基于Arduino創客項目的中學生計算思維的培養研究

肖卿浪

摘要：隨著社會與科技發展，信息技術被應用于社會各個領域。目前，傳統的高中信息技術課程已經無法滿足新課程理念。近年來在國內外，創客教育發展得如火如荼，各個地區與學校都在積極地開展創客項目與信息技術課程結合的教育模式，如何利用Arduino開源硬件項目培養提升中學生計算機思維的問題成為研究熱點。基于該背景，本文借鑒國內外經驗的基礎上，探究基于Arduino創客項目的中學生計算思維的培養路徑，以期能夠為廣大信息技術教學工作者提供一些借鑒與參考價值。

關鍵詞：Arduino;創客教育;計算思維

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0087-02

計算思維一直以來都是人們所想要去描述與追求的一種能力。從中國古代的算盤、算籌到如今的圖靈理論與圖靈機，都涵蓋了計算思維理念。美國卡內基·梅隆大學的計算機科學系主任周教授對計算思維的概念給出了權威的解釋：“計算思維實際上指的就是運用計算機科學分析問題、解決問題、系統設計等涵蓋計算機科學之廣度的一個思考過程。”根據此概念，學者Selby等人提出將計算思維分為五個核心概念，即1）算法思想;2）評價;3）分解;4）抽象化;5）歸納。隨著時代發展計算機思維漸漸地受到廣泛的認可，備受國內外教育工作者關注，并且逐漸應用于信息技術課堂教學之中。

21世紀初，新課程改革下高中信息技術課程也隨之變革，增加了實踐性課程且減少了理論性課程的比重，計算思維逐漸成為信息技術課程的培養目標之一，而傳統的填鴨式教學模式難以取得有效的教學效果與質量，長此以往，學生普遍對信息技術課程失去興趣與積極性，導致教學效率低下、效果不盡人意。近年來，創客教育在國內外備受關注，創客教育實際上是創新教育理念的傳承，致力于培養學生的創新意識與思維能力。

創客教育的引進打破了教學瓶頸能夠起到有效的教學作用，我國更是積極出臺政策鼓勵廣大師生積極開展創客教育工作，例如李克強總理提出的“大眾創業萬眾創新”以及教育部提出的“探索創客教育的新模式”都映射了創客教育以及其背后的創客文化。在新的《高中信息技術課程標準》中，更是提出了在信息技術課程中實現STEAM教育的理想，利用開源硬件設計項目提升學生的計算思維。由此可知，刨客教育與信息技術課程的融合已成為一種發展趨勢。目前，我國常用的開源平臺主要是Arduino、App Inventor等，但由于Arduino作為一款開源電子原型平臺，擁有易操作擴展性強、無須學生掌握復雜的編程語言即可上手、能夠進行創新應用設計且價格低廉等特點，筆者將其作為創客教育開展的主要開發工具，在此基礎上探究基于Arduino創客項目以培養中學生計算思維的教學模式。

1 基本概述

1.1創客教育

創客源自“Maker”這一英文單詞，其最初的定義來自美國的克里斯，他在《創客：新工業革命》書中將創客定義為具備一定技術，將挑戰與創新轉變為現實的擁有創新、交流等意識的人。關于這一定義眾說紛蕓，事實上關于創客的可以從狹義和廣義兩個角度來看待，通常從狹義上說是指一些酷愛科技、熱衷實踐、樂于分享，努力將創意轉化為現實的人，而從廣義上看則指的是創新之人皆可稱之為創客。而筆者認為創客不僅僅代指一類人，還代表著創新精神與創新文化，由創客一詞衍生出來的創客教育實際上就是指融入創客文化，教育工作者依照學生們的興趣愛好，借助項目驅動，有效地使用數字化工具，引導學生深入探析問題本質、積極參與項目研究，以達到培養學生創新能力、思維能力、操作能力等目標的一種教學方式。

1.2Arduino

基于信息技術課程下開展創客教育通常使用到Arduino、樹莓派、App Inventor等工具，本文選擇具有開源、簡單易學的Arduino開源硬件作為創客教育工具。Arduino是在初中高中階段被廣泛使用的一個開源硬件平臺。它有著價格低廉、簡單易學、開發方便、開放拓展等特點，其背后所倡導的開源文化也很符合計算思維與創客教育的核心。基于Arduino創客項目培養中學生計算思維必須將創客文化與開源文化涵蓋在教學設計中，真正地提高學生的綜合素養。

2 基于Arduino創客項目培養中學生計算思維

筆者結合國內外先進研究成果以及實際工作經驗，借助Arduino開源硬件平臺開展創客教育，構建以“學——創——造”為導向的基于Arduino創客項目教學模式，在這個過程中潛移默化的培養中學生計算思維，采用信息技術理論知識學習到創設情境確立初步設計思路與方案再到根據方案制造出創客作品這三個循序漸進的教學流程，逐步引導學生不斷地開拓探究。

