作者：张康 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：李骏扬 夏小俊
【推荐摘要】：将计算机科学（Computer Science，CS）融入STEM的最重要目标是发展学生的计算思维（Computational Thinking，CT）和解决问题的能力。STEM教育为将CT融入学习和教学过程创造了一个天然的背景。然而，由于该主题是新颖和开放的，所以需要进行应用研究。在这项研究中，我们设计了一个跨学科的不插电编程活动，将CT整合到STEM活动中，然后在STEM教师参与的专业发展课程（Professional Development，PD）中实施。为了评估效果，我们向教师发放了一份开放式调查问卷，并对结果进行了分析。据此，教师们表示，该活动在应用跨学科方法和使不同学科的观点被其他学科领域的教师看到方面具有示范作用。同时，在教师教育中使用不插电编程活动提供了一个重要的例子。想在课堂上开展不插电编程活动，学习如何将CT融入STEM，对支持学生研究能力的实践感兴趣，并以支持学生的21世纪技能为目标的教师也可以使用这一活动。该活动的跨学科结构及其将CT融入STEM的例子将指导该领域的从业者和研究者。
【关键词】：计算思维；不插电编程；教师教育
01
材料和方法
我们开展这个活动是为了探究防止海洋和河流污染的问题，并开发一个清洁水道的工具。然而，由于以活动为中心的任务，计算思维发挥了重要作用。我们通过课堂活动借鉴了一种不插电的编程方法，将CT融入STEM教学。由于我们将活动的对象考虑在内，它也可以用来帮助教师理解CT，并示范其与STEM的结合。
作为专业发展（PD）课程的一部分，我们与39名STEM教师（主要学科为13名科学、13名数学和13名信息技术）在四个课时内开展了这项活动。我们建立了13个混合小组，包括每个学科的一名教师。所有的作者都合作开发了这个活动，但是由一位信息技术专家主持了真正的实施。此外，在实施的准备阶段，我们在活动的科学、数学和信息学方面进行了科学和技术研究。我们研究了在实施过程中可能出现的问题。
尽管我们的活动是以防止环境灾难为基础的，以防治水污染为目的，但由于可能存在计算和不插电的编程层面，所以它有一个跨学科的结构。我们注意到每位教师是否适合用跨学科的结构而不是多学科的框架来工作，这样他们就可以在整个活动中运用其他学科的思想体系和实践。我们活动的表现形式和任务的分配允许教师在不同的学科中对方法进行推理，而不是通过分离学科进行实施。通过这种方式，可以确保教师经历一个跨学科的过程，并获得将计算思维融入STEM活动的技能。此外，让教师在教室外实践这项活动，建立了一个环境，让学生可以体验他们将面临的挑战，以及在活动的各个阶段可能向他们提出的问题和解决方案的样本。
02
工具和设备
塑料配件；绳索；热熔枪和胶水；磁铁；彩色的塑料游戏球；金属（钉子、螺丝等）；印刷的方向标志（右、左、前、后、转）；粘性胶带；指示禁止区域的输出物；打印的船舶
；将收集垃圾的岛屿
活动前，教师在教室的地板上或其他合适的地方用彩色胶带将图1中的物体制作成6×8的矩阵。这些胶带是用来确定船只的航线的。教师将金属片、木片和塑料球在矩阵中的位置放到地板上。地面上的禁区和收集垃圾的中心岛应位于各自的位置上。图2中给出了进行清洁的船只的特征，这些特征可以根据问题的难易程度进行改变。我们分三个步骤实施这项活动：（1）吸引注意力/确定研究问题；（2）研究过程/不插电编程；（3）演示。
图1:不插电的编程区域
图2:首选的船舶及其特点
03
吸引注意力/确定研究问题
在这个阶段，我们使用了名为“我们的海洋正在受到污染”和“这种污染的代价”的视频来吸引参与者的注意力，并告知他们本课的背景。后来，我们告诉他们，他们将根据这一课来设计一艘船来清洁海洋。但是，我们强调，这艘船没有必要的设备来清除它在海上发现的废物。除此之外，我们还给出了两个限制性因素供参与者考虑：（1）需要设计一个滑轮系统来捡拾海底的垃圾；（2）需要设计一个特殊的机制来拾取金属垃圾。
