以數字素養與技能培養為導向的編程驗證教學模式探索

隨著數字時代的到來，提升全民數字素養與技能迫在眉睫。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“信息科技課標”）明確要求從信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四方面提升學生數字素養與技能。編程作為培養計算思維、數字化學習與創新能力的重要載體，在培養學生數字素養與技能方面有著重要的作用。但在實際教學中，由于不同開源硬件的控制代碼差異較大，教師需要花費大量時間研究不同硬件的代碼，學生也會對這些復雜多樣的代碼感到困惑。這嚴重制約了信息科技課程的教學效率和效果。為了解決這一問題，本以數字素養與技能培養為目標，提出“本代碼 + 文本模塊式編程工具 + 平臺交互課件”結合的教學模式，旨在讓學生更便捷地開展硬件編程驗證，實現對各類硬件設備的有效控制。

一、數字素養與技能培養對編程驗證教學的要求

信息科技是現代科學技術領域的重要部分，主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現[1]。數字素養與技能作為義務教育信息科技課程的核心素養，主要讓學生關注物理世界與數字世界的關聯，適應數字科學與技術的發展，積極利用數據和算法，尊重數據的真實性，維護個人的數據隱私和社會數字安全，維護人與數字、人與算法、人與機器和社會的和諧[2]。在信息科技教學中，編程驗證在學生認識科學原理、培養思維方法、探究處理過程和模擬工程實現方面有著重要作用。通過把抽象的知識轉化為可操作的實踐場景，編程驗證教學用“做中學”“用中學”“創中學”的方式，促進認知深化。在這一過程中，安全意識和倫理規范的教育也被巧妙地融入其中，從而全面助力學生數字素養與技能的發展。

（一）編程驗證教學是達成核心素養目標的重要支撐

信息科技課標規定的核心素養中，計算思維的培養要求“能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程”，數字化學習與創新的培養要求“能根據學習需求，利用信息科技獲取、加工、管理、評價、交流學習資源，開展自主學習和合作探索”，都可以借助編程驗證。

（二）編程驗證教學是落實課程目標的必要手段

在基礎教育階段，各學科的課程標準都規定了課程目標，也就是課程本身所要實現的具體目標。這是學校教育在特定階段所要達到的預期結果。信息科技課標在課程目標的學段目標中對核心素養的培養進行了細化，其中計算思維的學段目標規定“對于給定的任務，能將其分解為一系列的實施步驟，使用順序、分支、循環三種基本控制結構簡單描述實施過程，通過編程驗證該過程”，數字化學習與創新的學段目標規定“能設計用計算機實現過程與控制的方案，并在實驗系統中通過編程等手段加以驗證”。

（三）編程驗證是實施課程內容的重要途徑

課程內容是根據一定的課程目標從已有的經驗體系中選擇出來的、經過某種加工和改造并按照一定的邏輯序列組織編排而成的知識系統或組合。信息科技課標要求課程內容按照學段細化知識技能。“身邊的算法”模塊的內容要求“針對簡單問題，嘗試設計求解算法，并通過程序進行驗證”，教學提示指出“本模塊要求學生體驗計算機程序，鼓勵學生從多個方面熟悉程序，不要求每個算法問題都由學生編程實現，閱讀理解、修改運行等也都是有意義的體驗。可采用類似科學課程中觀察實驗的教學法，這也是培養數字化學習與創新的一種實踐”。“過程與控制”模塊的內容要求“通過分析典型應用場景，了解計算機可用于實現過程與控制，能在實驗系統中通過編程等手段驗證過程與控制系統的設計”。“物聯網實踐與探索”模塊的學業要求“能通過智能終端或編寫程序，讀取并處理含有物聯功能設備中的數據，并進行適當反饋或控制”。

二、當前硬件編程教學存在的問題

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》的頒布催生了許多開源硬件，為開展編程教學提供了有力支撐。在開源硬件的發展中，形成了MCU微控制器類、IoT物聯網類、SBC單板機類、無桌面SBC類和AI算力加速類等硬件。這些硬件普遍具有軟硬結合的特點，大多數配備了軟件平臺來支持編程，例如，ArduBlock教育版、BXYPython Editor、mBlock5、Mind + 、Mixly和mPython等[3]。多樣的硬件在為教學提供便利的同時，也帶來了一些問題。

（一）硬件互不兼容

不同廠商生產的開源硬件在引腳定義、代碼實現等方面存在差異，缺乏跨平臺兼容性設計，導致代碼難以跨平臺復用。學生在使用不同硬件設備時，需要學習和適應不同的硬件特征和代碼格式。這不僅增加了學習的復雜度和難度，也降低了教師備課和學生學習的效率。例如，Arduino和ESP32在引腳定義上的不同，就需要教師為不同類型的硬件編寫不同的代碼。

