開展開源硬件編程教學(xué)訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維能力

◇張建良（江蘇：太倉(cāng)市雙鳳鎮(zhèn)新湖小學(xué)）

培養(yǎng)學(xué)生信息科技核心素養(yǎng)是信息科技學(xué)科全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。信息科技課程的總體目標(biāo)，是提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。其中，計(jì)算思維已成為中小學(xué)信息科技課程核心素養(yǎng)的重要方面。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展，培養(yǎng)具有較高計(jì)算思維能力的時(shí)代新人，適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的挑戰(zhàn)，顯得尤為重要和迫切。

計(jì)算思維是思維方式的一種，是利用計(jì)算科學(xué)的基本概念和方法，結(jié)合工程思維、數(shù)學(xué)思維等多種思維方式和特點(diǎn)，進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的思維過(guò)程。關(guān)注問(wèn)題解決方案的形成過(guò)程，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)的活動(dòng)體驗(yàn)與實(shí)踐應(yīng)用中，發(fā)展學(xué)生利用信息技術(shù)思考與解決問(wèn)題的獨(dú)特能力。

開源硬件是未來(lái)人工智能領(lǐng)域研究不可或缺的硬件基礎(chǔ)，計(jì)算思維是未來(lái)人才開發(fā)智能化設(shè)備的必備軟實(shí)力。開源硬件的編程學(xué)習(xí)，能夠更好地拉近虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的距離，為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，特別是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，創(chuàng)造更適合的條件。下面筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，談一談自己的體會(huì)和收獲。

一、系統(tǒng)感知，滲透系統(tǒng)化思維

要嘗試運(yùn)用計(jì)算思維識(shí)別與分析問(wèn)題，抽象、建模與設(shè)計(jì)系統(tǒng)性解決方案。計(jì)算思維具有系統(tǒng)化特征，教學(xué)中滲透系統(tǒng)化思維，發(fā)展計(jì)算思維，是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的策略之一。

（一）系統(tǒng)感知原理，識(shí)別生活問(wèn)題

計(jì)算機(jī)本身是一個(gè)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，開源硬件編程學(xué)習(xí)，就是理解系統(tǒng)化思維的良好平臺(tái)。教學(xué)中，一定要重視學(xué)生對(duì)傳感器等硬件結(jié)構(gòu)及工作原理的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生自覺(jué)遷移到生活實(shí)例中，更加準(zhǔn)確地識(shí)別生活中類似原理的問(wèn)題。在教學(xué)《超聲波測(cè)距》一課中，筆者為學(xué)生提供了視頻、圖示，幫助學(xué)生理解超聲波工作原理，還結(jié)合實(shí)物讓學(xué)生觀察結(jié)構(gòu)。在學(xué)生連接的過(guò)程中，幫助學(xué)生理解驅(qū)動(dòng)安裝的重要作用。學(xué)生完整感知了系統(tǒng)原理，鍛煉了系統(tǒng)化思維，能更準(zhǔn)確地去識(shí)別、解釋生活問(wèn)題，也為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案打下了基礎(chǔ)。

（二）系統(tǒng)體驗(yàn)過(guò)程，設(shè)計(jì)解決方案

開源硬件教學(xué)的主要目的，是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)化思維，去設(shè)計(jì)生活中問(wèn)題的解決方案。因此我們不能將該單元中每一課內(nèi)容孤立起來(lái)進(jìn)行教學(xué)，而應(yīng)該在不斷深入的方案解決中，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生建立解決問(wèn)題的模型，形成科學(xué)解決問(wèn)題的思維方式。筆者在完成《超聲波測(cè)距》一課后，引導(dǎo)學(xué)生梳理整堂課解決問(wèn)題的過(guò)程，認(rèn)識(shí)原理。清晰的板書讓學(xué)生明確設(shè)計(jì)一個(gè)完整的問(wèn)題解決方案的過(guò)程，更好地讓學(xué)生遷移到滑竿、搖桿傳感器的案例設(shè)計(jì)中。通過(guò)整個(gè)單元潛移默化訓(xùn)練，學(xué)生系統(tǒng)化的計(jì)算思維能力能得到更好發(fā)展。

