计算思维：从理论到实践增强STEAM和工程教育（下）

Posted 2021-04-24 百研工坊

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算思维：从理论到实践增强STEAM和工程教育（下）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

编译：赵小慧东南大学脑与学习科学系

研究生导师：柏毅

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3. 教育实践

3.1

设计科学研究（DSR：Design Science Research）和CT教育

DSR为以建构主义为基础、以实用主义为中心的教育提供了一种很有前途的方法。在实践中，这意味着关注实际的需求和教育，让学生生活在一个有社会意义的环境中。这两个维度可以通过DSR合并到一个方法中，DSR提供了方法论和工具。现在的科学和工程景观不是黑白的，甚至不是灰色的阴影。显然，它是彩色的。我们应该尝试回答这个具有挑战性的问题:这些颜色是什么?我们如何使用这些颜色来描绘一幅有意义和吸引人的STEM和工程教育的画面?如果我们可以想象一些领域,比如科学、技术、工程、艺术和数学,使用CT和软件工程等颜料创作一张丰富多彩的图片, DSR作为一项绘画技术的作用在《为学习软件工程和计算思维设计科学研究》这篇文章中有所说明。除了理论反思之外，该研究还提出了四个真实的教育活动实例，旨在通过改善非洲大陆的教育机会，为建立一个公正和多样化的世界做出贡献。

3.2

普通工程教育中的计算思维

当我们从教育理论转向教学实践时，我们面临着广泛的工程主题需要去实践。这不仅包括特定学科的内容、技能和知识，还包括普通或通用的工程技能和能力，如计算机素养或建模技能。在当今快速变化和不断改进的技术世界里，获得这样的通用工程能力会带来长远的优势，因为它使学生能够通过设计和模型构建对问题进行理解。与此同时，模型引出不应被定位为与生命问题无关，或完全理论化，或作为一种内部活动是非常重要的。解决复杂的、开放的和现实世界的问题提供了一个与世界和社会连接的机会，从而使学生在STEAM和工程方面能够发展并产生学习动力。刘卓和夏建文的文章从CT的角度全面介绍了本科工程教育中的模型激发活动。通过模型激发来促进CT技能的发展是提高工程学科教学的有效和有用的方法。

3.3

计算思维和编程教育

由于历史和方法论的原因，编程教育是CT教育最需要研究的课题之一。关于CT是否等同于编程一直存在争议。与此同时，编程、计算机科学和信息学为STEM和工程学科的核心技能提供了平台。困难在于，教学和学习编程都需要使用综合的教学方法和足够的教学努力，因此，任何理论和实践的投入总是受到欢迎。相反,建模和基于模型的学习都确保为学生认知发展提供一系列条件。要强调的是,在进行教育活动期间，设计实施具体而明确的活动模型为相关心理和认知结构的发展提供了一系列条件。Yu Tzu Lin提出了一项名为“通过建模向科学专业学生教授计算机编程”的研究，该研究聚焦于基于建模的方法来教授编程。这篇文章详细探讨了建模方法、教学方法和实证结果的有效性。

3.4

聚焦于STEAM的机器人技术和物理计算

机器人技术为STEAM教育提供了一个很有前途的方法。首先，它涉及物理设备——机器人。学生可以触摸、研究它们，并拧下螺丝、拆卸机器人，甚至可能重新组装它们，从而以一种吸引人的方式学习电子学和力学。这是非常重要的，因为除了获得知识和技能外，学生从用于编程教学的“平面”计算机屏幕移动到新的多模式世界，还需要开发多维和多学科的想象力和创造性潜力。另一方面，机器人技术总是很有吸引力。它不仅对儿童有吸引力，对学龄儿童、大学生和有工程头脑的成年人也有吸引力。它是活的，能够激励和促进科学和工程贯穿人的一生。在社会化方面，像https://robohub.org/这样的机器人社区就是一个很好的例子，其目的是发展机器人并“将机器人社区连接到世界其他地方”。

