。本例中如果超声波检测到的人距离机器人的范围在0～20厘米之间，则播放提示音，手臂转动重复执行3次并最后回正;如果超声波检测范围大于等于20厘米，则手臂回正。

学生根据任务要求进行自由分组，初步分配任务。教师则根据学生的组队与分工情况，进行评估与调整。教师提供思维导图，引导学生“头脑风暴”。各小组通过画思维导图找出机器人存在的问题，如图4所示：如有学生认为机器人存在“听不见、费口舌、不可爱、不自动”等问题，提出让机器人“全自动、可爱、可测距、有声”等改进要点。学生画出作品设计图，并提出问题解决的要点与实施方案，如小组认为搭建分为“超声波、舵机、蜂鸣器”，编程分为“设置变量、调试和顺序”，对编程提出“要调试、模块化”。

学生根据教师提供的Arduino 套盒材料，搭建机器人，体验真实的设计感，完成机器人主控板、主体、手臂、电池托盘和底板等的搭建，最后形成整体搭建，如图5所示。

教师在编程部分引导学生分步骤、分模块进行程序调试与编制。调试部分涉及连接到电脑、进入调试模式、超声波测试、舵机测试、程序编写与调试、程序上传、离线运行等。其中超声波模块是利用发出和收到超声波的时间间隔进行测距，学生通过机器人判断距离，理解条件判断语句和循环语句的应用。超声波的测试代码如图6所示，实现的功能有对手臂（舵机）的初始化、来回摆动和回正的效果。调试好各个主要模块以后，进入正式的编程，通过模块化编制程序并进行调试。

学生以小组为单位展示设计作品，反思存在的问题。通过教育云平台对小组进行投票，选出设计、结构与功能实现最优的小组作品。同时，教师对学生在设计过程中表现出的优秀品质，如在编程中有自己的想法、思维清晰、敢于创新等进行及时反馈与表扬。针对真实任务，通过课外拓展让学生迭代设计：如进一步简化程序、让音乐更丰富、增加按钮控制机器人的启动或动作、用英语汇报展示等。学生在后续的迭代优化中，在教师、家长的支持与指导下，不断优化作品设计。在新西兰代表团观摩学生展示课时，学生很投入地思考、设计、建构和编程，协作完成任务。学生能积极大方地、用流利的英语与代表团进行交流，得到了代表团的高度赞许。

五、实验研究设计与结果分析

（一）问卷设计

研究基于Korkmaz等人的计算思维量表[12]和Miller等人的创造力量表[16]改编问卷，共分5个维度。其中，创造力、逻辑思维、批判性思维3个维度分别包含5个题项，问题解决维度包含6个题项，协作学习维度包含8个题项，共29个题项。每个题项采用李克特五点（从非常不同意到非常同意）计分。由于STEM课程班学生人数少，随机在两个编程教学班中进行问卷预测试，有效作答85份，得到问卷总体维度的Cronbach系数为0.952，创造力维度为0.877，逻辑思维维度为0.880，批判思维维度为0.829，问题解决维度为0.838，协作学习维度为0.872，问卷具有良好的信度。

（二）研究过程与数据分析

在学期开始与结束时，组织学生进行前后测，采用网络问卷的方式进行问卷的发放与回收，研究时间为一学期。参与课程学习前后测试且配对成功的学生共19人，其中男生11人，女生8人。对数据进行非参Wilcoxon检验，对问卷前后测整体维度和各维度的均值进行了比较，如图7所示，学生在计算思维整体维度，创造力、逻辑思维、批判思维、问题解决、协作学习五个分维度，后测均值均比前测有较大的提升。

图7   计算思维整体及分维度前后测均值比较

计算思维整体维度（p=0.004<0.01），表明学生经过一个学期STEM课程的DBL学习，计算思维得到显著提升。其中在创造力（p=0.010）、批判性思维（p=0.040<0.05）、问题解决（p=0.005<0.01）、协作学习（p=0.010）维度上均得到显著提升，在逻辑思维（p=0.074>0.05）维度上未产生显著影响。为进一步验证学生计算思维发展状况，在后测问卷中设置了开放性题目。在创造力方面，学生在编程时“按照自己的想法来，不参考老师思路”（43.75%），“参考老师的思路，但会与自己思路结合”（50% ），“完全参照老师的思路”（6.25%）。在设计能力上，擅长编程（50%），擅长搭建（18.75%），编程和搭建（6.25%），画设计图（6.25%），表达清晰的思维过程（6.25%），调试、改进错误（6.25%），制作作品（6.25%）。在学习结果的产出中，学会编程（50%）;画设计图/思维导图（31.25%）;制作作品（12.50%）、新知识（5.56%）、与人协作（5.56%）、创新（12.5%）、提升学习兴趣（5.56%）和提升思维（12.5%）。

对不同性别学生的计算思维发展作MannWhitney检验，其中男生（M前测=4.01），女生（M前测=4.06），p=0.840>0.05;男生（M后测=4.51），女生（M后测=4.30），p=0.351>0.05，说明学习前后不同性别学生在计算思维上均没有显著差异。其中，男生计算思维的前测均值低于女生，但经过一个学期的学习后，后测均值要比女生高，说明男生在STEM课程学习之后的计算思维发展整体高于女生。