按照图2中的船舶特征和图3中给出的废物类型，我们用研究问题完成了这一部分。“如何才能最有效地将你设计的船运到港口，并且不会撞上岛屿？”
图3:废物类型
04
研究过程/不插电编程
在这个部分，要求参与者在工作中考虑到在吸引注意力阶段给出的任务的限制。与CT一样，研究过程中也有一些次要的方面。其中包括检查要收集的材料的特性，选择合适的船，在没有电脑的情况下进行编程，计算船要走的路线，设计合适的滑轮系统，以及运行程序。然而，在所有这些过程中，参与者应该思考“产量”对他们来说意味着什么，并根据他们描述效率的方式来计划和执行操作。
图3介绍了要收集的废物的种类、数量和质量。在这一节中，参与者需要考虑到这些特点，因为物质可以在水中漂浮、下沉或悬浮，这取决于它们的特性。物体在水中的运动是会影响滑轮系统的结构、要选择的船只和路由算法的因素。出于这个原因，我们在研究过程中观察了小组对这个问题的讨论，如果需要的话，我们会就这个问题向各小组提出警告。在下一步的活动中，各小组进行了讨论，根据货物量、最大容积、燃料消耗和可用的燃料信息，选择图2中所列的船舶之一。船舶的选择也会影响到效率、总燃料和航线算法。在这里，参与者必须使用数学计算和比较来选择船舶。考虑到废物材料的特性以及船舶的特性，制定船舶路线的算法是至关重要的。图1中的矩阵，垃圾在矩阵中的位置，收集垃圾的岛屿位置，禁止区域，以及港口位置都应在其中考虑。参与者使用本阶段提供给他们的“向前、向后、向右、向左、旋转”代码创建一个算法。在下一阶段，被选来制作船舶动画的小组成员会阅读这个算法，并代入到矩阵中。参与者必须按照他们在算法创建过程中选择的功效变量进行移动。在这个阶段，参与者通过考虑许多特征进行计算，并创建他们的算法（图4）。
图4:确定路线算法的研究
按照这些步骤，应该对滑轮系统进行规划。这个阶段从使用的材料和确定适当的部件开始，最后将材料交给扮演船的人。在活动的实施阶段，我们观察到参与者使用了绳子、铅笔、磁铁、塑料瓶和瓶盖、塑料配合物和仪器来构建系统（图5）。
图5 滑轮样品（废物收集系统）设计
在研究过程的最后阶段，参与者在演示阶段之前，对图1中安装在教室地板上的图像版本进行了实验，然后他们为演示阶段做了准备。
05
演示
在这个阶段，也就是实施部分的最后阶段，各小组必须描述他们的研究计划，他们经历的过程，他们遇到的挑战，他们如何处理这些挑战，他们认为最有效的系统是什么，以及他们如何运行他们的系统。各小组对其CT过程的描述是这个分享过程的基础。在这个阶段，所有小组都成功地完成了任务。然而，一些小组从成本角度看效率，而另一些小组则从环境效率、燃料效率、船舶航程或与小代码一起工作的程序数量等方面看效率。根据各组的预先陈述，这些因素似乎对船舶选择和航线算法都有影响。
在演示阶段的另一个步骤是，被选为小组中的船舶的人通过像电脑一样阅读给定的代码来移动。有些代码被遗忘或输入错误。在这些情况下，我们允许各组更新他们的代码，在完成这个过程的同时也学习了在开发算法时需要考虑的因素。
在这个部分的最后，我们提出了一些问题来评估这个过程，例如“哪个小组开发的系统更有效？”和“哪个小组是最成功的设计？”，老师们在讨论中表示，许多因素都会影响效率。然而，各组之间的共识是，就变量（燃料、时间和成本）而言，需要最少代码的系统是最有效率的。因此，用最少的代码完成任务的小组的工作被选为各组中最成功的。此外，最适合滑轮的系统，即允许绳子上下移动以收集垃圾的系统，被选为最成功的设计。在整个小组讨论之后，我们完成了活动的实施。
06
结果
