基于S4A技術的中小學圖形化編程教育的方法策略

黃振余 唐路勝

編程技術作為實現人工智能的基礎，近年來，也逐漸步入了中小學教育的視野。S4A是一種互動媒體技術，它能把編程教育、真實環境、虛擬世界這三者有機地聯系在一起，實現如AR、VR般的虛實互動的體驗。在S4A環境中，學生通過測控板硬件與圖形化編程軟件的學習，初步實現虛擬與真實世界之間的互動，體驗人工智能編程技術的計算思維與表達方式。這種基于S4A的圖形化編程，同時融入智能傳感器技術，實現簡易的人工智能的交互效果，這是在中小學課堂中實現人工智能編程教育的有效途徑。

關于S4A互動媒體技術

S4A是一款由西班牙的Citilab團隊在Scratch基礎上開發的擁有極高“趣味性”的軟件。Scratch的優勢在于免費的軟件、廉價的開源硬件以及友好的編程模式，這也使得它從誕生的那一刻起，就成了編程教育與創客教育所關注的“香餑餑”。S4A是Scratch for Arduino的簡稱，是一款基于Arduino的圖形化編程軟件，采用積木式編程方式，學生如玩游戲一樣就可以進行學習。

圖形化編程技術的優勢在于它不需要糾結于某一個編程指令的語法與語義，或者是某個字符的錄入是否完全正確。學生只要會用鼠標，就能通過鼠標拖拽的方法來實現編程，大大簡化了學生編程的操作過程，可以釋放更多的精力在計算思維與邏輯關系的學習上。在S4A中，為Scratch編程平臺提供了一系列傳感器模塊與輸出模塊的腳本，通過對編程腳本的搭建，就能連接到外部Arduino硬件設備，對真實世界進行數據采集或表達執行。

基于S4A技術的圖形化編程教育的方法與策略

通過S4A技術環境下的學習，既可以提升學生的編程思維能力，也可以鍛煉學生的跨學科解決問題的綜合能力。下面，筆者將使用基于Arduino UNO的測控板硬件與基于Scratch 3.0的Mind+圖形化編程軟件，以《神奇的吹牛大王》一課為例進行分析與研究，探索在中小學常規課堂環境下的圖形化編程教育的方法與策略。

在《神奇的吹牛大王》課例（以下簡稱“課例”）中，主要使用聲音傳感器與LED燈硬件進行課堂教學，學生通過編寫程序實現“吹牛飛上天”小游戲的創作：當有人用嘴巴吹動聲音傳感器時，板載的LED燈會亮起，計算機里的虛擬角色也逐漸向天空飛起。為了實現教學任務，筆者根據S4A互動媒體技術的特點，進行了基于S4A技術的教學實踐，將教學的主要過程歸納為“創境—學境—評境”的“三化式”教學方法。

1.創境——真實化教學情境，體驗虛實互動

根據S4A技術的虛實性，學習的范圍可以變得更加寬廣，學習的方式、空間、時間也隨之發生改變。在課堂教學中，可以創設出獨特的教學情境，讓學生在虛擬與真實世界中進行互動。在課例中，教師創設了“吹牛大王爭霸賽”比賽活動的真實化教學情境，讓學生在體驗真實化的互動情境的魅力中，提高對學習的參與感與期待感，激發他們對課程的學習興趣。課例硬件教具與軟件界面如圖1、圖2所示。

學生在使用教具進行吹牛比賽的時候，就可以初步體驗虛實世界之間互動的魅力，知道“虛擬”是計算機軟件中的程序角色，“真實”是教具中隱藏的聲音傳感器。他們在吹動聲音傳感器時，經歷了真實世界的數據采集以及將數據轉化為信號的過程，再以測控板硬件為傳輸介質，通過編程技術對信號進行分析與思考并做出反映程序，如上升或者下移動作。在這個體驗真實化教學情境的過程中，學生經歷的可能僅僅是一個小游戲，但其背后蘊含的卻是一個無比豐富的數據化世界，是虛擬世界對真實世界環境數據的計算與表達，是一場思考方式與表達思考方式的革命！學生在S4A技術的體驗過程中，就自然地進入了人工智能編程技術的世界。

