基于計算思維培養的高中信息技術教學策略研究

周智敏

摘 要：計算思維作為高中信息技術學科的核心素養之一寫入了《普通高中信息技術課程標準》（2017年版）中，彰顯了培養發展計算思維的必要性和重要性。在信息技術新課程結構中選擇性必修模塊6設立了“開源硬件項目設計”，意在引入新的教學平臺與載體，激發學生的創新意識和興趣。本文以提升學生的計算思維為目標，通過“開源硬件項目”教學的實踐，探索行之有效的教學策略，為高中信息技術教師開展相關的教學提供了一定的指導和借鑒。

關鍵詞：計算思維;開源硬件;教學策略

在高中新課程標準頒布之后，作為信息技術學科核心素養之一的計算思維得到了空前的高度關注，信息技術課堂可以說是我國基礎教育階段培養學生計算思維的主陣地。除了常規的基礎知識與操作技能的教學外，對學生計算思維的培養和發展可謂是重中之重。計算思維就是用計算機領域的思維方法來界定問題、抽象特征、建構模型和組織數據，運用計算思維解決一系列問題的過程和方法，并遷移到相關的其他問題解決中[1]。具備計算思維能力的學生在解決真實問題時，能運用信息技術學科的知識與方法去分析問題，查找問題根源，制訂計劃并解決問題。計算思維的培養不僅局限于解決問題的能力，它是在使用計算機解決問題的過程中形成的一種思維方式，是一種分析性思維，也是一種批判性思維、創造性思維。

信息技術發展的重要體現之一是近些年來涌現出一大批開源硬件。作為當下連接數據世界與現實世界載體之一的開源硬件在一定程度上突破了專業領域的圍墻，人們可以基于開源硬件很方便地根據自己的設計制作出具備一定功能的信息系統。因此，“開源硬件項目”設計已被列為信息技術課程結構中選擇性必修模塊6，意在信息技術課程中融入新型的教育模式與平臺，提高學生動手實踐與創新的能力，體驗開源硬件作品的創意、設計、制作、測試運行的完整過程，形成以信息技術學科的方法觀察事物和問題求解的能力。通過開源硬件的學習有效激發學生創新的興趣，不斷在“設計→嘗試→→驗證→優化”的迭代過程中發展計算思維。本文以“開源硬件項目”為例，依托高中信息技術教學，旨在探索培養學生計算思維的有效教學策略。

一、高中信息技術教學中培養計算思維的重要性

隨著現代科技的發展，信息技術也在飛速進展，人們面對的問題日趨多樣性，這就對個人解決問題的能力提出更高的要求。作為一種思維方式，計算思維是幫助人們解決在現今社會求職工作、學習與生活中一些問題的重要手段，它運用嶄新的視角來幫助人們前行。

由于學生的認知能力不同，信息技術教育教學的培養方式和內容標準也應有所不同。高中信息技術教學不能僅停留在簡單的技能操作層面，需更多地關注學生在解決問題過程形成的思維方式。計算思維的提出對高中信息技術教學提出了全新的目標和要求，在素質教育深入發展的背景下，單純的知識理解和技能操作已無法跟上時代的步伐。教師要更重視對學生進行思維能力的培養，幫助學生形成發現問題、創造性地思考問題，以及清晰地表達解決方案的能力。新課標中將培養學生的計算思維作為要求之一，無疑是計算思維越發受到高中信息技術教育關注和重視的一種體現。

作為一種行之有效的學習工具，計算思維能提高學生概括、掌握、靈活運用知識和擇優解決問題的能力，是信息化時代人們必備的思維方式。計算思維的價值不僅體現在計算機科學學科之內，同時對其他學科學習乃至社會發展都具有普遍意義。培養計算思維無論對社會發展，還是對學科發展及個人發展都具有重要價值。

二、高中信息技術“開源硬件項目”教學設計——RCJ（RescueLine）

目前在眾多開源硬件中，以Arduino、MicroBit、OpenMV和樹莓派這四款最具代表性，這四款開源硬件都擁有良好的兼容性，支持豐富的控制器、傳感器等其他外接元器件，集圖形化編程、開發板實體操作于一體[2]。目前在國內外中小學中運用較為廣泛的是Arduino系統，在教學過程中，其優點在于簡單，易上手，為學生體驗技術與設計帶來快樂，培養其發現問題、分析問題、解決問題的能力。在“開源硬件項目”教學中學生不僅能夠接觸算法與程序的知識，發展計算思維能力，還能夠觸摸到程序運行的物化結果，避免了單純的程序設計知識所帶來的枯燥體驗，有效調動了學生學習興趣[3]。

