图形化编程在STEAM教育中的跨学科应用研究——以校本课程《妙趣横生的数学和编程算法》为例
来源：本站 作者：于石薇 郑州市第四十二中学 发表于：2022.09.28 358浏览
文/于石薇 郑州市第四十二中学教师
摘要：在人工智能和创客教育的热潮下，笔者基于STEAM教育理念的指导，运用图形化编程软件，设计和开发了一门与数学学科相融合的创意编程课程，引导学生进行深入探索和实践。该课程能够培养学生的创新意识和创造性思维，对学生数学建模和逻辑思维能力、灵活运用数学知识的能力培养以及理解数学概念有着积极影响，对提高学生实践创新的核心素养发挥积极作用，促进跨学科融合教育在初中阶段更好地推广与落实。
关键词：图形化编程；教学；学科融合；创造力
一、开发背景
2019年教育部办公厅发布的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》提出，实施学生信息素养培育行动，推动在中小学阶段设置人工智能的相关课程，逐步推广编程教育。教育部部长怀进鹏在2021年召开的《2021国际人工智能与教育》会议上表示，中国将加大推动人工智能与教育教学的深度融合，利用人工智能推进教育数字转型、融合创新。近年来，国务院和教育部频频发布相关政策强调编程的重要性，且当下热议的“元宇宙”、“大数据”等社会性话题，无一不与编程有着千丝万缕的联系。如何做到编程与学科深度融合，培养学生创造性思维和综合实践能力是教育者需要思考的一个现实问题。而创客教育核心理念之一正是着力于培养学生的创新能力。
STEAM教育是集科学、技术、工程、艺术、数学多领域融合的综合教育[1]，基于项目或问题展开教学，强调跨学科知识的整合与应用，重视学生的学习体验。在“创客”热潮的背景下，一种全新的课程模式应运而生，即基于STEAM教育理念的信息技术课程设计模式[2]。
Scratch图形化编程软件除了能够制作游戏以外，也可以很好地实现学科融合，如模拟一些生物、化学、物理相关小实验，还可以实现数学复杂运算，绘制数学几何图形，让枯燥的数学变得生动有趣、直观可视化。编程和数学密不可分，它们有着相似的思维逻辑。数学是编程的基石，而编程可以巩固数学知识，升华数学应用，将不可见的理论转化成可见的程序演示效果，将数学从抽象的公式转化成具体的实用工具，从而帮助学生更好地掌握有关的数学基础知识，了解其背后的奥秘。
二、设计思路
结合本校学生的学情、编程掌握情况，笔者开发了《妙趣横生的数学和编程算法》校本课程。该课程是一门基于STEAM教育理念的创客类校本课程，总共分为数字黑洞、趣味自然数、趣味素数、曲线之美、神奇的分形图五个单元，将Scratch创意编程与数学学科有效融合，使数学问题直观化、编程化、演示化，发展学生的计算思维和逻辑推理能力。
该课程将数学融入编程，带领孩子一起从编程的视角看待数学。将数学知识体现在一个个程序项目中，将抽象的数学公式转化成具象的程序项目。通过人物对话形式开展，以项目式的学习方式推进，每节课都会先学习数学知识，推理思维过程，从思维上先理解整个问题的解决思路，然后再转变成程序语言。让孩子在编程的世界再次去认识数学，将算法和数学融会贯通。
三、图形化编程在STEAM教育中的跨学科教学模式建构
在教学资源和学情分析的基础上，结合中学生发展核心素养要求，明确校本课程的教学目标，通过“创设情境”—“分析编程思路，形成初步方案设计”—“作品制作”—“作品分享”—“交流评价”的教学流程和步骤促进核心素养养成[3]。
1.教学资源分析
开设课程需要使用计算机机房——课程教学场所，要求电脑安装软件Scratch3.0。学生在家里也可以使用家里的电脑进行进一步的实践研究。根据每节课内容的不同，教师可提供教学设计、学习任务单和评价量表等。在课程实施过程中，学生在教师提供的案例基础上修改、创造，在编程的过程中感受程序之美、数学之美、逻辑之美。
2.学情分析
在开设校本课之前，可通过线上问卷调查法和对学生进行访谈，了解他们在数学和编程相关知识储备、思维创造力、学习兴趣等方面的情况，并进行具体分析，以确定校本课的成员和教学目标。
3.教学目标
图形化编程和数学学科的深度融合，注重学生创新思维、逻辑推理和综合实践能力等核心素养的培养，在人工智能和创客教育理念下，从传统的单一学科学习能力培养转向多学科核心素养培养[4]。
4.教学活动
（1）创设情境。教师可以通过创设小游戏、播放微课、诗歌演绎等多种形式来创设问题情境，吸引学生的注意力和学习兴趣。
（2）分析编程思路，形成初步方案设计。采取“主体课堂”的教学模式。教师提前设计好学习指导书，并设置任务要求，把任务清单和相关图片、视频等学习素材发送给学生，要求学生开展自主学习；自主学习结束之后，学生前后四人小组开展小组合作探究学习，共同设法解决自主学习中遇到的困惑并交流编程思路，优化方案设计。如此可以培养学生的探究精神和合作能力，真正做到使学生成为学习的主人。此时教师作为指导者，在监督指导学习过程之外，还需对学习有困难的学生及时提供有效帮助，从而引导学生有效开展小组合作探究学习。
（3）作品制作。该环节是编程思路实现的过程，小组成员依据思路独立完成作品创作。如在创作过程中遇到问题，可以向其他小组成员或老师寻求帮助。
