促进计算思维的C-STEAM教育项目式学习设计与实施

摘要：本文以铜壶滴漏主题为例，采用C-POTE模型设计并实施跨学科主题学习活动。实践表明，本次学习活动有效整合了项目的“传承”与“创新”，促进了学生计算思维的发展，增强了学生的文化认同和民族自信，为中华优秀传统文化的教育方式创新提供了新的探索路径。

关键词：计算思维；C-STEAM教育；项目式学习；铜壶滴漏

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）06-0062-05

引言

《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》明确指出：义务教育课程需要优化课程内容结构，设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联。[1]然而，目前的跨学科主题学习缺乏具体的问题链和任务簇，难以实现学生全面发展的培养目标。基于此，詹泽慧等人在面向文化传承的学科融合教育（C-STEAM）的基础上，梳理了16个学科的跨学科主题学习的要求，提出“C-POTE”模型并进行有效论证。本文，笔者尝试将计算思维的培养融入面向文化传承的学科融合教育的项目式学习中，并以铜壶滴漏主题为例，采用C-POTE模型设计并实施项目教学，以更好地促进学生的计算思维发展，帮助学生深入了解中华优秀传统文化。

文献综述

1.计算思维

周以真[2]提出，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。Korkmaz等人[3]根据ISTE计算思维理论框架，编制计算思维量表（Computational Thinking Scale，简称CTS），并对其进行修订，使其适合测量K12阶段学生的计算思维能力水平，得到广泛认可。美国国际教育技术协会（ISTE）解读计算思维是创造性思维、算法思维、批判性思维、问题解决能力、合作思维和沟通技能的共同体现。

2.面向文化传承的学科融合教育（C-STEAM）与C-POTE模型

STEM教育有机融合了科学、技术、工程和数学等多学科知识，有助于利用跨学科知识解决生活中的真实情境问题。从STEM教育的演进历程来看，人文艺术作为不可或缺的元素，被有效地融入到跨学科学习活动当中，使得STEM教育扩展为STEAM教育，帮助学生以更加多元化的视角去看待问题、解决问题。2016年，邹晓东提出A-STEM的概念，将人文与科创进行深度融合，以便更好地培养面向未来的人才。陈忞等人在此基础上深入分析了A-STEM的跨学科融合教育价值，认为人文艺术能够自然地构成其他学科表达、表现与交流的基础。[4]21世纪核心素养5C模型报告将“文化理解与传承”作为核心，强调在实际行为层面践行优秀文化所蕴含的人文精神与价值观念。[5]詹泽慧等人在A-STEM和21世纪核心素养5C模型基础上，提出了面向文化传承的学科融合教育（C-STEAM），并细化其核心价值定位和分类框架[6]，同时，还在C-STEAM基础上构建了以“概念群→问题链→目标层→任务簇→证据集”为核心的“C-POTE”模型[7]，强调学科大概念，注重问题链和任务簇的层层递进，以有效开展跨学科主题学习活动。

综上所述，C-STEAM将优秀传统文化与学科教学深度融合，采用C-POTE模型将多学科主题内容融合起来，真正做到优秀传统文化的传承与创新，以培养学生的高阶思维能力。

3.C-STEAM、C-POTE模型与计算思维的关系（如图1）

C-STEAM强调面向文化传承的跨学科主题学习，通过整合跨学科知识解决实际问题，是培养计算思维的重要途径。同时，C-POTE模型主张以大概念为基础、以核心素养为导向的跨学科教学思路，通过问题链和任务簇将多个学科知识串联起来，采用项目形式解决实际问题。因此，强调运用计算机科学的基础概念进行问题求解的计算思维可以帮助学生在C-STEAM项目中更好地学习，而C-POTE模型将为项目开展提供强有力的理论支撑。

促进计算思维的C-STEAM教育项目式学习案例研究

1.研究设计

（1）研究目的

铜壶滴漏是我国古代的一种计时器，其通过观测漏水来计时，弥补了圭表、日晷等依赖日光的计时器的缺陷，体现了中国先进的古代科学技术和创新精神。本研究从计算思维视角出发，主要让学生了解古代计时工具的演变，理解铜壶滴漏的构造原理，分析现有水钟作品以及实验误差，探讨可改进的地方，并在此基础上结合信息科技进行文化制品的设计制作，让学生学会通过观察装置的呈现效果，优化实验结果，从而促进其计算思维的发展。

