基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目的中學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)研究

肖卿浪

摘要：隨著社會(huì)與科技發(fā)展，信息技術(shù)被應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。目前，傳統(tǒng)的高中信息技術(shù)課程已經(jīng)無法滿足新課程理念。近年來在國內(nèi)外，創(chuàng)客教育發(fā)展得如火如荼，各個(gè)地區(qū)與學(xué)校都在積極地開展創(chuàng)客項(xiàng)目與信息技術(shù)課程結(jié)合的教育模式，如何利用Arduino開源硬件項(xiàng)目培養(yǎng)提升中學(xué)生計(jì)算機(jī)思維的問題成為研究熱點(diǎn)?；谠摫尘埃疚慕梃b國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探究基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目的中學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)路徑，以期能夠?yàn)閺V大信息技術(shù)教學(xué)工作者提供一些借鑒與參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Arduino;創(chuàng)客教育;計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）35-0087-02

計(jì)算思維一直以來都是人們所想要去描述與追求的一種能力。從中國古代的算盤、算籌到如今的圖靈理論與圖靈機(jī)，都涵蓋了計(jì)算思維理念。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周教授對(duì)計(jì)算思維的概念給出了權(quán)威的解釋：“計(jì)算思維實(shí)際上指的就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)分析問題、解決問題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一個(gè)思考過程?！备鶕?jù)此概念，學(xué)者Selby等人提出將計(jì)算思維分為五個(gè)核心概念，即1）算法思想;2）評(píng)價(jià);3）分解;4）抽象化;5）歸納。隨著時(shí)代發(fā)展計(jì)算機(jī)思維漸漸地受到廣泛的認(rèn)可，備受國內(nèi)外教育工作者關(guān)注，并且逐漸應(yīng)用于信息技術(shù)課堂教學(xué)之中。

21世紀(jì)初，新課程改革下高中信息技術(shù)課程也隨之變革，增加了實(shí)踐性課程且減少了理論性課程的比重，計(jì)算思維逐漸成為信息技術(shù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)之一，而傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)模式難以取得有效的教學(xué)效果與質(zhì)量，長(zhǎng)此以往，學(xué)生普遍對(duì)信息技術(shù)課程失去興趣與積極性，導(dǎo)致教學(xué)效率低下、效果不盡人意。近年來，創(chuàng)客教育在國內(nèi)外備受關(guān)注，創(chuàng)客教育實(shí)際上是創(chuàng)新教育理念的傳承，致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與思維能力。

創(chuàng)客教育的引進(jìn)打破了教學(xué)瓶頸能夠起到有效的教學(xué)作用，我國更是積極出臺(tái)政策鼓勵(lì)廣大師生積極開展創(chuàng)客教育工作，例如李克強(qiáng)總理提出的“大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新”以及教育部提出的“探索創(chuàng)客教育的新模式”都映射了創(chuàng)客教育以及其背后的創(chuàng)客文化。在新的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，更是提出了在信息技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)STEAM教育的理想，利用開源硬件設(shè)計(jì)項(xiàng)目提升學(xué)生的計(jì)算思維。由此可知，刨客教育與信息技術(shù)課程的融合已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。目前，我國常用的開源平臺(tái)主要是Arduino、App Inventor等，但由于Arduino作為一款開源電子原型平臺(tái)，擁有易操作擴(kuò)展性強(qiáng)、無須學(xué)生掌握復(fù)雜的編程語言即可上手、能夠進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計(jì)且價(jià)格低廉等特點(diǎn)，筆者將其作為創(chuàng)客教育開展的主要開發(fā)工具，在此基礎(chǔ)上探究基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目以培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模式。

1 基本概述

1.1創(chuàng)客教育

創(chuàng)客源自“Maker”這一英文單詞，其最初的定義來自美國的克里斯，他在《創(chuàng)客：新工業(yè)革命》書中將創(chuàng)客定義為具備一定技術(shù)，將挑戰(zhàn)與創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的擁有創(chuàng)新、交流等意識(shí)的人。關(guān)于這一定義眾說紛蕓，事實(shí)上關(guān)于創(chuàng)客的可以從狹義和廣義兩個(gè)角度來看待，通常從狹義上說是指一些酷愛科技、熱衷實(shí)踐、樂于分享，努力將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的人，而從廣義上看則指的是創(chuàng)新之人皆可稱之為創(chuàng)客。而筆者認(rèn)為創(chuàng)客不僅僅代指一類人，還代表著創(chuàng)新精神與創(chuàng)新文化，由創(chuàng)客一詞衍生出來的創(chuàng)客教育實(shí)際上就是指融入創(chuàng)客文化，教育工作者依照學(xué)生們的興趣愛好，借助項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，有效地使用數(shù)字化工具，引導(dǎo)學(xué)生深入探析問題本質(zhì)、積極參與項(xiàng)目研究，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、思維能力、操作能力等目標(biāo)的一種教學(xué)方式。

