基于結構化視野的小學開源硬件教學探究
——以“灰度傳感器實現小車循跡”項目為例

曹 偉

2017年，黨中央、國務院印發的《關于深化教育體制機制改革的意見》明確提出，要重點培養4種支撐學生終身發展、適應時代要求的關鍵能力，即認知能力、合作能力、創新能力、職業能力。其中，學生的創新能力主要指學生在學習與生活、社會實踐、面對困難等過程中所形成的創新意識、創新思維以及創新技能。在小學信息技術課堂中，筆者利用開源硬件開展人工智能教學探索，通過編程來培養學生的創新意識和創新思維，從而有效促進學生創新能力的提升。

通過這幾年的教學實踐，筆者認為編程的本質是對問題進行有效求解，編程能夠幫助學生形成科學有效的問題解決策略，重塑結構化的認知結構。但是，開展編程教育并不是為了將學生培養成寫代碼的程序員，而是要培養學生的編程思維，發展學生的計算思維和科學思維，從而提升學生解決問題的能力。在小學信息技術課堂中，開源硬件編程教學能夠對小學生思維的完整性和邏輯性進行有效、有針對性的訓練，讓學生通過對問題關鍵要素的提煉建立科學模型，探究問題的有效表征。這樣的過程是系統化、結構化問題解決方法與策略的展示，也是信息技術學科核心素養中所提到的“計算思維”的重要特征。

一、開展硬件編程教育，提升學生思維能力

何為開源硬件編程？簡單來說，就是一個硬件項目的原始設計文件是對外公開的，所有人都可以對它進行加工，比如Arduino開源硬件。開源硬件和開源軟件的目的相似，都是給用戶提供二次開發，實現創意設計與制作。基于開源硬件的編程主要是通過傳感器與環境實現交互作用，符合創客與STEM教育的理念，可以有效促進學生動手能力和思維能力的深度發展。

編程是一種結構化的程序設計過程，能夠幫助學生形成科學有效的思維方式。學生學會使用結構化的程序設計思維，能夠促進問題的解決，對問題進行抽象、建模、表征等提高了學生解決問題的效率。從結構化的視角來看，進行教學設計和構建項目案例成為開展開源硬件編程教學的關鍵。比如，在“灰度傳感器的應用”一課中，筆者設計了利用灰度傳感器實現小車自動循跡。在該項目中使用的是CF-Board主控板，該主控板是基于Arduino主控板與擴展板相結合的開源硬件主控板，而編程軟件是利用基于Scratch2.0的AS-Block圖形化編程軟件。在項目式任務設置上，要注重探究過程的設計和活動過程性的有效評價。此外，問題設置要相互銜接，要構建層次分明且遞進式的項目任務。這樣的項目式任務有助于學生將較為綜合復雜的項目拆分成簡單的小任務，然后學生根據已有知識結構和認知水平進行抽象與重構，高效完成任務。在這個過程中，結構化項目設計與解決問題的結構化策略尤為重要，對學生思維的結構化和問題解決能力的提升起到促進作用。因此，在核心素養時代，教師要積極轉變傳統的知識傳遞式教育方式，向更深入的思維能力培養轉變。開源硬件編程教學不僅能夠培養學生的動手實踐能力，而且還能促進學生學習思維的轉變，讓學生從被動接受知識轉變為主動進行思維活動。

二、利用結構化策略培養解決問題的能力

在以往編程教育或者軟件操作教學過程中，學生缺乏有效的動手實踐和設計過程，多是根據教師的案例進行模仿操作，缺乏對真實問題的有效建構，導致學生各方面能力和素養發展欠缺。基于開源硬件的人工智能教育實踐活動利用結構化的方法與策略，幫助學生提升解決問題的效率，促進學生思維能力的發展。在“灰度傳感器的應用”案例中，筆者通過讓學生經歷動手搭建小車，促進學生學思融通。筆者積極引導學生“做中學”，鼓勵學生大膽想象和創造，讓學生利用開源硬件實現自己的想法。同時，結構化問題解決方法和策略有效降低了問題解決的難度，讓學生對問題的思考更加深入。

（一）問題分解，認識灰度傳感器

針對具體的問題，需要進行科學有效的分析以促進問題的解決。在利用灰度傳感器實現小車循跡項目中，筆者通過對問題進行科學有效的分解，幫助學生理解什么是灰度傳感器，引發學生思考如何使用灰度傳感器，這成為解決問題的第一步，也是關鍵一步。灰度傳感器主要是用來檢測灰度值的一種傳感器，其獲取的數值通常會受檢測距離、環境、光線等因素的影響。灰度傳感器所獲取的數值越小表示顏色越接近黑色。一般當灰度傳感器檢測到的值小于600時認定是黑色，而大于或者等于600時則認定是白色。需要注意的是，在使用灰度傳感器前必須先獲取場地的灰度值，用來修正主控板灰度值的設定。

