自然教学创新思维培养论文提纲

论文题目：基于设计的STEM+C教学培养小学生计算思维的研究

摘要：计算思维是当前高度信息化智慧时代的重要技能,是K12学习者必不可少的基本技能之一。当前,各发达国家相继把计算思维作为国家人才培养的核心,探索从小学阶段培养计算思维的理论框架和创新课程。我国自2018年1月正式将计算思维作为高中信息技术学科的核心素养,开始重视对计算思维的培养,并逐步向基础教育移步。随着计算思维培养的逐步推进,伴随教学改革的稳健步伐,我国小学传统的单学科教学知识融合不充分、学生被动接受学习的现状已不能适应知识经济时代下融合问题解决能力、创造力等复合能力的计算思维能力的培养。计算思维一般通过信息技术课得以培养,传统的以计算机应用学习为主的小学信息技术课忽略真实生活情境,不重视技术与其他学科内容的融合,计算思维因而失去其解决复杂问题的内核价值。因此,本研究的核心在于探究一种融合多学科知识、重视真实生活情境的培养小学生的复合型计算思维能力的教学框架与模型。本研究围绕三个具体问题开展理论与实证研究,即,一是如何培养小学生的计算思维,探究培养小学生计算思维的理论框架与教学模型;二是如何多元测评小学生的计算思维;三是培养小学生计算思维的效果如何,如何改进和最优化教学。为回答上述问题,本研究主要采用教育设计研究（EDR）范式,运用质性与量性相结合的混合研究法,试图回答以下问题:（1）回答“如何构建培养计算思维的理论框架与教学模型”的问题。研究的理论基础围绕计算思维的理论,包括计算思维的多元定义、系统测评以及培养模型,还围绕多元的基于设计的学习（DBL）模型、STEM+C教育理论以及教学设计框架等开展分析,论证建构基于设计的STEM+C的理论框架与教学模型的可行性与有效性,同时结合小学开展计算思维培养遇到的实际问题进行分析,论证其必要性。基于设计的STEM+C教学框架旨在解决四个核心问题,一是“教学内容是什么”,二是“教师怎么教”,三是“学生怎么学”,四是“学习的结果如何”。理论框架通过环的形式展示,包含四层:第一层为内容层,对应STEM+C学科内容,即学科教学内容为融合科学、技术、工程、数学与计算的跨学科知识;第二层为教学层,即教师如何开展教学,研究采用APT教学框架,考虑多元教学法与策略（P）、技术手段与脚手架（T）以及评价与交互方式（A）;第三层是学生如何开展学习,采用基于设计的学习流程——C5流程;第四层是学习的结果如何。同时,通过对基于设计的STEM+C理论框架进行迭代完善,进一步探讨了培养计算思维的最优化设计。基于设计的STEM+C教学模型雏形是以基于设计的学习（DBL）为基础,融合计算思维实践的新兴教学模型。三轮迭代中对C5学习流程中的APT要素作为迭代完善的核心,通过社会交互与多元评价（A）、多元教学策略与教学法（P）、多元技术手段与脚手架（T）进行迭代完善,从而优化教学。（2）回答“如何评价计算思维”的问题。探究测评计算思维的多维度工具,从而开展能力与技能、认知以及情感的计算思维多元测评工作。计算思维技能采用计算思维测试（CTt）,测评学生的编程计算思维技能;采用Bebras测试,测评学生的一般性的计算思维技能;能力上采用自陈式计算思维量表（CTS）了解学习者自我感知的计算思维能力;计算思维认知结合质性研究方式,采用访谈、焦点小组等质性方法收集数据。情感则通过参与度与自我效能感问卷测评。研究采用经验取样法进行数据收集测评,对学习者在不同情境下的自我感知计算思维能力以及情感维度进行及时的密集型追踪,从而确保数据的真实性、准确性与有效性。同时,利用个案研究更深入了解学习者计算思维能力与相关情感维度。（3）回答“如何最优化计算思维的教学模型并验证其有效性”的问题。研究结合STEM+C学科内容进行课程设计与开发实践,利用教育设计研究方法（EDR）迭代改进教学。研究经过三轮迭代优化,以基于设计的学习为基本学习步骤,优化部分有:增加项目式学习,通过提供学习者项目书支架,帮助学生将整个过程逻辑清晰的串联。在第一个阶段“情境鉴定”,教师鼓励科学探究,设置基于证据的学习问题支架,帮助学习者对问题进行更精准的分解与抽象,还增加了对问题的概括与评估。在设计阶段,对协作学习的角色、协作任务提供更清晰的任务支架,同时教师加强对学生协作设计中STEM+C知识的强化,帮助学习者进一步将STEM+C知识与产品功能、工程设计原理深度联结。在原型制作阶段与迭代完善阶段,针对调试部分,增加了尝试错误与排除错误的试错法,并提供试错支架。在演示阶段,增设了基于量规的评价,确保教师评价、学习者评价过程中深度交互。（4）探究基于设计的STEM+C教学的实施状况与推广效果。在此过程中,利用经验取样法量性研究法结合访谈法、个案研究法等质性研究法深度探究基于设计的STEM+C教学的效果以及改进策略。结论有:一是基于设计的STEM+C教学在自然课堂情境下显著促进学习者的计算思维编程技能与一般性技能,显著促进计算思维能力、参与度与自我效能感。二是利用经验取样法,基于设计的STEM+C学习在不同的阶段有不同的波动,①在设计初期有较大幅度降低,源自于学习者刚开始进行复杂设计的合作,关系具有一定的陌生性,容易产生矛盾冲突,降低效率,伴随教师的积极干预,学习者在后期开始大幅度提升。②虽然在设计与设计演示阶段有一定的回落,但在创造原型阶段迅速回升并在作品交流演示阶段达到最高。三是基于设计的STEM+C教学可帮助小学生缩短在性别上的差距,一开始女生的计算思维显著低于男生,经过学习男生与女生的计算思维基本达到一致。同时,该教学法可帮助缩小学生在初始能力上的差距,学困生得到显著提升,最终基本与学优生持平。四是协作学习在基于设计的STEM+C学习中扮演极其重要的角色。良好的协作是培养计算思维的保障。因此,教师对协作的干预极其重要,提前进行协作技巧的培训、观察小组协作冲突、及时进行协作干预、提供合适的协作与认知支架对开展协作问题解决学习极其重要。本研究的创新之处在于:一是跨学科领域下计算思维培养的教学与学习理论,构建基于设计的STEM+C教学框架与模型,丰富了信息化环境下基础教育领域的教学与学习理论,提供信息化环境下基础教育领域的案例;二是利用经验取样法,精准探究学习者在培养计算思维过程中的波动,并提出干预措施,丰富该研究方法在计算思维以及STEM领域的应用;三是本研究开展基于设计的STEM+C实证研究,探究学习者的计算思维的实施效果,并重点关注性别差异与初始能力对计算思维培养的影响。