2.1“學”

開展基于Arduino創客教育之前，必須有扎實的信息技術理論知識作為奠基。因此，教師應當合理配置學期課程時間，將一部分的課堂時間用來講解理論知識并且對Arduino的使用方式等進行介紹，使得學生能夠掌握一定的網絡技術應用能力、編程能力以及一定的資源利用能力。在完成理論知識學習部分之后創客項目的開展，一方面使學生能夠在項目構建的過程中對理論知識查缺補漏，另一方面提高學習效率與質量。在教學過程中教師應當根據教材內容融合計算思維，把握計算思維的核心，即運用一系列計算科學的辦法（包括約簡、轉化、仿真、遞歸、關注分離、啟發式推理等）把一個看似復雜的問題分解成一個個能被解決的小問題，通過對這些小問題求解的組合，達到完成復雜問題求解的目的。因此，在理論學習階段，教師應適當的通過啟發式教學引導學生利用計算思維對教材內容進行自主探究學習。另外，由于中學生階段對于信息技術課程的重視程度遠不如語數英等主修課程。教師在“學”階段可以采用翻轉課堂的教學模式，延伸課堂教學，彌補課堂時間不足的問題。

2.2“創”

1）創設情境

項目的開始往往是通過對問題的思考，在一系列思考問題的思維活動中最終獲取解決問題的方案，擁有問題意識是計算思維的前提。因此，在信息技術教學中，教師要結合學生的經歷與實際生活經驗創設有效的問題情境，利用問題將學生拉入情境中，設身處地地思考問題，喚醒與激發學生的思維。例如，教師可以依據大部分學生所能接觸到的事物來創設情境，譬如說家里散亂的東西怎么能自動歸置整理？如果全家出去旅行，家里花草沒人澆水怎么辦？如果想要自動進行垃圾分類怎么辦？這一系列貼近生活的情境，在創設的情境中教師可以引導學生進行思考，分組后在小組中進行頭腦風暴，共同討論問題的重點以及如何解決問題，最終初步確定創客項目的主題。而在這一系列的思考過程中，學生逐一進行發現問題——分析問題——解決問題的活動，從而能夠潛移默化地提高計算思維，開拓創新意識。

2）創建項目方案

計劃和方案是項目開展的基礎，教師應當引導學生正確創建項目方案。首先學生根據自己的想法以及確立好的創客項目大致確定制作的創客項目須具備的相關特性。接著通過對作品是什么？做什么？有什么用？這三個問題的回答，確定作品應該達到的功能有哪些。教師可以設計相應的創客項目方案表（如表1），將表格分發給各小組填寫，指引學生討論分工、項目起止時間、分析項目特點、用途、確定使用材料，要求學生畫出作品設計圖初稿并提交給。在此過程中，教師要參與小組創建項目方案的過程，給出必要的指引，幫助小組細化方案和步驟。

2.3“造”

計算思維包括了算法思維、評估、分解、抽象、概括等多種思維方式。教師在進行信息技術教學時，針對計算思維某一方面或多方面的思維培養通過結合教學內容開展基于Arduino創客項目教學活動，通過學生在完成創客項目的過程中逐步提高學生利用信息技術解決問題的能力，發展計算思維。目前我國的創客教學資源十分匱乏，中小學的創客教育教材數量稀少，而且以電子元件的操作步驟為主的教學內容居多。在學生根據項目設計方案進行設計的過程中教師需對這類資源進行整合，為學生提供豐富的視頻、圖片、文檔、課程、工具軟件、創作平臺等，引導學生對初步設計中作品的主要構成器件進行實驗，了解項目構成元素，線路的連接方式，確保器件能夠正常使用。實驗完成之后根據實驗現象總結完成初步實驗報告，并在此基礎上完成作品細化，細化的內容主要包括中器件之間引腳的連接方式。最終在開發板Arduino中載入詳細設計中設計的代碼，經過不斷調試，完成原型的搭建。在這個過程中，學生通過小組學習討論，利用計算思維將創客項目分解成一個個有序的、詳細的步驟，通過這些步驟以及問題的解決最終完成創客項目。教師在這個過程中應轉變角色，積極引導學生，培養學生的計算思維以及利用理論知識解決問題的能力。

3 結束語

隨著新課程改革，高中信息技術教學不再僅限于了解書本上的知識，除此之外，還應當培養學生的實際操作能力以及計算思維。近年來，創客教育備受關注，創客文化與教育相融合順應時代發展對教育的需求。在高中信息技術課程中開展基于Arduino創客項目能夠在項目完成過程中悄然無息的培養學生的計算思維，作為教育工作者，我們應該致力于將計算思維轉換成學生的一種受益終生的能力，不斷傳播計算機科學的快樂、崇高和力量。

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【通聯編輯：李雅琪】

收稿日期：2019-10-11

基金項目：運用“開源硬件項目設計”的中學生計算思維培養研究（項目編號：2018-G-1-1944）