（二）問題建模，落實到具體應用

學生通過對“灰度傳感器實現小車循跡”這一項目案例中關鍵要素的提煉，準確把握灰度傳感器在小車循跡過程中的具體作用，實現對問題本質的抽象，最終形成關于灰度值與小車循跡的概念模型。在此基礎上，為了有效解決問題，筆者建立了傳感器狀態與小車行駛動作的模型（如圖1所示），在開源硬件創趣CFBoard小車系列主控板上集成了兩個灰度傳感器，分別對應左和右兩個位置，用來檢測場地的灰度值，從而幫助小車調整位置，實現小車沿著黑線循跡行駛。

圖1 灰度傳感器實現小車循跡的模型

筆者設計了可視化的分析結構圖（如圖2所示），引導學生通過調整小車左右車輪的速度來調整小車位置狀態。結構化的建模過程能夠有效促進學生對問題本質的把握。在可視化教學支架的幫助下，學生直觀地掌握了傳感器狀態與小車動作的邏輯關系，形成了科學有效的結構化模型。

圖2 左右灰度傳感器在黑線上的狀態

（三）問題表征，實現意義建構

學生通過對問題進行科學有效的抽象分析形成了概念模型。模型需要求解，即進行數字化、形式化表征。在教學實踐過程中，筆者發現小車沿著黑線自動循跡行駛主要有3種狀態。其中，小車偏左和偏右時需要小車自動調整位置。借助可視化的分析過程，學生建立小車行駛狀態的邏輯結構，大致知道小車在沿著黑線行駛過程中可能會遇到的情況。將小車灰度傳感器所處位置的灰度狀態用數字0和1表示，不同的0和1的組合表示當前灰度傳感器的檢測狀態（如下頁表1所示）。

表1 灰度傳感器的檢測狀態

可見，通過結構化方式對問題進行有效分解并最終解決問題，對培養學生思維能力也是極為有益的。

三、借助迭代與優化促進素養提升

學生在項目問題解決方案不斷迭代與優化的過程中形成更加完整的認知結構和結構化的知識體系，促進知識的內化與素養的形成。

（一）在迭代中發現新問題，促進深度學習

在“灰度傳感器的應用”案例中，小車能夠根據灰度傳感器獲取到的狀態信息來實現自動循跡駕駛，部分學生發現了一些可以進一步優化的地方。比如小車沿著黑線行駛時，偏左的情況還可以分為部分偏左和完全偏左，同理偏右也可以細分為部分偏右和完全偏右。針對小車車身位置的部分偏轉和完全偏轉的糾偏，筆者設計了可視化的學習支架幫助學生更好地理解部分偏轉和完全偏轉的概念。同時，引導學生通過調整左右車輪的速度，自主探究并總結出小車車身偏轉方向與小車左右車輪行駛速度的關系。比如，小車車身位置部分偏左，說明只有小車左邊傳感器不在黑線上，通過增加小車右車輪的速度能夠讓小車車身完全回到黑線上行駛。而小車車身完全偏左，說明小車的左右灰度傳感器都不在黑線上。學生通過實踐發現，可以通過同時調整小車左右車輪的速度來解決完全偏左的問題，同時小車左邊車輪速度要快于右邊車輪速度，從而讓小車車身完全回到黑線上繼續循跡行駛。同理，學生在此基礎上可以獨立解決小車車身完全偏右的問題。筆者認為，如果學生掌握了某一類問題的解決方法，就能將其自主遷移到對新問題的探究中，從而實現深度學習。

（二）在遞歸中實現優化，促進素養提升

遞歸作為解決復雜問題過程中有效的方法與策略，可以有效降低問題的復雜度。比如，在“灰度傳感器的應用”案例中，小車循跡項目的最終目標是學生掌握灰度傳感器的使用方法。使用遞歸策略將項目分為兩個層次，即利用灰度傳感器實現小車循跡和提升小車自動循跡駕駛的穩定性，其實質是掌握小車自動循跡駕駛的穩定性影響因素。比如，筆者設計了小車沿著黑線循跡行駛的基本項目任務，在項目實踐過程中引發學生思考小車車身位置發生偏轉后該如何調整，以及小車發生完全偏轉后又該如何有效解決。通過引導學生進行結構化探究，讓學生掌握小車左右灰度傳感器在黑線上的位置與小車車身偏轉方向的關系，以及如何通過調整小車左右車輪的速度來對小車車身位置進行糾偏。此外，在調整小車左右車輪實現小車車身位置糾偏的過程中，學生總結得出小車在循跡行駛過程中左右車輪速度等因素對小車自動循跡駕駛穩定性的影響等。因此，筆者認為對項目問題的遞歸可以幫助學生更好地分解項目問題，對項目問題的本質形成更加清晰的認知。對影響小車自動循跡駕駛的穩定性因素進行遞歸分析，實現了對項目問題的多層次分解，從而逐步深入問題的關鍵要素。