关键词：计算思维;基于设计的学习;STEM+C;小学课堂

学科专业：教育技术学

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 时代呼唤:培养小学生计算思维能力是时代发展的呼唤

1.1.2 改革诉求:STEM融合教学培养计算思维是小学教育改革的深度诉求

1.1.3 现实困境:培养计算思维的使命与现状间的矛盾

1.2 研究问题的提出

1.3 研究意义

1.3.1 理论价值:丰富STEM教育计算思维培养的教学与学习理论

1.3.2 应用价值:指导教师开展STEM教学,促进培养小学生的计算思维能力

1.4 关键概念界定

1.4.1 计算思维

1.4.2 基于设计的STEM+C教学

1.5 研究方法

1.5.1 整体研究范式:教育设计研究(EDR)

1.5.2 量性数据采样方法:经验取样法(ESM)

1.5.3 质性研究方法:个案研究法

1.6 研究思路

第2章 文献综述

2.1 计算思维的文献综述

2.1.1 计算思维定义的历史发展脉络

2.1.2 计算思维定义的多元理解

2.1.3 计算思维的多维测评

2.2 STEM+C的文献综述

2.2.1 STEM+C文献综述

2.2.2 STEM+C教学培养计算思维的框架与模型文献综述

2.3 基于设计的学习——C~5学习模型的文献综述

2.3.1 C~5模型的理论基础基于设计的学习(DBL)

2.3.2 C~5模型的理论模型基础——基于设计的学习模型

2.4 APT教学框架的文献综述

2.4.1 Koehler与Mishra提出的TPACK教学框架

2.4.2 Kirschner教授提出的PST教学框架

2.4.3 张屹教授提出的APT教学框架

2.5 启示与小结

2.5.1 计算思维的定义启示与小结

2.5.2 计算思维的测评启示与小结

2.5.3 STEM+C培养计算思维的框架与模型启示与小结

第3章 研究设计与工具

3.1 研究对象

3.2 测验工具的选择

3.2.1 计算思维能力与技能测评

3.2.2 计算思维认知过程测评

3.2.3 计算思维相关情感测评

3.3 研究的信度与效度

3.3.1 研究信度

3.3.2 研究效度

第4章 基于设计的STEM+C教学理论框架与模型构建

4.1 基于设计的STEM+C教学理论框架雏形的构建

4.2 STEM+C学科内容要素——内容层

4.2.1 学科要素——数学(M)

4.2.2 学科要素—科学(S)与工程(E)