（二）代碼復雜度高

雖然多數開源硬件均對圖形化編程和文本編程封裝了相應的庫，但文本編程部分的控制代碼相對復雜。例如，Arduino的引腳配置和初始化代碼涉及定義傳感器的引腳、設置傳感器的輸入模式、初始化串口通信、讀取傳感器的值等。而信息科技學科課時有限，無法讓學生充分了解這些基礎代碼，從而制約了學生核心素養的發展。

（三）教學資源開發復雜

由于硬件多樣和控制代碼復雜，撰寫教案的門檻相對較高。此外，教師需要為不同硬件撰寫不同的教案，即使他們可以在網絡中找到優秀的項目案例，也往往需要因為硬件不同而需改寫控制代碼。這大大增加了教學資源開發的復雜度。

三、硬件編程驗證教學模式分析

為了通過硬件編程驗證有效提升學生的數字素養與技能，滿足不同編程水平學生的需求，筆者基于《義務教育信息科技教學指南物聯網實踐與探索八年級全一冊》（以下簡稱“八年級教學指南”），設計了以下三個層次的編程驗證教學模式（見表1）。教師可以根據本地軟硬件的實際情況，靈活選擇適合的教學模式。

（一）基于文本代碼的編程驗證教學

考慮到義務教育階段學生的認知特點、基本編程驗證需求和學校硬件實際情況，硬件編程代碼應遵循語句簡潔性、可讀性、一致性和經濟性的要求，能實現引腳IO控制、傳感器數據讀取、執行器控制、物聯網通信和人工智能調用等功能，為學生開展實踐探索提供支撐。以下是基于人教信息科技數字資源平臺中的《義務教育信息科技教學指南硬件編程說明》（以下簡稱“硬件編程說明”）的設計案例介紹。

表1編程驗證教學模式

1.簡潔性

在硬件編程教學中，代碼的簡潔性對于學生的學習至關重要。過于復雜的代碼會讓學生望而卻步，難以理解和掌握編程的核心思想。因此，教師要注重簡化代碼結構，簡化不必要的語句和邏輯，采用簡潔明了的函數命名和參數設置。例如，傳統的硬件編程中，配置一個引腳的輸入輸出模式可能需要多行代碼，而在硬件編程說明中只需調用pin（O）.read_digital即可完成引腳電平的讀取。這種封裝不僅減少了代碼量，還降低了出錯的可能性。此外，簡潔性還體現在對復雜功能的抽象上。例如，控制一個舵機轉動到指定角度，傳統方法可能需要配置PWM信號的頻率和占空比，而在硬件編程說明中只需調用servo（1）.angle（90）即可實現控制將1號引腳連接的舵機轉動到90度位置。這種方式通過封裝底層硬件操作，將復雜的硬件交互細節隱藏在簡單的函數接口后面，學生只需關注函數的功能和參數，無須深入了解硬件底層原理，即可快速上手并完成編程驗證。

2.可讀性

代碼的可讀性直接影響學生的學習效果和編程體驗。可讀性強的代碼能夠幫助學生更好地理解代碼的含義和邏輯，從而發展計算思維。硬件編程說明采用了自然語言命名規則，清晰、直觀的變量命名使代碼更貼近人類的思維方式。例如，在讀取引腳電平時，硬件編程說明采用“pin（1）.read_digital”的函數調用方式，其中“pin”表示引腳類，通過實例化引腳編號來創建引腳對象，然后調用“read_digital”方法讀取引腳電平值，返回值為0或1，分別表示低電平和高電平，并且合理添加了注釋，幫助學生更好地理解讀取數據的過程。同時，利用模塊化編程思想將不同功能的代碼封裝在獨立的函數或模塊中，使程序的邏輯結構更加清晰。

3.一致性

為了降低學習和應用的復雜度，對于功能相似的硬件調用，硬件應采用統一的格式和接口。例如，對不同類型的傳感器（如聲音傳感器、光敏傳感器等），硬件編程說明使用類似的函數調用方式來獲取傳感器數據。這種統一的接口設計使學生能夠快速掌握不同傳感器的使用方法，只需了解傳感器的特性和數據處理方式，無須學習多種不同的編程接口，從而提高了學習效率。在執行器控制方面，電機、舵機等執行器的控制函數也具有相似的參數設置和操作模式，便于學生統一學習和應用。這種統一性原則有助于學生形成統一的編程思維模式，更好地理解和運用編程知識，提高編程的準確性和效率。同時，這也方便教師教學和指導，確保教學效果的一致性。例如，硬件編程說明規定了聲音傳感器初始化和讀取聲音傳感器值的代碼，在初始化時，通過“ s= sound（O）”語句初始化連接在0號口上的聲音傳感器，然后使用“ ′= s.read”方法讀取聲音傳感器值。返回值范圍為 0～4095 ，可用于判斷環境聲音的強弱。對于光敏傳感器、按鍵傳感器等其他傳感器，硬件編程說明也分別設計了類似的初始化和讀取代碼，使學生能夠方便地獲取傳感器數據，并將其應用于后續的程序邏輯中。