二、實(shí)驗(yàn)探究管理，強(qiáng)化數(shù)字化思維

計(jì)算思維是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問(wèn)題的思維過(guò)程。計(jì)算機(jī)處理的最大特點(diǎn)就是數(shù)字化，轉(zhuǎn)化為數(shù)字更簡(jiǎn)潔、更易于“計(jì)算”。開源硬件是連接計(jì)算機(jī)和現(xiàn)實(shí)的橋梁，在信息技術(shù)課上，它更能讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)到，用數(shù)字的變化可以描述客觀世界的變化，可以利用數(shù)據(jù)，通過(guò)算法編程，解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

（一）開展實(shí)驗(yàn)探究，增強(qiáng)數(shù)字化意識(shí)

在教學(xué)《用搖桿控制角色》一課中，筆者采用了兩人小組合作方式，用scratch 程序連接搖桿傳感器，研究搖桿撥向不同方向的數(shù)據(jù)變化，并記錄于表格中。通過(guò)探究，學(xué)生感知到搖桿動(dòng)作的變化可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字的變化。獲得了有規(guī)律的數(shù)據(jù)后，就能進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用算法思維設(shè)計(jì)搖桿控制角色的程序。

對(duì)搖桿的操作靜止搖桿將搖桿從靜止逐漸推到最右邊將搖桿從靜止逐漸推到最左邊將搖桿逐漸推到最上邊將搖桿逐漸推到最下邊搖桿數(shù)值變化X= Y=X最終值是（ ）X最終值是（ ）Y最終值是（ ）Y最終值是（ ）

你發(fā)現(xiàn)了什么：

交流討論中的問(wèn)題，解決認(rèn)知沖突，修正之前的觀點(diǎn)，發(fā)展計(jì)算思維能力。

還有如聲音傳感器、超聲波傳感器、光敏傳感器等，都適合開展此類探究活動(dòng)，讓學(xué)生意識(shí)到將傳感器感知變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字的重要作用，從而能自覺(jué)地在解決問(wèn)題之前，做好偵測(cè)傳感器的實(shí)驗(yàn)。

（二）學(xué)會(huì)管理數(shù)據(jù)，提升數(shù)字化能力

在開源硬件設(shè)計(jì)的智能應(yīng)用中，我們會(huì)使用一個(gè)或者多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器在不同階段又會(huì)獲取不同的數(shù)值。在教學(xué)中，我們要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)的方法和能力，為學(xué)生逐步建立大數(shù)據(jù)的思想，掌握數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，運(yùn)用數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，更好地為算法編程服務(wù)，從而解決更加復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

在利用scratch 進(jìn)行開源硬件的編程教學(xué)中，我們要有意識(shí)地讓學(xué)生根據(jù)智能應(yīng)用的場(chǎng)景，靈活運(yùn)用數(shù)據(jù)模塊中的變量、列表這兩個(gè)功能來(lái)管理數(shù)據(jù)。例如，《用聲音控制小貓動(dòng)作》一課是學(xué)生第一次接觸傳感器，我們可以設(shè)計(jì)這樣的問(wèn)題：“在程序設(shè)計(jì)中，我們需要對(duì)實(shí)驗(yàn)中偵測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，以更好地為設(shè)計(jì)算法服務(wù)。你想到用學(xué)過(guò)的哪個(gè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)？”引導(dǎo)學(xué)生使用變量來(lái)解決編程中的數(shù)據(jù)暫存問(wèn)題。再如，在拓展教學(xué)利用聲音傳感器實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別的智能設(shè)計(jì)中，需要對(duì)傳感器偵測(cè)的語(yǔ)音數(shù)值進(jìn)行連續(xù)記錄，引導(dǎo)學(xué)生利用scratch中的列表來(lái)記錄，幫助學(xué)生建立起初步的數(shù)據(jù)庫(kù)管理思想。

