促進計算思維發展的初中開源硬件項目式教學實踐

孔麗麗

摘要：本文在理解計算思維內涵和要素的基礎上，通過分析開源硬件教學的特點，構建促進初中學生計算思維發展的開源硬件項目式教學模式，并以“植物監測儀”項目為例展開具體的闡述。

關鍵詞：計算思維；開源硬件；項目式教學；教學模式

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）10-0042-03

初中開源硬件項目式教學模式設計

1.教學目標

Selby和Woollard博士認為，計算思維技能有五大核心要素，即分解、抽象、概括、算法和評估。[1]本文從計算思維的五大核心能力入手，通過構建開源硬件項目式教學模式發展學生的計算思維，具體達到的目標如表1所示。

2.教學模式

初中開源硬件項目的本質是在開源主控板的基礎上搭配不同的傳感器、執行器等，通過程序編寫和硬件搭建，創作出具有一定智能的創意作品。其教學多以項目式教學的方式開展，即是以學生為主體，以小組合作為主要形式，通過完成一個完整的實踐性項目而進行的教學活動。項目式教學流程一般包含選定項目、制訂計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價等六個基本步驟[2]，筆者在開源硬件項目式教學的合適環節滲透計算思維要素，構建了促進計算思維發展的開源硬件項目式教學模式（如下圖）。[3]

（1）“界定與分解問題”環節。①教師根據項目具體任務設置相應的現實問題情境，引導學生找出需要解決的問題。②學生根據教師創設的項目情境，發現并明確情境中需要解決的問題，將問題分解為幾個便于解決的子問題。（發展分解思維）

（2）“制訂方案和計劃”環節。①學生根據上一環節對問題的分解，抽取出問題的本質，從信息科技的視角思考該問題如何解決，制訂解決問題的方案。②在確定問題解決方案后，學生制訂項目工作計劃，確定完成項目需要經歷的步驟、各自的分工及合作的形式（根據教師提供的時間要求和參考進度安排每節課的項目進度）。（發展抽象思維）

（3）“設計作品和算法”環節。①學生分工合作，設計作品的外形和功能結構。②在分析要解決問題的基礎上，學生設計相應的算法，并用計算機程序語言編寫對應的代碼。（發展算法思維）

（4）“作品制作與調試”環節。①學生合作搭建作品外形，放置硬件，并將作品置于實際的運行環境，收集數據，執行指令。②根據反饋，不斷修改、優化算法。

（5）“交流與評價”環節。①學生以小組為單位，上臺展示作品。

②其他小組提出質疑或建議。活動評價一般包括教師評價、生生互評和自我評價。評價的內容包括學習內容的掌握情況、學生在小組學習中的表現、項目計劃的合理性、項目成果的質量和成果展示表達等方面。（發展評估能力）

（6）“反思與遷移”環節。①引導學生回顧完成項目的過程，概括完成項目的整體流程，形成解決同類問題的通用思路。②教師提出與本項目類似的情境，學生通過設計解決類似問題的方案，完成算法的遷移與運用。（發展概括能力）

實踐案例

1.案例說明

筆者參考教科版高中信息技術教材《選擇性必修6 開源硬件項目設計》，將初中開源硬件項目分為實驗模擬型、科學探究型和綜合型三種項目類型。“植物監測儀”項目開展的目的是解決生活中人們無暇管理家中植物的問題，屬于綜合型項目。本項目使用圖形化編程平臺Mixly和Arduino開源硬件，搭配光線傳感器、溫濕度傳感器、電機等，通過小組合作編程并搭建硬件，實現項目目標。在此之前，學生已經基本掌握了Arduino主控板和一些常見傳感器的使用，會編寫基本的程序語句。

2.教學實施

（1）界定與分解問題。首先，創設問題情境。教師提出問題：“很多養植物的人會因為出差、旅游或其他的原因，不能及時照料家中的植物，導致其枯萎、凋落甚至死亡。”學生通過討論提出項目主題：制作一個植物監測儀，24小時全方位照料植物茁壯成長。