（2）研究对象

为了更好地体现研究的可靠性以及分析数据的科学性，本研究以Z市某中学八年级学生为研究对象，采用随机抽样的方法随机抽取15名学生组建C-STEAM教育项目学习小组，开展为期4周的项目实践。

（3）研究工具

计算思维量表（CTS）、学习任务单、学习评价表。

2.研究实施

本研究以义务教育信息科技八年级“物联网实践与探索”中的跨学科主题的设计制作类为例，选取铜壶滴漏项目，引导学生运用跨学科知识解决复杂问题。

（1）深入文化内涵理解，明确概念群

学生通过基础阅读和文化观摩等活动，构建对古代计时工具技术和文化内涵的进一步认识。教师将圭表、日晷、刻漏、水运仪象台等几类古代计时工具的相关图文和视频资料分发给不同小组，引导学生理解计时工具的构造原理和优缺点，让学生对古代的计时技术演变有更直观的感受，从而确定跨学科主题——“认识和改造铜壶滴漏”。同时，帮助学生组织历史、数学、物理和信息科技等学科相关知识内容，借助大概念生成图示，厘清项目活动中涉及的一级学科大概念，并在学科交叉的基础上生成二级跨学科大概念，最终概括形成三级跨学科大概念，即时间可以通过多种方式测量，具体如图2所示。

（2）体验文化情境感知，形成问题链

本阶段包括四个学习活动，即创设情境、提出问题、形成小组、明确任务。在创设情境环节，教师提出“光阴为什么叫光阴”“‘一寸光阴一寸金’这句话中为什么光阴以‘寸’计”“时辰指什么”等问题，引发学生的思考。在提出问题环节，教师通过图片、视频等资料向学生展示中国古代计时的多种工具和方法，引发学生对古代科技的文化认同，并引导学生围绕其提出更多新问题，如“这些计时工具的结构是怎样的”“它们是如何计时的”“它们各有什么优缺点”。在形成小组环节，学生可进行异质分组，有效保证项目的正常开展。在明确任务环节，一是了解古代各种计时工具的结构原理、优缺点等，以及古今计时法的关系和换算方式；二是了解其他的水钟作品制作过程，分析其实验误差，探讨可改进的地方，并利用身边的材料，借助Arduino制作出改良版水钟。

（3）引导文化特征探究，制订目标层

本项目选取由元代广州工匠所制的铜壶滴漏为探究和创作主题，让学生探究铜壶滴漏的特征。首先，教师展示铜壶滴漏图片，引导学生提出问题，如“铜壶滴漏装置的计时原理”“铜壶滴漏装置为何需要三个铜壶（日壶、月壶、星壶）来出水”，学生结合物理常识，通过简易实验，理解铜壶滴漏的基本结构需求，并填写学案。接着，教师展示其他学生的滴漏作品，引导学生思考在实验中可能导致误差的原因，并思考是否可以利用传感器、编程技术进行创新改进（形成初步的设计想法）。

例如，就“如何记录时间t与水位高度h两个变量之间的关系”这一问题而言，在改进装置前，通过秒表计时，每间隔一定时间（如一分钟）画一条刻度线，标记水位高度。在实际操作中，观察秒表到达某一时刻与画下刻度线这两项动作之间可能有一定的时间差，而画下的刻度线与那一时刻实际的水位高度也可能存在偏差。在改进装置后，利用超声波传感器采集水位高度数据，并将计时任务交由程序去完成，通过程序计算时间t和水位高度h之间的函数关系，再通过函数关系和h值推出t值，借助Arduino套件中的电子屏，实时显示t值，如图3所示。

（4）实现文化制品创作，设计任务簇

本阶段通过让学生进行文化制品的设计与创作，培养其动手操作能力。

首先，测试超声波传感器。教师引导学生编写Mind+程序，在受水装置中注水，实时观察串口监视器回传的h_test值（传感器与水平面的距离），检验HC-SR04超声波传感器精确度，发现h_test值并不准确。教师介绍HC-SR04超声波传感器的测距原理，学生根据原理分析误差原因：受水瓶口太小，超声波的发射探头发出的信号先到达了瓶口边缘，而不是到达瓶中的水面，测到的是超声波传感器瓶口边缘的距离，而不是到水面的距离。因此，需改进受水装置，让超声波传感器能直接探测到水面。教师引导学生画图并利用数学知识分析出受水装置应该尽量矮而宽才能满足该需求。

