例析計(jì)算思維視域下開源硬件教學(xué)中的評(píng)估活動(dòng)

王則瀚 福建省福州第十九中學(xué)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）指出計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法解決問(wèn)題的思維活動(dòng)，而學(xué)界公認(rèn)評(píng)估能力是衡量學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的重要維度之一。因此，本文以閩教版2020修訂版八年級(jí)下冊(cè)《體驗(yàn)開源硬件與編程工具應(yīng)用》一課為例，嘗試通過(guò)在教學(xué)中運(yùn)用科學(xué)的評(píng)估活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

● 有意識(shí)地發(fā)掘值得評(píng)估的教學(xué)素材

《體驗(yàn)開源硬件與編程工具應(yīng)用》一課要求學(xué)生能利用micro:bit設(shè)計(jì)數(shù)字骰子，即micro:bit在每次受到振動(dòng)之后，LED上都能隨機(jī)顯示一個(gè)1～6的隨機(jī)整數(shù)。在本課的教學(xué)中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)選取隨機(jī)數(shù)的積木塊，并將其顯示在LED上。

學(xué)生通過(guò)編程實(shí)踐初步體驗(yàn)了開源硬件程序設(shè)計(jì)中的算法思維，能夠用相應(yīng)的編程手段控制micro:bit開源硬件，設(shè)計(jì)出達(dá)成預(yù)期目標(biāo)的作品。但是這個(gè)作品真的可以如預(yù)期設(shè)想的那樣工作嗎？大多數(shù)教師在教學(xué)活動(dòng)中會(huì)讓學(xué)生把這個(gè)代碼上傳到micro:bit，通過(guò)嘗試振動(dòng)兩三次，觀測(cè)是否可以顯示不同的數(shù)字，以驗(yàn)證“選取隨機(jī)數(shù)”是否正常工作。上述做法是一種“評(píng)估”測(cè)試開源硬件作品的方法，但這種做法只能證偽，不可以證真。也就是說(shuō)如果通過(guò)兩三次振動(dòng)LED沒有顯示不同的數(shù)字，那么可以得出結(jié)論——這個(gè)數(shù)字骰子并沒有正常工作，當(dāng)前的設(shè)計(jì)是失敗的（證偽）；但僅僅振動(dòng)了兩三次，并不能就此確信這個(gè)數(shù)字骰子是可以正常工作的（證真），因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)作的過(guò)程中，設(shè)備存在多種非正常運(yùn)作的可能。

課標(biāo)提倡開展真實(shí)的學(xué)習(xí)，凸顯學(xué)生的主體性，要求學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)。這既強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體地位，也意指教師在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)啟發(fā)學(xué)生深入思考，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存作品設(shè)計(jì)中的疑點(diǎn)和問(wèn)題。

因此，在學(xué)生編寫好代碼之后，筆者有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生思考兩個(gè)問(wèn)題：真實(shí)的骰子1～6的出現(xiàn)機(jī)會(huì)是均等的，你的數(shù)字骰子1～6的出現(xiàn)機(jī)會(huì)是均等的嗎？通過(guò)振動(dòng)兩三次micro:bit看到不同的數(shù)字，就足夠證明這點(diǎn)了嗎？通過(guò)討論，學(xué)生達(dá)成共識(shí)：①應(yīng)對(duì)micro:bit數(shù)字骰子進(jìn)行多次測(cè)試。②應(yīng)記錄每次測(cè)試的結(jié)果，便于觀測(cè)1～6的整數(shù)是否“均勻地”出現(xiàn)，同時(shí)檢查是否有超出1～6的情況。筆者帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)了觀測(cè)表，要求學(xué)生各自進(jìn)行20次micro:bit振動(dòng)測(cè)試，并利用觀測(cè)表記錄觀測(cè)結(jié)果。這種評(píng)估活動(dòng)不但鍛煉了學(xué)生的計(jì)算思維，還培育了學(xué)生的科學(xué)精神，特別是問(wèn)題意識(shí)、實(shí)證主義精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度。