物理计算可以被认为是另一种有前景的方法，它聚焦于CT的STEM教育。如果把重点放在小学生身上，那就更激动人心了，因为这一阶段性格和工程、科学态度形成的关键时期。另一个需要关注的方面是“窗口”，通过它，物理计算提供了进入数字世界的“计算”途径。数字世界就在我们身边，它帮助我们理解和了解其基本原理、优势和解决方案，让我们沉浸在数字世界的本质中，为一个健康和可持续的未来而努力。这条道路被现实生活中的挑战和相关的教育项目活动所照亮，这些活动提供了一个框架，让人们在未来真正享受和深入地理解工程的细节问题。下面要提到的是一个美好的愿景，即多样化和拥有平等机会的世界。作为STEM和工程教育工作者，我们是否需要做出一些努力，并专注于一个看起来过于抽象和雄心勃勃的目标呢?我们有课程方法来解决这个问题吗?以上所有的讨论给我们提供了一个看似相互交织的纠葛，但你会知道实际的解决方案是存在的。在《通过STEAM教育中的物理计算活动开发计算思维》关注的是小学物理计算。该研究提出了一种CT发展的方法，重点是使用物理计算相关活动来培养计算思维。本文给出了研究方法的细节和实证结果。

3.5

教育研讨会:虚拟网络还是线下接触?

由于疫情的原因，我们现在已经习惯了远程和虚拟教育活动。但是出现了一个明显的问题:远程教育和学生的虚拟活动能否完全取代疫情前主要以接触为基础的教学和学习?在我们看来是不能完全取代的。当然，这种远程教育活动可以被视为对传统的、以接触为基础的学习的一个重要补充，我们都希望疫情结束后我们回归以接触为主的室内和室外教育。相反,在任何情况下,设计一个有效的远程学习环境,关注课内和课外活动,我们都会借鉴之前的经验,并以最恰当的方式实施。另一方面是要注重课外的、非正式的学习。题目为《机器人编程教育对计算思维技能的影响:年轻工程师研讨会的干预》的文章，介绍了从业者对先前突出问题的看法。该研究提出了一个详细的见解，以研讨会为基础的教育活动，将重点放在编程、电子和机器人，以增强学生的学习动力和发展CT技能。

3.6

机械与动力工程

没有人会否认我们的世界是建立在人工产品的基础上。从人类诞生之初的简单设计开始，我们开始研究复杂的例子，这些例子需要极高的精度和基于数字制造能力的复杂技术。显然，这种数字化制造是有软件支持的，而理解制造软件的基础和设计是现代工程师必须要做的事情。然而，组织一个有效的教育过程并不是一项微不足道的任务。工具或机器制造商提供的软件通常与机器本身绑定;因此，有必要将工业装置建在教育环境中。另一个挑战是，我们不仅需要提供操作技能，也需要在工业制造的背景下，对基础理论和过程的彻底理解。Gorka Urbikain和Luis Norberto提出了一种使用教育软件工具来构建学生对制造过程的理解的方法。本文提出了一种基于新教育软件工具的教育方法论，并提出了实证研究的结果。

从教育的角度来看，实践教育者总是面临着一个挑战:一方面，如何在动力机械和工程工业的世界中激励和吸引学生，另一方面，如何提供一套专业技能和学科知识。iana Opriş，提出了一个针对新一代学生的STREAMS教学策略的案例研究，包括对试点应用和实证验证结果的洞察。

东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）结合信息技术、生物医学工程、脑科学技术，进行青少年科学素养的国际比较研究和学生核心概念掌握水平的评测系统的研究与开发，我们的目标是：（1）面向中小学学生综合能力发展的steam研究；（2）通过实证教育研究，探究科学素养的本质及有效的培养途径；（3）将科学素养的传统评测方法与现代信息技术相结合，探究基于ECD模型的学生科学素养评测方法研究；（4）运用ERP、EEG和眼动等脑科学技术，开展对学生核心概念熟练掌握程度的评测研究。

审核：林娉婷

责编：罗培湛蓝