學(xué)生通過(guò)類比，在不同應(yīng)用場(chǎng)景的編程實(shí)踐中，運(yùn)用合理的數(shù)據(jù)處理方式解決問(wèn)題，不斷提高數(shù)字化思維能力。

三、計(jì)算編程調(diào)試，建構(gòu)算法思維

結(jié)合開源硬件設(shè)計(jì)方案，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，用計(jì)算思維的方式設(shè)計(jì)智能應(yīng)用，讓智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化模擬人類的行為，模擬人類的感覺(jué)和判斷，解決人們遇到的困難問(wèn)題。這一過(guò)程中，學(xué)生良好的算法思維，是整個(gè)計(jì)算思維過(guò)程得以順利完成的重要保障。

（一）利用圖示梳理，表達(dá)算法結(jié)構(gòu)

培養(yǎng)計(jì)算思維，不能僅僅注重問(wèn)題解決的結(jié)果，更重要的是，要重視學(xué)生解決問(wèn)題的思維過(guò)程。思維導(dǎo)圖和流程圖是兩個(gè)非常有效的輔助工具，可以幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)學(xué)習(xí)框架，直觀形象地表達(dá)算法結(jié)構(gòu)，鍛煉學(xué)生算法思維，提升計(jì)算思維水平。在《超聲波測(cè)距》一課中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用思維導(dǎo)圖，分析實(shí)驗(yàn)探究的具體過(guò)程，預(yù)設(shè)過(guò)程中的各種可能，并將傳感器的偵測(cè)、角色的反饋等環(huán)節(jié)所需要的控件一一羅列出來(lái)，幫助學(xué)生形成清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)。對(duì)于要實(shí)現(xiàn)的智能測(cè)距感應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生用流程圖，直觀地將變量賦值、條件描述、結(jié)果反饋等環(huán)節(jié)，用基本的計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)描述出來(lái)，為程序編寫和調(diào)試提供了藍(lán)本。

（二）借助數(shù)學(xué)思想，輔助算法建構(gòu)

利用開源硬件實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用，依賴于自動(dòng)化算法。由于傳感器工作時(shí)總是轉(zhuǎn)化為數(shù)值，這就決定了在很多算法的建構(gòu)中，都需要數(shù)學(xué)思想方法的支撐。我們要讓學(xué)生體會(huì)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要性，體會(huì)數(shù)學(xué)在解決程序算法問(wèn)題中起到的關(guān)鍵作用。

在教學(xué)《滑竿接球》一課時(shí)，需要處理滑竿與角色在舞臺(tái)水平位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這里需要使用數(shù)學(xué)運(yùn)算，將滑竿的模擬數(shù)值轉(zhuǎn)化為角色的坐標(biāo)值。這對(duì)于學(xué)生數(shù)學(xué)理解能力的要求是很高的，當(dāng)然老師的講解還是必要的。在《超聲波測(cè)距》一課中，探究身高測(cè)量的算法時(shí)，學(xué)生往往只想到最直接的算法：將傳感器放到頭頂位置，測(cè)量頭頂至地面的距離。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中身高測(cè)量?jī)x的工作原理，他們能很快運(yùn)用轉(zhuǎn)化思想，結(jié)合簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，設(shè)計(jì)出更科學(xué)的測(cè)量算法。除了數(shù)學(xué)運(yùn)算外，“＞”“＜”“=”“且”“或”等數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算的組合應(yīng)用，也是鍛煉學(xué)生算法思維的重要手段。

小學(xué)生的數(shù)學(xué)能力還不夠強(qiáng)，但是只要巧妙運(yùn)用，簡(jiǎn)單的計(jì)算也能創(chuàng)造出高效的算法，很好地促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

（三）拓展統(tǒng)籌思維，優(yōu)化算法環(huán)節(jié)