4.經濟性

開展硬件編程課程需要依賴硬件產品，因此硬件編程說明鼓勵使用成本效益高的硬件，以促進技術的廣泛普及和應用。硬件編程說明充分考慮了各類常見且經濟實惠的硬件設備，確保能夠適用于這些硬件。這樣的做法不僅降低了教學成本，還有助于硬件編程教學的普及。例如，在執行器控制部分，硬件編程說明優先選擇了價格相對較低但性能穩定的電機、蜂鳴器等設備，并且配以相應的編程說明。這樣做可以使學校利用有限的經費開展豐富的硬件編程教學活動，讓更多的學生有機會接觸和學習硬件編程，從而提升他們的數字素養與技能。

（二）應用文本模塊式編程工具的編程驗證教學

在上述文本代碼的基礎上，為進一步減輕編程驗證壓力，學生可以通過文本模塊式編程工具開展實踐探索。這里，筆者把文本模塊式編程定義為把硬件編程代碼按功能進行封裝，學生可以通過類似圖形化積木編程的拖曳實現編程。下面以人教信息科技數字資源平臺的文本模塊式編程工具為例進行介紹（如圖1）。

1.通過合理劃分硬件模塊降低學生認知負荷

文本模塊式編程工具根據硬件設備的功能特點，把代碼劃分為多個模塊，如傳感器模塊、執行器模塊、通信模塊、人工智能模塊等。傳感器模塊被進一步細分為聲音傳感器子模塊、光敏傳感器子模塊、按鍵傳感器子模塊等，每個子模塊包含相應的初始化和數據讀取代碼。執行器模塊則包括顯示屏子模塊、蜂鳴器子模塊、電機子模塊等，涵蓋控制執行器的各種代碼。通信模塊包括藍牙通信、Wi-Fi連接、MQTT協議等相關的代碼，用于實現硬件設備之間的通信和數據傳輸。

從認知角度來看，學生可以根據教學內容，直觀地選擇相應的硬件模塊代碼進行控制。此外，通過將代碼劃分為不同的模塊，學生能夠更清晰地理解各個功能模塊之間的關系，培養了他們的邏輯思維能力和模塊化編程思想。這不僅為學生今后編程驗證打下堅實的基礎，也促進了學生計算思維的發展。

2.通過減少代碼輸入提升課堂效率

在文本模塊式編程工具中，學生無須從頭編寫整個程序，而是可以根據實際需求選擇和使用相應的代碼模塊，只需補充相應的變量、控制參數即可。這種編程方式允許學生在漸進式學習過程中，逐步了解主要的硬件控制功能和調用方法。

在課堂上，學生可以直接利用這些模塊，無須重復輸入代碼，從而節省了大量時間和精力。這樣，他們可以更專注于理解程序的邏輯和實現功能，有助于提高學習效率和編程技能。

圖1人教信息科技數字資源平臺的文本模塊式編程工具

3.通過抽象硬件控制邏輯發展學生計算思維

在文本編程中，學生通過調用簡單函數語句引用所需的模塊。例如，要使用聲音傳感器模塊，學生需在程序中調用“from educoreimport sound\"來導人聲音傳感器模塊，然后通過4 s= sound”初始化聲音傳感器，最后使用“ v= s.read”讀取聲音傳感器的值。而文本模塊式編程把硬件的控制主要分為初始化和硬件執行的操作，通過清晰的先后順序培養計算思維。例如，當學生將“聲音傳感器”的“初始化”字塊拖曳到代碼及參數修改區時，文本模塊式編程工具中自動出現如圖1所示的程序。接著，如果學生拖曳“讀取值”字塊到代碼及參數修改區，程序會變成如下所示的代碼，再補充相應變量就完成了編程。

from educore import sound

Φ_s= sound#初始化聲音傳感器，板載無需參數，外接請補齊端口或引腳參數。

s.read#讀取聲音傳感器值，返回值范圍為 0～4095

4.通過適配多種硬件提升數字資源開發及使用率

硬件編程的硬件與軟件通常是一一對應的，這意味著學校硬件的變化可能導致需要更換學習平臺。這種情況不僅需要師生花費大量時間熟悉新的平臺，還需要對課例中的代碼和參數進行調整。然而，教師只要使用適配educore庫的開源硬件，就可以使用相同的代碼授課，進而忽略硬件差異的影響。如果開源硬件進一步與人教信息科技數字資源平臺等類似的學習平臺對接，學生也因此能夠在同一個數字平臺上連續學習，專注于數字素養與技能的提升。此外，這種一致性還充許教師有更多的時間開發更優質的課例，從而提高教學效果。