RCJ全稱RoboCupJunior，即青少年機器人世界杯。RescueLine項目要求自主設計一個智能設備，完成從巡線開始，到避開障礙物，直至營救人質的任務。顯而易見，利用開源硬件和各類傳感器組裝一輛智能小車，完成各個子任務是最佳的選擇。

教師引導學生設計并拼裝智能小車，其主要部件有ArduinoMega2560主控板、電機、電機驅動、LED燈、四路巡線傳感器、RBG顏色傳感器、觸碰傳感器、8*8矩陣顯示屏、按鈕、開關、電池組等。通過實現各個子任務來使學生習得開源硬件及各種傳感器的知識。經過一個學年的教學實踐，已初步形成了基于開源硬件Arduino平臺的RCJ（RescueLine）項目系列課程，并總結出一些行之有效的教學策略。

三、高中信息技術“開源硬件項目”教學策略

（一）創設項目問題情境

項目的設計，首先要有真實的問題情境。真實情境的創設說起來容易做起來難。比如，很多的問題對學生已有知識的掌握難度較高，這就需要教師剝離無關細節，提取教材中的重點內容，凸顯情境要素，幫助學生在問題情境中發現、分析、解決問題[4]。

在決定用RCJ中的RescueLine項目設計開源硬件教學時，主要原因是RescueLine項目自帶了真實的問題情境。RescueLine的含義為軌跡救援，問題情境是在一次救援任務中，由于救援人員無法到達救援現場，需要有一個能自主控制的智能設備，沿著軌跡進入救援現場，實現營救傷員的任務。在整個過程中，要實現多個子任務。

教師將解決方案進行了梳理和編排，融入了開源硬件設計和算法與程序實現的相關知識和技能，以項目化選修課程的形式呈現。第一階段共4個單元：小車初始，小車運動，小車避障，小車識色。使學生能切身體驗到硬件與軟件的完美融合，享受解決真實問題、完成項目任務的成就感。

（二）提供項目指南支架

在項目的實施過程中，教師應為學生提供必要的項目指南與支架，包含項目的背景資料、學習資源等內容，也可以是輔助類型的教具。項目指南與支架的設計，首先要服務教學目標，重點解決教學過程中產生的問題，如流程圖搭建教具。在設計算法階段，流程圖是展現學生思維的最佳工具，但流程圖往往受限于繪制時間長、修改難、展示不便等缺陷，沒有發揮出其應有的效果。因此，在開源硬件RCJ（RescueLine）項目任務的小車運動單元中，教師自制了流程圖搭建教具，在一定程度上改善上述缺陷。流程圖搭建教具，由磁性白板、磁條、空白流程圖或內容已定的流程圖（供學生選擇，根據每一節的教學內容做相應的調整），以及部分固定流程圖等組成，讓學生在白板上根據自己的思維，迅速做出調整，準確高效地描述出自己設計的算法。既避免了徒手繪制的不便，又直觀形象地呈現了學生的思維，同時還提高了課堂效率，讓學生更專注于去分析問題，把問題抽象化、模型化，設計計算模型，最終通過算法與程序來解決問題。

其次，項目指南與支架的呈現要遵循科學和生動相結合的原則，體現知識的科學性與嚴謹性，避免給學生帶來誤解與膚淺的理解。要以學生認識特點和理解水平相匹配，對內容進行加工，要通俗易懂、生動有趣，激發和保持學生持久的興趣和注意力，同時避免喧賓奪主。如，為避免過多底層編程和細節，使學生能夠迅速便捷地寫出對小車的控制程序，教師編寫了基于此小車的底層庫，其中包含一些基本方法，如motorrun（x，y）前進，（stopMotor）停車，（rotateL（x）原地左轉，back（x）倒退等，學生只需在ArduinoIDE中調用這些基本方法即可。

指南與支架不應是知識點的“游樂場”，而應是各種案例和資料的聚集地。通過在指南與支架中預設相關內容，關注在學習過程中學生的思維是否被調動，注重學生在學習過程中能否積極調動思維，能否進行對問題的深入探究，使學生能在教師的啟迪下完成對問題的抽象與建模。為培養計算思維能力邁出重要的一步。

在教學實踐中發現，由于開源硬件的難度較高，部分能力較弱的學生游離在外，同時還存在“拿來主義”的現象，照搬他人的解決方案，缺少獨立思考。針對這樣的問題，建議采用小組合作競爭機制的教學策略。

