基于計算思維培養的“編程實驗教學”模式研究

摘要：編程實驗教學在信息科技學科中具有舉足輕重的地位，它不僅可以培養學生的計算思維和創新能力，還可以幫助學生適應未來職業發展的需求，提升學習興趣和動力，促進跨學科學習。因此，本文以“人體感應行人自助過街紅綠燈系統優化方案”為例展開編程實驗教學模式探究，以期能夠促使編程實驗教學的開展和推廣。

關鍵詞：計算思維；編程教育；實驗教學；自助紅綠燈系統

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）08-0032-03

編程實驗教學作為一種新型的教育方式，注重學生的實踐和創新能力的培養，符合教育創新的需求。編程實驗教學的模式研究在優化教學效果、適應學生需求、推動教育創新、提高教師素質以及促進跨學科整合等方面都具有重要的意義。因此，筆者通過基于人體感應行人自助過街紅綠燈系統優化方案的實驗研究，探索編程教育“實驗教學”的模式，以期有效地提升學生的計算思維。

編程實驗教學模式

編程實驗教學模式的選擇取決于教學目標、學生背景、可用資源及教師偏好。任務驅動模式、項目導向模式、案例教學模式、協作學習模式、翻轉課堂模式是常見的編程實驗教學模式。筆者結合教學實際選擇了項目導向模式，該模式重視學生主動性、獨立性和創造性的教學活動。具體流程為：確定項目目標和任務—制訂項目計劃—項目實施—項目評估與反饋—項目總結—項目歸檔。

編程實驗教學實施

筆者以“人體感應行人自助過街紅綠燈系統優化方案”為例進行編程實驗模式實施的探究，并按照發現問題、分析問題、設計方案、實施方案、驗證調試、優化方案、問題解決的思路和流程開展研究。

1.確定項目目標和任務

首先通過問卷調查發現問題，共回收228份問卷（其中包含紙質問卷20份），根據數據可知，78%的市民表示沒見過自助式過街紅綠燈，42%的市民不了解自助式紅綠燈的用法，36%的人經歷過或者見過沒有按過街按鈕而導致等了很長時間的過街紅綠燈。通過調研，結果分析如下：①有很多市民，特別是老年人并不知道有過街紅綠燈的存在。②有的市民過馬路到一半，人行道就變紅燈了，導致市民進退兩難，只能停在中間路道等待。紅綠燈的時間分配不合理。③有些市民知道過街紅綠燈的存在，但由于雙手提著東西，或者天氣冷環境惡劣等原因導致不想去按按鈕；還有一些市民騎電瓶車過街，不想下車去按按鈕，覺得很麻煩，不方便。④有的市民反映路口沒有提示牌和語音提醒，有些提示牌被樹木遮擋，有些提示牌文字不顯眼，晚上燈光很暗的時候看不見提示牌等。⑤有些城市的紅綠燈過街按鈕損壞，不能使用，形同虛設。

2.設計項目方案

（1）分析問題，確定方案。對調查中發現的問題進行深入分析，首先收集分析有用的建議，整合參考，設計自助過街紅綠燈系統的優化方案。具體方案如下：①當行人等待區無人時，主干道車輛紅綠燈始終為綠色，車輛正常通行。②當檢測到等待區有人時，先語音提醒行人“請勿闖紅燈”，主干道紅綠燈開始綠燈9秒倒計時，保障車輛緩沖通行，然后3秒黃燈，然后再變紅，同時，行人信號燈變綠，語音提醒行人“請快速通行”。③行人信號燈變綠的基礎時間是24秒，如果檢測到等待的人較多，或者檢測到有老年人，會增加綠燈時間至30秒。④如果主干道車輛信號燈剛變成綠色，10秒之內不檢測等待區是否有行人等待，10秒之后開始檢測（保證每次循環車輛至少有10+10+3秒的通行時間）。優化后的系統流程如圖1所示，圖中右邊框中內容為方案中待解決的難點問題。

（2）知識學習，攻克難點。針對方案中的難點問題，進行知識學習和實踐探究。

①如何表示紅綠的顏色變化——紅綠燈會有三種顏色的變化，所以選用RGB多彩燈作為交通信號燈，電子元件圖片及顏色編碼如圖2所示。

②如何發出語音提醒——發出語音提醒功能，可以選用“語音合成模塊”電子元件（如圖3）及使用相應教材。

③如何設置合理的等待區域——通過實地調研發現，安裝自助過街紅綠燈的路口，一般都是只有一條縱向道路，沒有十字路口，行人等待過街的最安全區域設置在與綠化帶齊平的位置。