（三）構建平臺交互授課的編程驗證教學

在文本模塊式編程工具的基礎上，利用數字平臺把學習內容與編程驗證工具有機結合，一方面便于學生高效開展自主探究，另一方面也為教師開展分層教學和提高課堂教學效率提供支持。下面以人教信息科技數字資源平臺的交互授課功能為例進行介紹。

1.便于學生自主探究

學生在編程驗證前通常需要了解一些信息科技的基本知識。利用數字平臺，教師可以將基本知識與編程驗證融合在一起，讓學生在了解信息科技的科學原理、思維方法和處理過程后，開展編程驗證。這種融合不僅提升了學習效率，還方便了學生隨時回顧所學知識。例如，在八年級教學指南的第12課“刷卡開鎖易實現”中，學生在了解了RFID門鎖物聯系統的工作流程后，可以先體驗數字平臺中的虛擬仿真工具了解處理過程，然后通過主要代碼了解RFID門鎖控制的算法思想，并直接在數字平臺上編程驗證。在驗證過程中，學生可以隨時返回查看RFID門鎖控制的算法思想以輔助學習，最后，通過數字平臺與硬件的交互工具，完成工程實現。

2.基于學情開展分層教學

編程是實踐性很強的教學內容，學生的興趣、動手能力等因素會影響課堂教學。教師可以利用數字平臺評估學生的基礎能力，并設計分層任務。例如，針對基礎薄弱的學生，教師可以使用平臺中的現成代碼，讓學生了解其中數據獲取、算法實現等核心內容，嘗試讓學生說出每行代碼的功能，修改少量參數后上傳至主控板驗證。對具備一定編程能力的學生，教師可以利用平臺提供的模塊式文本編程工具，通過直觀操作快速理解硬件控制邏輯。對編程能力突出的學生，教師則可以讓他們自由編程驗證，甚至完成八年級教學指南中的拓展與提升任務。

3.結合交互功能提升課堂效率

人教信息科技數字資源平臺提供了交互功能，教師可在授課的界面完成任務分發、代碼演示等。例如，在八年級教學指南第三單元“簡單物聯功能實踐”的教學中，教師要講授刷卡開鎖功能，通常會先利用演示文稿介紹硬件及主要控制代碼等，然后再通過硬件編程工具展示編程過程或讓學生打開編程工具自主編程。交互課件可以集成演示文稿及編程工具的功能，不僅可以完成硬件編程的演示，還可以直接給學生分發相應的任務。這樣，學生可以在有限的信息科技課堂上聚焦科學原理、思維方法、處理過程和工程實現等的學習，減少不必要的準備，大大提升了學習效率。

四、結語

信息科技課程要充分尊重學生學習環境、學習能力、學習興趣等不同因素導致的個體差異，適當調整課程內容、學習資源，凸顯學習任務的層次性，滿足不同層次學生發展需求，為有意愿繼續深人學習、有成才發展需求、學習能力較強的學生提供更多平臺和資源[4。人教信息科技數字資源平臺基于上述教學模式的理念進行了編程驗證教學的探索，試圖滿足不同類型教學需求，為教學提供更多選擇。在教學中，教師要重視信息科技作為人工科學的屬性，發揮學生的創造力，引導學生結合生活實際問題設計編程驗證的項目。除了完成八年級教學指南建議的項目外，教師可以引導學生發現生活中的真實問題，探索設計獨居老人監測、班級智能門鎖等創意項目，設計相應的算法并選擇恰當的傳感器和執行器開展探索。這些項目不僅可以增強學生的數字素養與技能，還可以培養他們主動發現問題、解決問題的能力。此外，隨著大語言模型的快速發展，教師可以適當把大語言模型引入編程，搭建適合教學使用的知識庫，輔助編程驗證教學。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2][4]任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術到信息科技：關于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的對話［J].課程·教材·教法，2022（12）：21-31.

[3]梁森山，李紅印.中國特色開源軟硬件概要：面向普通高中信息技術學科教學[M].北京：清華大學出版社，2023.

（作者仇森系人民教育出版社課程教材研究所信息科技課程教材研究開發中心副主任、副編審；李琦系浙江省諸暨市海亮實驗中學高級教師）

責任編輯：李媛