（三）建立合作競爭機制

分組活動競爭，方便教師因材施教，也有利于學生的交流合作。通過合理的小組分配，能幫助學生提高組織管理及表達能力，同時在解決問題方面做到集思廣益，并在良性競爭的環境下，強化個人的學習動機，有效提高教學活動效率。

在RCJ（RescueLine）的挑戰任務中，任務要求：實現智能小車從起點拼塊出發，逆時針或逆時針巡黑線一圈（隨機），途中繞過障礙物，回到終點拼塊，原地停車。每2位同學為一組，設計并分享你們的解決方案，先分享的小組對此方案擁有使用權，其他小組未獲得同意不能使用此方案解決。如此設定的目的是防止“拿來主義”，當然若某小組有多種解決方案的情況下，也保留了分享使用的可能性。

通過之前的課程學習，學生都已明白，解決方案的關鍵之處就是如何判斷智能小車是順時針還是逆時針巡線。此時便能夠檢驗出學生的計算思維素養如何了，能不能靈活運用之前所學的計算機學科領域的知識和方法，通過把問題特征抽象化、解決方案模型化、算法程序自動化來實現問題的解決[5]。

高中學生已經有了一定的合作競爭意識，教師可以設計一些適合分組的任務，將學生分成不同的小組，將教師指導、交流討論與學生自學有機結合。在小組討論過程中，不同學生的奇思妙想相互交織在一起，形成一種嶄新的思維，使學生從各自意想不到的角度重新審視所討論的命題。組內搭配合作，既能保持個人敢為人先、不甘落后的進取精神，又能樹立集體協作、團結合作的觀念，促使組內成員面對同一目標互幫互助，共同促進，達到珠聯璧合、相輔相成的目的。分組后組間自動會形成競爭機制，在組間相互競爭的過程中學生會形成強烈的集體意識，為榮譽而“戰”，形成良性競爭，提高學習熱情。

采用了小組合作競爭機制的教學策略后，使得原來游離于外的學生也回歸到課堂中來，與同組的學生共同商討解決方案。即使其思路、想法有些偏離也沒有關系。每個小組都在想方設法地尋找與他人不一樣的解決方案，這樣使得課堂中的“拿來主義”減少，課堂中充滿了計算思維的“味道”。通過小組之間的良性競爭，激勵學生在有限的時間內集中精力完成活動問題的解決，并分享解決問題的思路和方法，教學氛圍非常活躍，課堂實踐效果比較好。共7個小組的課堂，最終呈現出了8種不同的解決方案。

（四）積極反饋提升自信

通過對教學實踐進行觀察與分析，發現當任務難度有所增加，部分學生遇到無法解決的問題時，通常會產生畏難的情緒，變得急躁或放任自流，失去原有對答案的探索之心。面對這樣的學生，愛默生說過，自信是成功的第一秘訣。教師應以激勵的方式讓學生樹立自信，以自身的信任促進學生自信，以科學合理且積極的評價增長學生的自信。擁有自信的學生，面對困難，不畏艱險，勇于探索，有助于提升學生學習的積極性，提高解題能力。

在教學實踐之前，大多數學生對陌生的開源硬件有著恐懼心理，但是通過RCJ（RescueLine）項目的學習，學生表示開源硬件沒有想象中那么難，并且想要繼續深入學習。在遇到問題時，有了分析問題、抽象模型的意識，使學生的計算思維得到了發展和培養。

結束語

通過創設項目問題情境，提供項目指南支架，建立合作競爭機制，積極反饋提升自信等教學策略，使課堂變得多姿多彩，充滿生機，每一位學生都能在其中吸取營養，得到成長。在發現問題、分析問題、解決問題等環節逐步發展和培養學生的計算思維。當然，在實際的教學過程中，還需根據教學內容、教學環境、學生的具體情況等因素綜合考慮，選擇適當的教學策略，真正做到因材施教，因生施教。只有合適的，才是最好的。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社：6.

[2]劉瑩昕，牛寶裕，石偉，等.基于計算思維培養的中小學開源硬件課程開發探究[J].中國教育信息化，2020（18）：75-79.

[3]劉偉善.Arduino開源硬件在高中信息技術教學中的應用[J].教育信息技術，2019（4）：11-13.

[4]趙福生，劉力.基于谷歌計算思維課程的中學生計算思維培養策略[J].現代計算機，2020（33）：104-108.

[5]張立國，王國華.計算思維：信息技術學科核心素養培養的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.