（三）讨论与分析

1. STEM课程DBL教学能显著提升小学生的计算思维和问题解决能力

DBL是一项高度综合的学习活动，学习者针对现实世界中的问题或挑战完成学习任务，它为学生与真实世界提供了连接的途径，信息技术则为学生搭建模块化、智能化的平台，将创意通过实践加以快速实现[17]，有助于提高计算思维和問题解决能力。DBL为学生提供了科学且有效的学习方法，使学生更加接近现实、增强个性，为学习和解决问题提供了充足的动力，通过激发学生的抽象思维来提高学生的计算思维[2]。本实验学生计算思维（M前测=4.03，M后测=4.42，p=0.004<0.01），问题解决（M前测=4.00，M后测=4.42，p=0.005<0.01）。学生ZJC（男）：“我觉得这次收获特别大，因为我之前没有上过编程课，从这里我可以学到很多的东西”，该生第一次参加社团，就入选参加2019年武汉市中小学机器人、无人机展示等活动，获得优异成绩。

2. DBL教学能显著提升小学生的创造力

创造力（M前测=4.15，M后测=4.56，p=0.010），DBL教学锻炼了学生的动手实践能力，能显著提高小学生的创新意识与能力。一学期参加社团的35名学生，一共有24名学生在省市级机器人创新比赛中获得优异成绩。HZY（男）为二年级学生，在省级中小学电脑制作活动中荣获数字创作一等奖，并参加国际MakeX全球赛，他认为“学习到了很多编程知识和很多创造性知识”。GHR（男）认为学习需要灵活性，“你不要只从一个角度看问题，要换一个角度，直到换到对的角度为止。”

3. STEM课程DBL教学能显著提升小学生的协作学习能力和批判性思维

协作学习（M前测=3.90，M后测=4.39，p=0.010），批判性思维（M前测=4.18，M后测=4.46，p=0.040<0.05），学生在学习中承担的是极具挑战性的任务，设计活动的协作性为学生的共同参与学习提供了机会，这就需要小组成员之间具备良好的沟通与协作能力，学会集体解决问题的技巧与方法，发展批判性思维。学生HYT（男）：“在这里认识了新朋友。”学生CYX（女）：“在这里学习，我知道了需要和别人团结。”DBL的协作学习过程帮助学习者建立自信，提升自我效能感[2]。学生DMY（男）：“我觉得编程就是一种新的思路，可以用模块组织自己的想法。我觉得很开心，因为我有了另一种体现思维的方法。”

4. STEM课程DBL教学对小学生的逻辑思维具有一定的提升作用

逻辑思维（M前测=3.93，M后测=4.27，p=0.074>0.05），DBL对小学生逻辑思维具有一定的提升作用，但未产生显著影响。学生在学习中运用数学、编程等知识进行计算与分步骤、分模块的编程设计，不仅帮助学生系统掌握编程知识与技能，同时也不断提升逻辑思维。学生SJF（女）：“我从社团学习到了很多的编程知识，我的数学思维变好了。”学生WAQ（女）：“通过比赛学习到了很多，提升了自己的思维。”

六、STEM课程中DBL教学培养小学生

计算思维的教学启示

（一）进行合理的小组组队与分工，促进STEM课程DBL教学的顺利开展

组队与分工是DBL教学能否达成预期目标的重要保障。在该案例中，一是考虑组队的合理性，每组保证有1名具有2～3年编程基础的学生主导编程。学生能根据以往的经验和思路快速适应新的编程任务。二是人员分工的合理性，教师对每个小组进行深入交流，帮助学生反思自己的优势与不足，促使小组合理分配任务和紧密协作。由于有了良好的小组分工，DBL教学便能高效地开展，并达成预期目标。Koehler 和Mishra通过实验发现，以小组的形式共同完成一个设计项目，将在很大程度上增强学生的学习动机和学习兴趣，学生所掌握的知识也远远超过了课程知识范围[18]。

（二）注重内容难度的升级并提供具体明确的教学支架，促进STEM课程DBL教学的深入实施

跨学科的STEM课程涵盖多学科方面的知识，教师可创设不同难度的学习挑战。本案例针对真实任务，教师对作品功能及其展示逐步增加设计难度。Jun、Han和Kim开展的实验设计所选取的内容难度由易到难，逐步进阶，经过实验验证学生的计算思维能力有了一定的提升[2]。谢作如主持“睡眠监测仪”创客项目，经过三轮的双循环迭代，对睡眠检测仪设计进行不断改进，促进了学生对算法的深入理解[19]。

在DBL教学中，教学支架的引导和帮助成了破解教学重点、难点的关键所在。本轮教学中，教师向小组学生提供了思维导图开展头脑风暴，形成小组明确的设计思路和问题解决方案。在评价环节，制定清晰明确的评价量规，供学生进行组间互评。Mehalik认为，在DBL中为学生提供明确的教学支架可以鼓励学生审查、反思并改进他们在早期阶段得出的成果[20]。Hmelo-Silver认为，支架策略在复杂任务中可以帮助学生减轻认知负荷[21]。

（三）进行设计过程的学习反思，促进STEM课程DBL教学的不断优化

反思是对设计过程进行全面而深入的思考和总结，包括设计得失、问题解决、学习目标实现等方面，使学习状态更佳。在小组展示交流时，教师引导学生思考：如我在这个设计型学习中学到了什么？我们的方案是不是最优的？还有没有改进的空间？如果有，如何修改？在本案例中，学生根据自身优势与不足对小组分工进行任务审视;在产品设计与制作过程中，对问题与错误进行解决与调试;在展示分享过程中，对小组互评进行反思。如在投票阶段，一个小组内部因“为什么投其他小组而不投自己组？”产生争执，小组成员反思“因为我们小组确实没有其他小组做得好”，最后进行了客观公正的投票。Mouza等人在研究过程中认为，通过自我反思帮助学生梳理他们的经历，整理遇到的困难，从而实现设计过程的优化[22]。

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