4.2.3 学科要素——技术(T)与计算(C)

4.2.4 学科要素——STEM+C跨学科融合概念

4.3 基于APT教学框架的教师教学设计要素—教学层

4.4 基于C5学习模型的学生学习流程——学习层

4.5 基于设计的教学模型:C~5与APT的融合

4.5.1 评价与社会交互(A)

4.5.2 教学法与教学策略(P)

4.5.3 技术与技术环境(T)

4.6 计算思维为核心的学习目标——思维层

第5章 原型生成第一轮教学《智能鸭棚》

5.1 第一轮教学《智能鸭棚》研究设计

5.1.1 研究目的与研究问题

5.1.2 研究对象

5.1.3 研究步骤

5.2 《智能鸭棚》教学前端分析

5.2.1 学习者特征分析

5.2.2 学习者初始能力分析

5.2.3 教学设计培训

5.2.4 学习目标与内容分析

5.3 《智能鸭棚》教学设计

5.3.1 STEM+C学科知识融合设计

5.3.2 APT教学框架要素的设计

5.3.3 C~5学习模型过程设计

5.4 《智能鸭棚》教学具体实施

5.4.1 模块一:定义“智能鸭棚”问题情境

5.4.2 模块二:学习编程背景知识

5.4.3 模块三:头脑风暴设计智能鸭棚

5.4.4 模块四:算法编程,构建鸭棚原型,迭代完善

5.4.5 模块五:演示分享,评价反馈

5.5 第一轮教学《智能鸭棚》数据分析

5.5.1 量性数据分析

5.5.2 质性数据分析

5.6 第一轮教学反思与改进

5.6.1 C1阶段: 项目支架主导,更清晰分解抽象问题

5.6.2 C2阶段: 教师引导学习者编程过程中积极试错

5.6.3 C3阶段: 协作设计中,提供协作支架与设计支架

5.6.4 C4阶段: 设计转化为产品过程中,明确工程设计限制

5.6.5 C5阶段: 重视证据,鼓励学习者对作品进行质疑与评估

第6章 迭代完善—第二轮教学《智慧交通》

6.1 第二轮教学《智慧交通》研究设计

6.1.1 研究目的与研究问题

6.1.2 研究步骤

6.2 《智慧交通》学习目标与内容分析

6.3 《智慧交通》教学迭代设计改进

6.4 《智慧交通》教学具体实施

6.4.1 模块一: 定义“智慧交通”问题情境

6.4.2 模块二: 学习编程背景知识

6.4.3 模块三: 头脑风暴,动手设计智慧交通

6.4.4 模块四: 算法编程,构建智慧交通原型

6.4.5 模块五: 小组演示,评价反馈,分享成果

6.5 第二轮教学《智慧交通》数据分析

6.5.1 量性数据分析

6.5.2 两轮量性数据对比分析

6.5.3 质性数据分析

6.6 第二轮教学反思与改进

6.6.1 C1阶段: 聚焦问题的概括与抽象

6.6.2 C2阶段: 改进协作策略,增设一对一互助编程策略

6.6.3 C3阶段: 增设设计汇报反馈课,增加设计实施有效路径

6.6.4 C3阶段: 引入竞争协作策略,减少“搭便车”

6.6.5 C4阶段: 引入试错自查表,鼓励学生试错

6.6.6 C5阶段: 增设产品评价量规,完善产品评价标准

第7章 拓展迁移第三轮教学《植物工厂》

7.1 第三轮教学《植物工厂》研究设计

7.1.1 研究目的与研究问题

7.1.2 研究对象及基本信息

7.2 《植物工厂》教学前端分析

7.2.1 学习者特征分析

7.2.2 学习者初始能力分析

7.2.3 教学设计培训

7.2.4 学习目标与内容分析

7.3 《植物工厂》教学迭代改进设计

7.3.1 STEM+C内容优化设计

7.3.2 APT教学优化设计

7.3.3 C~5学习过程优化设计

7.4 《植物工厂》教学具体实施

7.4.1 模块一: 定义真实科学问题情境,确定影响植物正常生长要素

7.4.2 模块二: 算法编程学习——物联网编程知识

7.4.3 模块二: 算法编程学习——基于植物工厂情境的物联网编程学习

7.4.4 模块三: 设计方案,演示评价,迭代完善

7.4.5 模块四: 创建原型系统,监控调试,迭代完善

7.4.6 模块五: 交流分享,反馈评价反思

7.5 第三轮教学《植物工厂》数据分析

7.5.1 整体单组前后测数据分析

7.5.2 基于经验取样法的量性数据分析

7.5.3 个案研究质性数据分析

第8章 总结与展望

8.1 研究结论

8.2 研究局限

8.3 研究展望

参考文献

致谢