④如何檢測等待區內是否有人——用紅外激光測距傳感器檢測，檢測是否有人，如需要估算人數，在等待區地面鋪設壓力傳感器進行輔助。

⑤如何顯示倒計時——用數碼管搭配Arduino Uno版可以完成倒計時的顯示。

⑥如何設置車輛通行時間——在縱向道路上車輛正常通行時，如果檢測到有行人需要通過，縱向的紅燈不能立馬變綠，需要留出一段緩沖時間。根據調研發現，9秒時間是最佳緩沖時間。

⑦如何設置行人的通行時間——優化后的行人通行的基礎時間是24秒，這是綜合考慮行人流量、道路情況、安全因素、車輛流量等幾個方面得出的。

3.項目實施

本環節是對制作過程進行梳理，完成作品制作。

（1）設計圖紙。場景設計，對道路場景進行等比例還原，設置合理的“過街等待區”。

（2）準備器材，成品展示。

（3）完善作品，培養思維縝密性。在對方案進行建模時，關注學生對作品結構、功能邏輯性的思考是否完整。在設計方案描述時，學生注意細節，善于觀察，積極參與到小組活動中發表自己的觀點，各成員在這種氛圍下，取長補短，每位學生的思維全面性、細致性得到提升。

（4）推進學生主動反思，提高自身效能感。在學生作品創作的過程中，設計思維貫穿于每個環節，教師要鼓勵學生大膽提出自己的設計想法，引導學生主動對自己的方案進行反思，學生的反思活動根據需要在設計方案、功能實現、優化評價等作品設計的整個過程中重復進行。

4.項目評估與反饋

總體來說，優化后的自助式過街紅綠燈系統，體現了更加智能化和自動化的發展方向，提升了交通通行效率，同時也保障了市民的交通安全。

5.項目總結與歸檔

本環節是回顧項目的整個過程，總結經驗教訓，并將項目的相關資料和成果進行整理和保存。通過編程教學實踐，筆者發現項目導向教學模式能鍛煉學生的問題解決能力、團結合作能力，但是在編程實驗教學中實施仍然存在一定的困難，主要有以下幾個方面：①學生編程基礎薄弱。部分學生沒有編程基礎或者編程基礎較差，導致在編程實驗教學中難以理解和掌握相關知識和技能。②實驗條件有限。一些學校可能缺乏先進的編程實驗設備和環境，或者實驗設備的數量不足以滿足所有學生的需求，這會影響實驗教學的效果。③教學內容難度高。編程實驗教學的內容可能涉及一些復雜的編程概念和技術，對于部分學生來說難以理解和掌握。

為了解決這些困難，筆者認為教師可以采取以下措施：①夯實學生編程基礎。在編程實驗教學之前，安排一些編程基礎課程，幫助學生夯實編程基礎，為后續的實驗教學做好準備。②改善實驗條件。學校可以加大對編程實驗教學的投入，購買更先進的編程實驗設備，或者增加實驗設備的數量，以滿足更多學生的需求。③優化教學內容。教師根據學生的實際情況和需求，優化教學內容，將復雜的概念和技術進行分解和簡化，使其更易于理解和掌握。④引入案例和實踐。在編程實驗教學中，引入一些實際案例和實踐項目，讓學生在實際操作中掌握編程知識和技能，提高實驗教學的效率。⑤加強師生互動。教師應加強與學生的互動，及時了解學生的學習情況和反饋，針對學生的問題和需求進行個性化的指導和幫助。

結語

總之，解決編程實驗教學存在的困難需要從多方面努力，包括夯實學生編程基礎、改善實驗條件、優化教學內容、引入案例和實踐以及加強師生互動等。這些措施可以幫助學生更好地理解和掌握編程知識和技能，提高實驗教學的效率。

參考文獻：

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本文系2022年度安徽省教育信息技術研究立項項目“基于計算思維培養的編程教育‘實驗教學’模式研究”（課題立項號：AH2022073）的研究成果。