2.學境——分解化編程任務，嘗試互動媒體

將復雜的生活問題，分解成一個個相對獨立而簡單的問題是一種有效的解決問題的思維能力。學生在課例中要完成的任務包括連接硬件、開關LED燈、采集聲音數據、電腦虛擬角色的移動等復雜的綜合性作品。想要一蹴而就，一下子完成作品，是非常困難的。針對這種復雜的編程問題，可以采用分解化編程三步法：總任務—分任務—匯總任務。根據課程內容將總任務有機地拆分為多個相對獨立而又相互聯系的分任務，把分任務分別完成后，再進行任務的匯總與整合，完成復雜的綜合性總任務。

在課例的設計學境環節，教師就采用了分解化任務的方法，把總任務分解為三個簡單的分任務：①認識Mind+軟件（開關LED燈）;②制作聲控燈（采集聲音數據）;③實現角色互動（匯總任務）。通過這種分解化編程任務的方法，就能把復雜的編程問題拆分成容易完成又相對簡單的編程小問題。

3.評境——實體化評價過程，量化學習成果

基于S4A技術的課堂的特別之處在于課堂教學環境中會使用實體硬件，所以其評價方式也比普通課堂擁有更多的可能性，也可以在真實的情境中檢測學生對知識的掌握程度。在課例中，教師就設計了三種不同形式、不同階段的實體化評價方法。

（1）基于實體硬件閃燈的評價方法

學生在課堂中完成了測控板板載LED燈的閃爍任務后，就可以高舉測控板模擬揮動熒光棒的真實情境。教師通過觀察，可以很方便地對學生的實體閃燈數量進行量化與統計，能精確地知道學生的實際完成數量。這種簡單地通過數數方式就能進行精確的量化評價的功能，也是S4A區別于其他課堂的優勢。這種采用實體硬件互動的評價方法，既實現了活躍課堂氛圍的功能，把學生帶入真實互動情境，也讓他們體驗到用編程技術來影響生活的成功和喜悅。教師可以用輕松簡單的方式掌握學生對學習任務的完成情況，為順利開展下一步的教學工作提供了真實數據的支持。

（2）基于實體傳感器互動的自評方法

在S4A教學中，當學生完成某個學習任務時，教師可以靈活組織學生進入自檢程序的自評環節。例如，學生在完成聲控燈的任務時，可以組織一場為自己鼓掌的活動，用聲音傳感器采集自己的掌聲，然后檢測是否實現了聲控燈的教學任務。當全班學生鼓起掌的時候，學習的氛圍與學生自評的專注度絕對會讓我們感到欣慰與激動。在這種簡單的鼓掌自評的體驗方式中，學生也能再一次感受到用編程技術來影響生活的成功和喜悅。這既是學生為自己學習過程的鼓掌，也是為他們學習S4A技術的喝彩。通過這種實體傳感器互動的方式，學生也實現了在自檢中對自己的學習效果進行自我評價。S4A技術為課堂評價方式提供了更多的可能性，這種多元化的評價方式也是S4A課堂的魅力。

（3）基于實體硬件與編程的綜合評價方法

基于S4A技術的編程課堂，還可以圍繞它本身的軟硬兼備的特征來進行特殊的綜合評價。在課例中，教師設計了一張與虛實世界相結合的特殊學習任務卡，并將其作為綜合評價的一種方式。與普通課堂的評價方式相比，這個任務卡增加了一種硬件調試類評價指標，學生可以先對照任務卡的任務說明，進行自主調試硬件活動，看是否達成指標要求，再進行自評打分。這種評價方式既是學習過程性的評價，也是學習成果的綜合評價，學生在課堂中的任何時間節點都可以進行硬件調試和評價自身的學習進度。這是一種需要有外部硬件支撐才能進行的評價方式，而S4A技術在這方面也表現出了其優秀的能力。具體任務卡設計如圖3所示。

S4A技術為中小學階段開展編程教育提供了路徑，如今，它已經逐漸成為人工智能編程教育的重要組成部分，它能拉近學生與人工智能的距離，激發學生的學習興趣，讓編程教育成為常態課。我們希望通過S4A互動媒體技術在中小學中實現編程教育的普及化，為祖國培養出更多符合人工智能時代特征的具有編程能力與創新精神的綜合型人才。