我们采用了一个开放式的问题表格来收集参与者的评价。该部分由三个问题组成：（1）将不同学科结合起来对你的知识和技能有什么帮助？（2）应用创新的跨学科方法对你的知识和技能做出了什么样的贡献？（3）你对活动的改进/发展有什么建议？
我们分析了对该活动的总体评价及其对跨学科实践的适用性的回答。我们对参与者在分析过程中给出的答案进行了编码，然后为评估目的对这些编码进行了分类。
当对活动的类别和代码进行检查时，发现积极的反馈对“跨学科工作意识”的提高有很大贡献。在这个代码下收集到的参与者的意见表明，他们学会了如何与其他学科合作，并更好地理解在教授某个概念或某些内容时如何使用其他分支。例如，一位参与活动的教师对这种情况做了如下描述，“在设计模型或工具时，我们能够从不同的角度看待事件，我们能够在模型中研究和反思不止一个变量。”而另一位参与者说，“在跨学科工作时，我可以清楚地看到信息技术和科学课程之间的区别，但我对数学计算有了更多的认识。”
参与活动的教师表示，他们总体上喜欢这项活动。同时，他们表达了他们的积极反馈，即该活动提供了一个关于CT和不插电编程的适用性以及如何在他们的课堂上使用这些的例子。据一位参与者说，“我们在这里应用和展示这个活动，对于我如何将所学到的信息与课程教学结合起来，是有好处的”。
活动中最重要和最突出的问题是缺乏时间。参与者清楚地表达了这个问题，一个人说：“我认为分配给活动的时间比必要的要少”。活动需要发展的其他方面包括“给予额外的材料”和“对活动进行更多的结构设计”。由于该活动是基于CT的指导性探究活动，所以向参与者提供了任务的主要问题和可能的材料。在整个活动中，各小组需要确定其问题的解决方法。因为这种情况，每个小组都可以构建自己的计划。参与者也发表了他们对这个案例的看法。例如，一个人说：“我认为课上提供的指示和解释是不充分的。我在其他小组注意到的是，许多人对它有不同的理解”。这种意见可以作为一种偏好来表达，活动的实施可以采取更有条理的形式，使学生更容易接受。
07
结论和建议
本研究中的STEM活动是作为计算机科学活动创建和实施的，包括数学、科学、信息学、工程学和设计学。由于该活动的跨学科性质，我们观察到教师在实施过程中以跨学科研究的方式应用这些学科，而不是作为多学科方法中的独立结构。参与该活动的教师普遍强调，该活动对展示跨学科方法特别有益。这项活动为教师们做出了重大贡献，因为它是跨学科活动在学习和教学过程中的应用范例，并展示了对其他分支的不同学科观点的使用。
不插电式编程实践大多被视为一种用于幼儿期的方法。这个活动的设计被认为在展示不插电编程方法如何在教师教育和中学中使用方面非常重要。这个活动提供了一个他们可以在课堂上直接使用的例子，这一事实得到了参与者在活动评估中的回答的支持。在将计算思维融入STEM活动中时，教育机器人经常被使用。然而，这种使用是有代价的。在不插电编程中使用无成本的废旧材料，可以在STEM教育中提供平等的机会。
时间的限制和所提供的有限材料成为这个活动的一个消极方面，因为它被用于教师的发展课程。这个活动可以根据参与者的特点来安排，也可以根据开放性探究来安排。然而，对于基于探究的结构来说，画出一个总的框架，并通过完全由小组解释来探索任务，从而使实践者能更多地参与到这个过程中来，这是比较合适的。人们认为，通过将不插电的编程方法与背景相联系，将其作为活动的一部分来介绍，会增加其使用。此外，由于其多维结构和对21世纪技能发展的贡献，该活动支持许多教学领域。因此，我们认为并建议，涉及类似的多维教学方法的活动将有利于跨学科的教学发展。
查看原文：Fatih Özdinça；Gökhan Kayab；Filiz Mumcuc；Bahadır Yıldızd Science Activities
DOI：10.1080/00368121.2022.2071817
转自：“百研工坊”微信公众号
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