其次，引導學生分析問題，并給出問題分析表格。教師提問：“在進行項目制作之前，首先想一想做植物監測儀的目的是什么？它應該具有哪些功能？”學生分析情境描述，進行頭腦風暴，得出情境中的核心問題：制作一個可以監測植物生長環境并能做出反應，使得環境始終處于適合植物生長狀態的植物監測儀。該核心問題可以分解成如下幾個子問題：①需要監測植物生長的哪些環境數據？②這些環境數據分別使用什么傳感器來獲取？

③植物的適宜生長環境是什么范圍？

④當環境不適宜時，執行器等要做什么反應？

（2）制訂方案和計劃。①制訂解決問題的方案。學生以小組為單位進行討論，思考本組的植物監測儀可以具備哪些功能，并填入下頁表2中。教師引導學生思考，利用學過的開源硬件的相關知識，制作一個有“智慧”的自動化控制系統，需要哪些傳感器、執行器和驅動器等（對于不太清楚如何實現的功能，請學生上網查閱相關資料；對于無法決定的問題，可以詢問教師，并完成如下頁表2所示的植物監測儀設計表）。②學生制訂項目計劃。該項目的完成需要4個課時，每個課時學生都需要完成推進項目進展的階段性成果。學生根據教師提供的時間和任務要求，在項目規劃表（如下頁表3）中記錄每節課的項目進度、出現的問題及解決方法。

（3）設計作品與算法。①設計作品。學生分工合作，設計植物監測儀的外形和功能結構。畫出植物監測儀外形的三維或平面設計圖（標注尺寸及電子元器件的安裝位置），并設想使用什么材料制作監測儀的外形。②設計算法。用流程圖或者自然語言描述本小組預期實現植物監測儀功能的設計步驟。教師對學生設計的外形和算法進行評價與指導。

（4）作品制作與調試。①制作作品。作品的制作包括編寫程序和制作外形兩部分。根據前述設計的算法，連接電子元器件，編寫程序上傳到主控板。根據作品設計思路，使用合適的材料（如泡沫板、瓦楞紙等）拼裝外形，并將已上傳程序的硬件安裝在外形的合適位置。教師呈現作品評價指標，學生對照指標在制作過程中不斷調整作品。

②調試修改。學生收集一周內植物的生活環境數據，運行相應的指令，并根據反饋，修改和優化算法，調整相關參數。

（5）交流與評價。首先，學生以小組為單位，上臺展示作品：①說明本組成員的分工；②解釋設計思路；③說明制作過程；④展示植物監測儀的功能。其次，教師對學生的學習情況進行評價，同時各小組學生進行自評、互評。

（6）反思與遷移。學生完成反思報告：①概括完成植物監測儀項目的整體流程；②在完成的過程中，有哪些分工和流程可以改進；③作品效果如何，如何進一步完善；④小組的合作情況；⑤有哪些知識和能力上的收獲。同時，教師提出“智慧大棚”的情境，要求學生設計解決問題的方案，遷移運用所學知識。

結語

本文以開源硬件教學為內容載體，從計算思維要素的角度，分析了如何促進學生計算思維的發展；在開源硬件項目式教學的合適環節滲透計算思維的五大核心能力要素，構建了教學模式，并在教學中應用。然而，計算思維核心素養的發展是一個長期積累的過程，因此，未來還需進行更多的教學實踐。

參考文獻：

[1]唐瑞，劉向永.英國中小學計算思維教育評介[J].中國信息技術教育，2015（23）：17-21.

[2]劉景福，鐘志賢.基于項目的學習（PBL）模式研究[J].外國教育研究，2002（11）：18-22.

[3]閔芳芳，劉敏.我國計算思維教育的現狀及啟示[J].中國教育信息化，2021（17）：16-22.

基金項目：江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度青年教師專項重點課題“面向計算思維培養的開源編程項目式教學設計研究”（項目編號：C-b/2021/02/61）。