（4）作品分享，交流评价。分享是STEAM教育中一个非常重要的理念。在分享交流过程中，学生对不同的作品讨论评价，一方面可以发现作品的闪光点，互相借鉴互相学习，另一方面也可充分认识到不足之处，吸取错误经验，使自己避免犯同样错误。学生在不断出现的认知冲突中，深刻地领悟所学知识。
这一阶段既关注了学生参与过程，也对参与结果进行了很好的评价和激励。对于作品特别优秀的学生，应推荐其在学期末参加“编程之星”评比，以极大地调动学生参与热情，加强其成果意识。学生也可将作品上传至网络学习空间（网易咔嗒或51编程网），与网络上的同伴们开展线上交流，切磋编程技术。
课程整体上采用“小组评价、教师评价、学生自评”多元化的评价方式，运用综合评价表和课堂学习评价表对学生进行过程性评价和终结性评价，体现教学评的一致性。
四、图形化编程在STEAM教育中的跨学科应用案例分析
本部分将以《神奇的勾股树》为例，具体分析图形化编程在STEAM教育中的跨学科应用。
1.教学资源分析
课程实施使用到的教学资源有计算机、Scratch3.0、教学设计、学习任务单和评价量表等。
2.教学内容分析
《神奇的勾股树》是校本课程《妙趣横生的数学和编程算法》第五单元“神奇的分形图”第一课时，主要是让学生了解勾股定理相关内容和分形图的概念，会使用Scratch3.0定义新模块，明确程序设计思路，并会使用递归算法画出完整的分形图。这对学生的编程能力又有了更高要求。通过本节课教学，不仅可以丰富学生的创作方法，还能将数学从抽象的公式转化成具体的实用工具，使学生更好地掌握数学知识，既培养了学生数学建模和逻辑思维能力，又培养了其创新能力和合作能力。
3.学情分析
七年级的学生活泼好动，在小学阶段已初步接触过图形化编程，并且在数学课程学习中已了解勾股定理相关内容，这都为本节课的学习奠定了基础。
4.学习目标
（1）能说出勾股定理和分形图的概念。
（2）会使用递归方法画出完整勾股树。
学习重难点：利用图形化编程绘制完成的勾股树。
5.评价设计
强调评价程序的实用性，程序实现功能的丰富性，程序画面呈现的美观性。每节课学生首先对自己的作品和程序设计展开自我评价；然后由小组成员展开同伴互评，最后由教师进行点评，共同选出优秀作品。
6.教学过程
（1）情景引入
首先请同学们和老师一起欣赏有关勾股定理的微课。勾股定理是初中数学一个非常重要的定理，是世界上最伟大的十个公式之一。它可以表述为：直角三角形的两直角边的平方和等于斜边的平方。用数学语言表达为
。勾股树是根据勾股定理画出的一个可以无限重复的图形，因为重复多次以后的形状像一棵树，因此得名。怎样通过Scratch编程来实现毕达哥拉斯树呢，这就是我们今天所要学习的内容，让我们现在开始吧！
（2）问题描述
勾股树是以勾股定理图为基础，让两个较小的正方形按勾股定理继续“生长”，画出新一代的勾股定理图，如此下去，最终得到一棵完全由勾股定理图组成的树状图形，因此称之为勾股树。
（3）分析编程思路
根据上述算法介绍绘制勾股树分形图的编程思路和步骤。
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神奇的勾股树
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编程思路
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程序设计
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（1）先画出一个大正方形作为最基础的形状。
（2）以这个大正方形的上边作为等腰直角三角形的斜边画出两个小的正方形。
（3）依次重复下去，在每一个正方形的上边分别画出两个小正方形，最终得到勾股树。
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（4）作品制作
该环节是编程思路实现的过程，小组成员依据思路独立完成作品创作。如在创作过程中遇到问题，可向其他小组成员或老师寻求帮助。
（5）作品分享, 交流评价
完成作品后，以小组形式汇报作品设计思路、任务完成情况、学习过程中存在的困难以及学习收获。各小组汇报时长限制在3分钟内。学生根据评价量规的评价指标开展同伴互评。
五、总结
本文通过图形化编程与初中数学结合，带领学生从编程的视野绘制神奇的勾股树，将图形化编程与数学学科融合，不仅锻炼学生了问题解决能力，还培养了其计算思维和创新能力。在初中数学教学中，教师可以结合具体的教学内容和需要，选择图形化编程进行辅助教学，使数学知识更具象化、动态化、生活化和趣味化，促进学生数学核心素养的培养。
参考文献：
[1]朱杏燕,胡畔.基于STEAM教育理念的小学创意编程课程设计[J].教育信息技术,2019,9:12-15.
[2]曾婷.STEAM教育的内涵、特征与实施路径[J].教育现代化,2017,4(33):271-273.
[3]李广文,李正艳.面向核心素养培养的中小学创客课程教学模式研究[J].教育信息技术,2021,1-2:106-109.
[4] 李彤彤.创客式教学:面向核心素养培养的STEAM课程教学新范式[J].中国电化教育,2018,(09):40-47.