● 在評(píng)估中體現(xiàn)科學(xué)精神

筆者發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生根據(jù)既有的數(shù)學(xué)知識(shí)，主觀預(yù)判觀測(cè)表的數(shù)中據(jù),如果1～6出現(xiàn)次數(shù)較為平均，那么每個(gè)數(shù)字大約應(yīng)出現(xiàn)20÷6=3.33次。有一部分學(xué)生在振動(dòng)micro:bit進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)2的出現(xiàn)次數(shù)特別多，在振動(dòng)10次之后，2的出現(xiàn)次數(shù)已經(jīng)達(dá)到了5～6次甚至更多。于是在接下來(lái)的評(píng)估中，他們不再將2填寫到觀測(cè)表中，而是重新振動(dòng)micro:bit，直至晃出其他的數(shù)字再計(jì)入表中。

信息科技的課程性質(zhì)之一就是培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，而科學(xué)精神的要素之一就是尊重事實(shí)與證據(jù)，有實(shí)證意識(shí)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度。筆者針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了講評(píng)，引導(dǎo)學(xué)生理解尊重實(shí)驗(yàn)評(píng)估的客觀結(jié)果對(duì)科學(xué)探究本身的重要意義。學(xué)生也明白了如實(shí)記錄評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要性：沒有客觀的數(shù)據(jù)記錄，就無(wú)法得出科學(xué)的評(píng)估結(jié)果。

● 觀測(cè)評(píng)估記錄，培養(yǎng)問(wèn)題意識(shí)

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，重新進(jìn)行了評(píng)估活動(dòng)，但發(fā)現(xiàn)了新問(wèn)題：1～6的數(shù)字出現(xiàn)并不“均勻”。于是，筆者以學(xué)生甲乙的評(píng)估觀測(cè)為例，將他們的評(píng)估記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格（如圖1）。從兩位學(xué)生的評(píng)估測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，2的出現(xiàn)次數(shù)明顯偏少，只有最大值的三分之一甚至五分之一，而1、5的出現(xiàn)次數(shù)明顯偏多。學(xué)生丙測(cè)試了50次，得到了類似的結(jié)果：評(píng)估數(shù)據(jù)的最大最小值之間相差了4倍。于是，學(xué)生提出問(wèn)題：為什么這里1～6的出現(xiàn)次數(shù)“不均勻”？是不是“選取隨機(jī)數(shù)”積木并不那么“隨機(jī)”呢？

圖1

● 改進(jìn)評(píng)估方法，發(fā)展計(jì)算思維

筆者調(diào)整了教學(xué)計(jì)劃和進(jìn)度，引領(lǐng)學(xué)生探究“‘選取隨機(jī)數(shù)’是不是真的隨機(jī)”這一問(wèn)題。上述評(píng)估所觀測(cè)到的現(xiàn)象，存在兩種可能的解釋：①可能micro:bit所提供的“選取隨機(jī)數(shù)”積木，并不是真的隨機(jī)。它的隨機(jī)數(shù)生成質(zhì)量很低，所以導(dǎo)致評(píng)估數(shù)據(jù)的大范圍波動(dòng)。②可能產(chǎn)生的評(píng)估樣本太少，20次和50次振動(dòng)，并不能完全反映“選取隨機(jī)數(shù)”積木產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的真實(shí)狀況。無(wú)論是哪種可能性，都需要學(xué)生增加評(píng)估的樣本，擴(kuò)大評(píng)估數(shù)據(jù)的規(guī)模，從而對(duì)“選取隨機(jī)數(shù)”的效果進(jìn)行科學(xué)的分析。