接着，各组学生通过绘制草图来设计装置，并确定所需材料、策划制作步骤。在备好材料后，学生搭建滴漏装置、分解问题、设计算法、编写程序。在实验验证阶段，可以通过I2C液晶显示屏第一行显示系统计算出的水流时间，第二行显示通过水面高度变化量与系数相乘得到的时间。运行程序，对比两行时间数据，数据越接近，即说明该滴漏装置计时越准确。

在测试过程中，学生会发现一些问题，教师需要适时帮助学生分析其原因，并对程序进行优化，如表1所示。

（5）聚焦教学评一体化，收集证据集

在完成创作后，各组进行作品展示。学生可选择合适的多媒体手段展示小组作品，如通过在线平台进行作品展览和交流分享。教师引导学生为作品评分，并思考其中难以避免的误差因素。

3.研究结果与分析

（1）C-STEAM教育项目式学习能够有效促进计算思维的发展

为了检验学生在项目式学习前后计算思维能力有无差异，本研究采用配对样本t检验进行论证。结果显示，在学生完成项目式学习后计算思维能力的均值要高于项目式学习前计算思维能力的均值，且存在显著性（p＜0.05），如下页表2所示。由此可见，C-STEAM教育项目式学习采用C-POTE模型设计并实施跨学科主题学习活动，能够有效促进学生计算思维的发展。

（2）C-POTE模型的教学过程能够充分体现出计算思维

为了更加全面地了解项目实施的效果，本研究对学生的学习任务单和学习评价表进行分析，并且对部分学生进行深入访谈。首先，从学习任务单的填写情况来看，大部分学生表示项目分析和项目规划的能力最为重要，需要在项目开始时分析项目目标及其可行性，规划项目实施方案，并且针对给定的任务进行分解，明确需要解决的关键问题。从学习评价表的填写情况来看，（在PPT汇报层面）学生对铜壶滴漏的文化理解较好，能够反映出学生深入了解过铜壶滴漏的优秀传统文化；（在文化制品制作层面）学生对滴漏装置的制作具备一定的创新意识；（在实验层面）学生对滴漏装置测试、实验数据记录和制品迭代均有较高评价。其次，从访谈结果来看，当学生被问到“如何记录时间t与水位高度h两个变量之间的关系”时回答说：“可以结合智能设备来检测水位变化，如传感器能够实时传输数据，能够将水位高度呈现出来。”由此可见，学生能够从问题中思考解决方案，并且从传感器的角度思考迁移与创新，体现出计算思维在现实生活中的意义。

结语

C-STEAM教育项目式学习是一种面向文化传承的跨学科主题学习活动，立足学生心智发展水平，融合信息科技各模块内容，创设真实情境，充分激发学生参与活动的兴趣和创新动力，充分体现活动的综合性和实践性。研究表明，本项目采用C-POTE模型能有效推进项目教学，有助于促进学生的计算思维发展，增强文化认同和民族自信。后期，本研究将进一步开展效果验证，并将其应用于更多面向文化传承的项目教学当中，更好地做到优秀传统文化的传承与创新。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部关于印发义务教育课程方案和课程标准（2022年版）的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[2]Jeannette J M. Computational Thinking[J].Communications of the ACM， 2006（03）：33-35.

[3]Korkmaz O，Cakir R， Ozden M Y. A validity and reliability study of the computational thinking scales （CTS）[J].Computers in Human Behavior，2017：558-569.

[4]陈忞，陈珍国.A-STEM：跨学科融合教育价值重构[J].教育发展研究，2019（06）：15-22.

[5]本刊综合.“文化理解与传承”是21世纪核心素养的核心[J].福建教育，2019（10）：10-11.

[6]詹泽慧，李克东，林芷华，等.面向文化传承的学科融合教育（C-STEAM）：6C模式与实践案例[J].现代远程教育研究，2020（02）：29-38.

[7]詹泽慧，季瑜，赖雨彤.新课标导向下跨学科主题学习如何开展：基本思路与操作模型[J].现代远程教育研究，2023（01）：49-58.