1.2Arduino

基于信息技術(shù)課程下開展創(chuàng)客教育通常使用到Arduino、樹莓派、App Inventor等工具，本文選擇具有開源、簡(jiǎn)單易學(xué)的Arduino開源硬件作為創(chuàng)客教育工具。Arduino是在初中高中階段被廣泛使用的一個(gè)開源硬件平臺(tái)。它有著價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易學(xué)、開發(fā)方便、開放拓展等特點(diǎn)，其背后所倡導(dǎo)的開源文化也很符合計(jì)算思維與創(chuàng)客教育的核心?；贏rduino創(chuàng)客項(xiàng)目培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維必須將創(chuàng)客文化與開源文化涵蓋在教學(xué)設(shè)計(jì)中，真正地提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

2 基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維

筆者結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)研究成果以及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，借助Arduino開源硬件平臺(tái)開展創(chuàng)客教育，構(gòu)建以“學(xué)——?jiǎng)?chuàng)——造”為導(dǎo)向的基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目教學(xué)模式，在這個(gè)過程中潛移默化的培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維，采用信息技術(shù)理論知識(shí)學(xué)習(xí)到創(chuàng)設(shè)情境確立初步設(shè)計(jì)思路與方案再到根據(jù)方案制造出創(chuàng)客作品這三個(gè)循序漸進(jìn)的教學(xué)流程，逐步引導(dǎo)學(xué)生不斷地開拓探究。

2.1“學(xué)”

開展基于Arduino創(chuàng)客教育之前，必須有扎實(shí)的信息技術(shù)理論知識(shí)作為奠基。因此，教師應(yīng)當(dāng)合理配置學(xué)期課程時(shí)間，將一部分的課堂時(shí)間用來講解理論知識(shí)并且對(duì)Arduino的使用方式等進(jìn)行介紹，使得學(xué)生能夠掌握一定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用能力、編程能力以及一定的資源利用能力。在完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)部分之后創(chuàng)客項(xiàng)目的開展，一方面使學(xué)生能夠在項(xiàng)目構(gòu)建的過程中對(duì)理論知識(shí)查缺補(bǔ)漏，另一方面提高學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量。在教學(xué)過程中教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)教材內(nèi)容融合計(jì)算思維，把握計(jì)算思維的核心，即運(yùn)用一系列計(jì)算科學(xué)的辦法（包括約簡(jiǎn)、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、關(guān)注分離、啟發(fā)式推理等）把一個(gè)看似復(fù)雜的問題分解成一個(gè)個(gè)能被解決的小問題，通過對(duì)這些小問題求解的組合，達(dá)到完成復(fù)雜問題求解的目的。因此，在理論學(xué)習(xí)階段，教師應(yīng)適當(dāng)?shù)耐ㄟ^啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算思維對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。另外，由于中學(xué)生階段對(duì)于信息技術(shù)課程的重視程度遠(yuǎn)不如語數(shù)英等主修課程。教師在“學(xué)”階段可以采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，延伸課堂教學(xué)，彌補(bǔ)課堂時(shí)間不足的問題。

2.2“創(chuàng)”

1）創(chuàng)設(shè)情境

項(xiàng)目的開始往往是通過對(duì)問題的思考，在一系列思考問題的思維活動(dòng)中最終獲取解決問題的方案，擁有問題意識(shí)是計(jì)算思維的前提。因此，在信息技術(shù)教學(xué)中，教師要結(jié)合學(xué)生的經(jīng)歷與實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)有效的問題情境，利用問題將學(xué)生拉入情境中，設(shè)身處地地思考問題，喚醒與激發(fā)學(xué)生的思維。例如，教師可以依據(jù)大部分學(xué)生所能接觸到的事物來創(chuàng)設(shè)情境，譬如說家里散亂的東西怎么能自動(dòng)歸置整理？如果全家出去旅行，家里花草沒人澆水怎么辦？如果想要自動(dòng)進(jìn)行垃圾分類怎么辦？這一系列貼近生活的情境，在創(chuàng)設(shè)的情境中教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，分組后在小組中進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，共同討論問題的重點(diǎn)以及如何解決問題，最終初步確定創(chuàng)客項(xiàng)目的主題。而在這一系列的思考過程中，學(xué)生逐一進(jìn)行發(fā)現(xiàn)問題——分析問題——解決問題的活動(dòng)，從而能夠潛移默化地提高計(jì)算思維，開拓創(chuàng)新意識(shí)。

