小學Arduino教學中培養學生計算思維的實踐研究

嚴明崗

摘要：計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，是信息技術教學中需要培養的核心素養之一。筆者以《智能電動車停車場》為例，在本文中探討了小學Arduino教學培養策略及其帶來的成效，并進行了反思與展望。

關鍵詞：計算思維;Arduino教學

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2021）S2-0041-04

課題研究的背景

1.課題的緣起

案例：筆者在Arduino課程《點亮LED》的教學中發現，當教師教學了點亮一個LED后，學生基本都學會了。但當筆者請學生同時點亮兩個LED的時候，很多學生都一片茫然，不知道如何下手。他們不知道怎么連接硬件，更不要說進行編程了。

這種情況在小學Arduino教學中經常發生，學生在教師的指導下，跟著教師操作很快就學會了，但讓他們去自主探究嘗試制作往往效果不佳。可見，在Arduino教學中，學生自主學習的能力有待提高。

2.現象透視

從2016年至今，筆者所在學校作為區機器人試點學校開展Arduino機器人教學已有多年。如何讓孩子們在有限的課堂上，學到更多的知識，掌握更多的技能，一直是筆者苦苦思考的問題。但事實上，像上面案例所說的一樣，很多時候學生掌握的知識只在表面，碰到一點點困難，他們就望而卻步，不肯深入地去學習。在小學Arduino教學中，筆者主要發現了以下幾個現象：一是學生的學習興趣不高;二是學生的學習耐心有待提高;三是教師對課堂教學的認識不足。

從以上三種現象可以看出，要提高學生的自主學習能力，必須尋找一種非常有利的教學策略。

3.計算思維的重要性

計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動，它是一種解決問題的方法，這種思維是將一個看起來困難的問題分解成一個個簡單、具體的問題，并且利用所掌握的計算知識找出解決問題的辦法。它與“信息意識”“數字化學習與創新”及“信息社會責任”等共同屬于中小學信息技術學科核心素養的核心內容。

在學校啟發潛能教育理念的指導下，學校將Arduino教學引入到信息技術課程體系中，作為培養和發展學生計算思維的主要落腳點。為了提升學生的計算思維能力，本課題以Arduino教學為平臺，開展基于計算思維的培養策略研究，以期改善Arduino教學中教師對學生計算思維培養不到位、學生計算思維發展有限的現狀，為提升學生的思維能力提供可借鑒的實踐策略。

課題研究的設計

1.研究目標

學生目標：通過培養和提高學生的興趣、意識和能力，提高學習效率，全面提高學生的信息素養;關注學生的學習，發展學生立體空間思維，激發學生充分發揮想象力、創造力，培養學生的計算思維。

教師目標：解決教師在Arduino教學中遇到的問題，改進教師的教學方法，踐行有效課堂，提升課堂教學效率;拓展教師的研究平臺，提升信息技術教研層次，提高教師教育科研能力，帶動并促進教師個人教學風格的形成，引領教師的專業化發展。

2.研究過程

本研究以小學Arduino教學為依托，在項目式學習和計算思維的相關理論基礎上，結合項目式學習的特點和計算思維的培養目標，提出培養策略，構建了面向計算思維培養的項目式學習活動設計方案，再將該設計應用到小學Arduino教學實踐中，驗證其教學效果。

本文采用教育實驗法、訪談法、調查研究等方法進行實驗研究，通過教師訪談和信息技術水平調查來分析現狀，以便較好地開展教學實踐活動。之后通過測試題和作品分析等了解學生知識學習、解決實際問題和創造力、協作能力等學習情況和教學效果。

面向計算思維培養的項目式學習既能夠保證學習者掌握計算概念知識，還可以培養學生運用計算思維方法解決課程問題和生活實際問題，培養學科觀念、計算思維態度，最后將這種綜合思維能力遷移到更廣的領域。

課題研究的策略

在Arduino教學中，需要以“人的需求”為中心創設真實的問題情境，以學生參與為主要的活動形式，教師需要幫助學生掌握“做”的過程中一些必備的探索工具，培養學生用計算思維解決和處理問題。

1.調查研究，激發思維

學習源于生活，學習也是為了讓生活更美好。Arduino教學必須運用生活中的現實情境，讓學生有更大的成就感。因此，筆者讓學生尋找身邊的問題，從解決問題入手，開展Arduino教學。

例如，學生發現在一些商場、地鐵站附近的電動車停車場里，車輛的亂停亂放嚴重影響了市容市貌。電動車停車場里經常是處于超負荷運轉，明明只能停100輛左右的電動車，卻偏偏停了150輛左右，很多車都是擋住了其他的車輛。到了需要開走電動車的時候，車主是苦不堪言。特別是一些女生，力氣小更加不容易推動電動車，這樣的現象屢見不鮮。

如何解決這個問題，學生從汽車停車場得到啟示，策劃了“智能電動車停車場”項目。也許，有人會覺得這樣的項目沒有新意，純粹時模仿，但筆者認為，模仿是創新的基礎，學會了模仿，才會有創新。

2.分析項目，分層思維

在筆者的引導下，學生思考以下問題：怎樣制作這樣一個項目？整個項目可以分成幾個部分？每個部分中包含什么？它們之間有什么樣的聯系？

例如，在“智能電動車停車場”中（如圖1），學生認為首先要尋找合適的硬件，進行連接，再進行編程和調試，最后成型。這樣的思路的確是很清晰的，學生也知道了需要使用的一些硬件（如圖2）。