引導(dǎo)學(xué)生調(diào)試出更好的程序，服務(wù)于開源硬件的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用，是我們開展此項(xiàng)教學(xué)的目標(biāo)。在程序調(diào)試中，面對(duì)各種問(wèn)題，學(xué)生會(huì)存在不同的解決思路。教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用統(tǒng)籌思維，通過(guò)對(duì)比、篩選、歸納和綜合，優(yōu)選出能體現(xiàn)硬件優(yōu)勢(shì)、高效運(yùn)行、還原真實(shí)生活的程序，發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維能力。在教學(xué)《智能樓道燈》一課中，在學(xué)生初步實(shí)現(xiàn)亮燈程序后，引導(dǎo)學(xué)生思考并優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下的智能樓道燈。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲音突然變低時(shí)，燈馬上就滅了，會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，于是他們通過(guò)討論，用添加等待控件的方法，延長(zhǎng)燈亮的時(shí)間，解決了問(wèn)題。在判斷燈亮條件時(shí)，有的學(xué)生使用“如果”的嵌套來(lái)實(shí)現(xiàn)，有的學(xué)生使用“且”的并列條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比分析，學(xué)生明確了雖然結(jié)果相同，但是算法不同的，要學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的方法，以提高程序運(yùn)行的質(zhì)量和效率。最后調(diào)試出的程序還要經(jīng)得起真實(shí)環(huán)境的檢驗(yàn)，才能真正運(yùn)用于生活。

四、開發(fā)優(yōu)化創(chuàng)新，發(fā)展工程思維

開源硬件編程的學(xué)習(xí)不止于程序設(shè)計(jì)，而應(yīng)著眼于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作。完成編程的學(xué)習(xí)后，我們可以為學(xué)生設(shè)計(jì)提供更多材料、組件，讓他們?nèi)ピO(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)真正運(yùn)用于生活、學(xué)習(xí)的產(chǎn)品，去經(jīng)歷一個(gè)完整的創(chuàng)作過(guò)程。在不斷優(yōu)化產(chǎn)品的過(guò)程中，學(xué)生的工程思維可以得到不斷發(fā)展，能進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升。

（一）設(shè)計(jì)源自生活的拓展項(xiàng)目

比如，設(shè)計(jì)一個(gè)視力保護(hù)儀的創(chuàng)作項(xiàng)目。作品可以安裝在電子產(chǎn)品上，當(dāng)學(xué)生眼睛與電子產(chǎn)品的屏幕太近時(shí)，進(jìn)行提醒。

（二）提供創(chuàng)作所需的材料工具

除了必備的傳感器外，還要為學(xué)生提供如蜂鳴器、LED 燈、熱熔膠槍、樂(lè)高組建、3D 打印機(jī)等的材料，為他們自由構(gòu)思搭建提供更多可能。

（三）引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地優(yōu)化結(jié)構(gòu)

科學(xué)的結(jié)構(gòu)能讓產(chǎn)品的運(yùn)行更穩(wěn)定準(zhǔn)確。如何將材料穩(wěn)定地固定在電子產(chǎn)品上？鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況去構(gòu)思和嘗試，以小組形式，根據(jù)電子產(chǎn)品外部特征去選擇合適的材料搭建，再對(duì)比討論誰(shuí)的結(jié)構(gòu)更科學(xué)穩(wěn)定，直觀地融入工程學(xué)知識(shí)，如，凹凸槽口結(jié)構(gòu)、三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，更好地?cái)U(kuò)展學(xué)生的工程思維。

總之，在萬(wàn)眾創(chuàng)新的時(shí)代，要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、全面提升人才的核心競(jìng)爭(zhēng)力，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。開源硬件的編程教學(xué)，為小學(xué)生編程教學(xué)提供了新的支點(diǎn)。它從生活的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為模塊的組合與搭建，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和模式識(shí)別的能力。它的可視化、模塊化特點(diǎn)降低了程序教學(xué)的難度，而且通過(guò)動(dòng)手操作并與生活相結(jié)合的實(shí)例，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的算法結(jié)構(gòu)和程序的執(zhí)行過(guò)程。在實(shí)際教學(xué)中，我們要有意識(shí)地發(fā)展學(xué)生的系統(tǒng)化思維、數(shù)字化思維、算法思維、工程思維等，讓學(xué)生的計(jì)算思維能力得到不斷提高。