2）創(chuàng)建項(xiàng)目方案

計(jì)劃和方案是項(xiàng)目開展的基礎(chǔ)，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生正確創(chuàng)建項(xiàng)目方案。首先學(xué)生根據(jù)自己的想法以及確立好的創(chuàng)客項(xiàng)目大致確定制作的創(chuàng)客項(xiàng)目須具備的相關(guān)特性。接著通過對(duì)作品是什么？做什么？有什么用？這三個(gè)問題的回答，確定作品應(yīng)該達(dá)到的功能有哪些。教師可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的創(chuàng)客項(xiàng)目方案表（如表1），將表格分發(fā)給各小組填寫，指引學(xué)生討論分工、項(xiàng)目起止時(shí)間、分析項(xiàng)目特點(diǎn)、用途、確定使用材料，要求學(xué)生畫出作品設(shè)計(jì)圖初稿并提交給。在此過程中，教師要參與小組創(chuàng)建項(xiàng)目方案的過程，給出必要的指引，幫助小組細(xì)化方案和步驟。

2.3“造”

計(jì)算思維包括了算法思維、評(píng)估、分解、抽象、概括等多種思維方式。教師在進(jìn)行信息技術(shù)教學(xué)時(shí)，針對(duì)計(jì)算思維某一方面或多方面的思維培養(yǎng)通過結(jié)合教學(xué)內(nèi)容開展基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)，通過學(xué)生在完成創(chuàng)客項(xiàng)目的過程中逐步提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展計(jì)算思維。目前我國的創(chuàng)客教學(xué)資源十分匱乏，中小學(xué)的創(chuàng)客教育教材數(shù)量稀少，而且以電子元件的操作步驟為主的教學(xué)內(nèi)容居多。在學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中教師需對(duì)這類資源進(jìn)行整合，為學(xué)生提供豐富的視頻、圖片、文檔、課程、工具軟件、創(chuàng)作平臺(tái)等，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)初步設(shè)計(jì)中作品的主要構(gòu)成器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，了解項(xiàng)目構(gòu)成元素，線路的連接方式，確保器件能夠正常使用。實(shí)驗(yàn)完成之后根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)完成初步實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并在此基礎(chǔ)上完成作品細(xì)化，細(xì)化的內(nèi)容主要包括中器件之間引腳的連接方式。最終在開發(fā)板Arduino中載入詳細(xì)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的代碼，經(jīng)過不斷調(diào)試，完成原型的搭建。在這個(gè)過程中，學(xué)生通過小組學(xué)習(xí)討論，利用計(jì)算思維將創(chuàng)客項(xiàng)目分解成一個(gè)個(gè)有序的、詳細(xì)的步驟，通過這些步驟以及問題的解決最終完成創(chuàng)客項(xiàng)目。教師在這個(gè)過程中應(yīng)轉(zhuǎn)變角色，積極引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維以及利用理論知識(shí)解決問題的能力。

3 結(jié)束語

隨著新課程改革，高中信息技術(shù)教學(xué)不再僅限于了解書本上的知識(shí)，除此之外，還應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力以及計(jì)算思維。近年來，創(chuàng)客教育備受關(guān)注，創(chuàng)客文化與教育相融合順應(yīng)時(shí)代發(fā)展對(duì)教育的需求。在高中信息技術(shù)課程中開展基于Arduino創(chuàng)客項(xiàng)目能夠在項(xiàng)目完成過程中悄然無息的培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，作為教育工作者，我們應(yīng)該致力于將計(jì)算思維轉(zhuǎn)換成學(xué)生的一種受益終生的能力，不斷傳播計(jì)算機(jī)科學(xué)的快樂、崇高和力量。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】

收稿日期：2019-10-11

基金項(xiàng)目：運(yùn)用“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”的中學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2018-G-1-1944）