因此，學(xué)生提出將評(píng)估樣本提高到1000次。但是，手動(dòng)振動(dòng)1000次并且記錄評(píng)估結(jié)果，是不小的工程，而且人力記錄還存在出錯(cuò)的可能。于是，筆者引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維中的“分解”理念，將評(píng)估的過(guò)程分解成三個(gè)部分進(jìn)行思考（如圖2）。其中A、C在較少評(píng)估數(shù)據(jù)的情況下，是用人力完成的。為了準(zhǔn)確記錄大規(guī)模評(píng)估的數(shù)據(jù)，筆者啟發(fā)學(xué)生對(duì)A、C進(jìn)行了改進(jìn)（如圖3），學(xué)生使用的代碼樣例如圖4所示，最終的可視化結(jié)果如下頁(yè)圖5所示。

圖2

圖3

圖4

圖5

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，課堂上設(shè)計(jì)的評(píng)估手段是可行的，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)可視化手段印證了“選取隨機(jī)數(shù)”積木滿足預(yù)想中的隨機(jī)能力。評(píng)估過(guò)程中學(xué)生的計(jì)算思維得到了充分發(fā)展，學(xué)生不僅學(xué)到了科學(xué)評(píng)估的手段和方法，同時(shí)也鍛煉了對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分解思考、對(duì)開源硬件進(jìn)行編程的能力。在評(píng)估過(guò)程中使用IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，鍛煉了學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建物聯(lián)網(wǎng)原型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讀取、發(fā)送、接收、匯集和分析數(shù)據(jù)的能力。

通過(guò)上面的實(shí)踐，學(xué)生的思維得到了啟發(fā)，有的學(xué)生提出將評(píng)估的規(guī)模提升到100萬(wàn)次。但是，依靠搖擺器振動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的過(guò)程較慢，這使得學(xué)生不得不追求更先進(jìn)的評(píng)估手段。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，評(píng)估的是“選取隨機(jī)數(shù)”積木，和是否產(chǎn)生振動(dòng)輸入沒有直接關(guān)聯(lián)，只需要讓程序不停地“選取隨機(jī)數(shù)”，同時(shí)搜集產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，就可以評(píng)估“選取隨機(jī)數(shù)”的效果，于是學(xué)生改進(jìn)了代碼（如圖6），最終的可視化結(jié)果如圖7所示。

圖6

圖7

綜上所述，學(xué)生通過(guò)不同階段逐漸提升的評(píng)估活動(dòng)，鍛煉了自己的計(jì)算思維，也認(rèn)可了“選取隨機(jī)數(shù)”積木的可靠性。

● 利用評(píng)估活動(dòng)發(fā)展計(jì)算思維的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

計(jì)算思維是信息科技課程的核心價(jià)值，但是評(píng)估對(duì)發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的價(jià)值，經(jīng)常被教師低估。評(píng)估與傳統(tǒng)意義上的課堂評(píng)價(jià)不同，評(píng)估是運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行效果、時(shí)間空間效率、精確性、可靠性等進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)和研判。評(píng)估的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的精度、可靠性、正確性都提供了翔實(shí)可靠的客觀結(jié)論。科學(xué)的評(píng)估是計(jì)算思維的重要運(yùn)用途徑，也是衡量學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展程度的重要指標(biāo)。

在教學(xué)活動(dòng)中，教師應(yīng)深入思考教材案例，從中發(fā)掘值得評(píng)估的內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生的好奇心和想象力，促使學(xué)生產(chǎn)生問(wèn)題意識(shí)，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、設(shè)計(jì)評(píng)估方案、搜集評(píng)估數(shù)據(jù)、分析評(píng)估結(jié)果的過(guò)程中，綜合運(yùn)用多種信息科技的手段和技能開展對(duì)作品的評(píng)估。在教學(xué)中有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并實(shí)施科學(xué)的評(píng)估活動(dòng)，既能印證學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展水平，又能體現(xiàn)其科學(xué)精神，同時(shí)，也會(huì)讓信息科技課程變得更有魅力。