通過將一個整體程序拆分成多個小的模塊，讓學生在分解的過程中逐步滲透分層思維能力。

3.分析實例，具化思維

筆者根據項目，讓學生通過小組討論的方式用自己的語言描述動作，找到相對應的動作指令，學生通過這一系列的動作分析能初步掌握要實現功能該怎樣搭建硬件。

4.作品搭建，培養思維

在學生已經了解設計思路的基礎上，筆者嘗試讓學生把整個作品設計更加清晰地展現出來，這樣，學生再去搭建腳本的時候不僅能夠輕松地實現各硬件的動作，而且能快速理清各硬件之間的聯系怎么實現。例如，在操作入口和出口的舵機時，明顯是不同的，出口的舵機頭朝外，入口的舵機頭朝里。根據不同的需求，來連接硬件，合理地放置舵機的方向，以實現我們需要達到的目的。通過這樣的方式，學生的思維得到了有效培養，學生的執行能力也得到了提升。

5.分解對比，優化思維

通過對教師提供的實例進行模仿，在改進的過程中他們會發現不同的腳本積木搭建的角色效果會不同，通過這樣的思考、搭建過程，滲透算法。

通過調整腳本積木的搭建順序，學生知道腳本積木順序不同則角色的運動過程也不同。

例如，從上述案例中，我們可以發現優化后車輛的數量會隨著車輛的進入而改變，當數量達到飽和狀態時，車輛就不能夠進入停車場，車輛的數量也不會隨著車輛的全部離開變成負數，從而實現了控制車輛的目的。

在學生掌握了基本的腳本積木后，讓學生通過展示、交流發現哪種方法更合理，從而對編程的優化思想有進一步的認識。

研究的成效

1.提升了課堂效率

很多時候，教師非常希望通過拓展性課程，讓每一位學生都得到成長，基于計算思維的小學Arduino教學，很好地解決了教師在Arduino教學中遇到的問題，改進了教師的教學方法，提升了課堂教學效率。

2.優化了計算思維

關注了學生的學習，發展學生立體空間思維，激發學生充分發揮想象力、創造力，培養學生的計算思維。很多時候，學生是不知道怎么去做的，或者說怎么做才能做的更好，通過教師一系列的學習安排和引導，他們對計算思維的理解有了一定的提高，并且知道了計算思維與生活是息息相關的，可以運用計算思維幫助我們更好地生活。

學生知道了計算思維不僅僅是計算那么簡單，學習計算思維是為了更好地處理生活中碰到的問題。在學習過程中，學生很有成就感，覺得這可是自己親手設計出來的作品，非同一般。

反思與展望

Arduino教學是信息技術課程的拓展，在不斷的摸索學習過程中，既給了學生新的體驗，也讓筆者看出了教學環節也有設計不當的地方。

1.打好基礎，必不可少

學生對每個積木件的功能都已經知道了，但是對積木件的靈活運用還不夠，運用能力還有待提高，在平時的教學中要引導學生靈活運用，這樣學生在設計新作品的時候，操作起來就靈活有余了。

2.策略運用，迫在眉睫

教師對學生計算思維的培養策略運用不自如，因此在教學時不能很好地把握好“度”，即在運用計算思維培養時，不能很好地顧及“點”和“面”。有時一整堂課的某一個教學片斷，滲透了計算思維的多個培養方法，有點顧此失彼的感覺，這就提醒我們，作為教師應對教學環節和計算思維方法有足夠的把握。這是我們目前遇到的最大的困難。

3.培養思維，由點帶面

計算機解決問題的過程和人類解決問題的過程最大的區別在于，人類有大量的包含個人禁言在內的隱性知識，而計算機在解決問題時，要求有清晰的問題定義和描述，通過對問題的層層抽象，將學生的隱性知識顯性化，將思維過程可視化，只有不斷對計算機思維能力進行強化和訓練，思維能力才能得到提升。

4.獎勵評價，勢在必行

獎勵是特殊的評價，它對學生的學習動機起到鼓勵作用，恰當地使用獎勵，能提高學生內部學習動機。對表現優秀的學生進行表揚和獎勵，能在很大程度上培養優秀學生的成就動機，對表現一般的學生進行表揚和獎勵，能提高和改善他們的成就動機。

5.創新立意，亟須加強

學生在創作作品時雖然有創新的成分存在，但大部分還停留在對傳統的改進過程中，他們并沒有將編程與實際生活聯系起來進行創作，也就是說學生的思維沒有分散開來，這是我們在今后教學中應加強培養的方面。

學生計算思維的培養是一項需要長期堅持的工作，我們應不斷地改善教學策略，提高學生學習的熱情和積極性，讓每一位學生學會創造性地思考，從而達到更好地培養學生計算思維的目的。

參考文獻：

[1]張偉.基于機器人教學培養初中生計算思維的作用探究[J].課程教育研究，2019（07）.

[2]王琦.中小學生計算思維能力的培養策略[J].科教導刊（下旬），2019（07）.

[3]李豐葉.例談面向計算思維的小學信息技術教學策略[J].中國信息技術教育，2019（08）.