计算机思维在STEM教育中的实践与应用

作者:翟文辉 来源:课程教育研究 2020年8期
  【摘要】本文简述STEM的概念以及设计思路,以具体设计项目为例,从数据提取、抽象模型、优化算法、模拟编程等方面阐述STEM教育在计算机思维的培养过程的实践和应用。
  【关键词】STEM教育  计算机思维  实践应用
  【基金项目】甘肃省教育科学规划课题,课题编号:GS [2018]GHB3026。
  【中圖分类号】G633.67 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2020)08-0244-01
  STEM是将在教育中融入多种学习方式,通过项目学习开展多学科的学习内容。计算机思维作为人才核心素养的主要标志,将计算机知识和其他学科展开整合,高效应用STEM提供真实的学习场景,为计算机思维的发展提供空间。
  一、STEM教育介绍
  (一)概念
   STEM是将科学、技术、工程和数学等学科之间有效整合,更加强调不同学科间的互相融合,核心意义以及主要特征就是学科间的跨越。STEM教育是以学科之间的整合为核心,将现实问题加以解决。STEM教育重点是对教学方式与策略的改革,其应用的有效性主要从教学方式的改变、学科整合、学习效率提升等方面入手,以个人视角将此概念生活化。应用STEM教育可促使学生更好地掌握各种跨学科知识,通过交叉学科之间相互协作,构建知识和技能。特别是将其和编程教学之间的融合,可促使学生计算机思维不断形成,进而提升综合素养。
  (二)设计思路
  当前,计算机思维在不同领域内被广泛应用,逐渐形成了成熟的方法与理论。在计算机方面应用STEM教育可简化学生的思考过程,优化思维方式,积极转变学生思考问题的方式,创新知识加工和思考途径。在工具方法方面,还能向学生呈现出更为完整的工具包,助力学生创新思维的同时,使其对问题展开深入探索,进而提升其计算机思维水平。
  二、计算机思维在STEM教育中的实践与应用
  (一)项目概述
   本STEM教育项目中,基于水循环知识,探索雨量器的主要作用,通过对具体问题加以分析,设计出草图,进而展开制作和测试。下面就水循环这一过程展开编程模拟,训练学生计算机思维。
  (二)实践应用
  1.数据提取
  使用小组讨论方式对“雨水的来源和去向”做出探讨,使用思维导图对相关知识点进行梳理,并为学生播放微视频“雨水形成过程”,利用网络搜索各项活动资料,获取和项目相关的数据,总结出水三种状态以及水循环需要经历的三个过程。水分为固态、液态以及气态。经历蒸发、凝结、降雨三个过程之后,在海上、海陆、陆内之间形成循环。水循环的主要意义是保障地表水形成动态平衡的状态,进而保障地球表面热量的平衡。水循环作为联系海洋和陆地的重要纽带,在保持地表形态过程具有重要作用。
  2.抽象模型
  计算机思维当中,抽象模型属于常用方法,同时也是计算机教育的重点目标。抽象的过程是将某一特定环节的信息进行简化,形成集合,将其重要特征加以保留,获取便捷的计算方式。除了事物特殊属性以外,对其公共要素以及情境展开提取,和其他事物之间紧密联系,制定出解决方案。在此项目中,教师可使用可视化思维挖掘知识,显示出抽象模型。将水三种状态循环以及自然界中水循环常见形式显示出来。
  3.优化算法
  优化算法是按照抽象模型对算法提取,经教师指导后,由学生自主完成实验内容。使用保鲜膜、保鲜盒、小容器、冰块、热水等为实验材料。将小容器置于保鲜盒的中心位置,使其开口向上,之后向其中注入热水,保障热水液面低于容器边缘,最后使用保鲜膜将保鲜盒和密封,在上方放置冰块。各个小组观察实验现象,之后将报告填写完整。
  4.模拟编程
  使用流程图对水三种状态循环展开程序模拟。在程序开始时,呈现出水的液态形式。设置升温和降温按钮,然后单击升温钮,这时水温逐渐升高,当温度超过100℃之后,变为气态状态;之后单击降温钮,水温不断降低,当温度小于0℃时,水变成固态,之后实现编程模拟。应用Scratch进行编程,需要确定不同状态水的角色,使用循环语句作为脚本,同时使用逻辑、判断、循环等语句展开判断。将背景调用之后,利用各种调控按钮对水温展开调节,最终完成水循环的模拟过程。
  5.实验结论
  在实验过程,利用STEM教育与计算机编程有效融合,对水循环的整个流程展开实验,让学生对实际问题展开探究,通过编程解决实际问题,强化其计算机思维能力。通过程序语言进行人和计算机之间的交流。每个程序都有特定的指令和符号,将这些指令按照相应语法规则重新组合,实现所需功能的程序设计。使用流程图对程序实现过程加以梳理,模拟出水循环的状态,最终形成计算机思维[1]。
  结束语
   总而言之,将STEM教育在计算机教学中有效应用,为编程教学提供了新的发展机遇,利用各种可视化的工具,逐渐培养学习者的计算机思维能力,将隐性知识进行显示化处理,对真实的场景展开模拟,进一步提升学生思维能力。
  参考文献:
  [1]程育艳.在“STEM+项目”中培养学生计算思维的实践探究[J].基础教育参考,2018(21):37-38.

未经允许,请不要转载《 计算机思维在STEM教育中的实践与应用
上一篇:中学信息技术教学中抛锚式教学法的实践
下一篇:智能化仪器仪表课程混合式教学改革实践和探索