開展開源硬件編程教學訓練學生計算思維能力

◇張建良（江蘇：太倉市雙鳳鎮(zhèn)新湖小學）

培養(yǎng)學生信息科技核心素養(yǎng)是信息科技學科全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人的根本任務。信息科技課程的總體目標，是提升學生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。其中，計算思維已成為中小學信息科技課程核心素養(yǎng)的重要方面。隨著人工智能、物聯(lián)網、機器人領域的不斷發(fā)展，培養(yǎng)具有較高計算思維能力的時代新人，適應未來社會的挑戰(zhàn)，顯得尤為重要和迫切。

計算思維是思維方式的一種，是利用計算科學的基本概念和方法，結合工程思維、數(shù)學思維等多種思維方式和特點，進行問題求解、系統(tǒng)建構和人類行為理解的思維過程。關注問題解決方案的形成過程，強調在真實的活動體驗與實踐應用中，發(fā)展學生利用信息技術思考與解決問題的獨特能力。

開源硬件是未來人工智能領域研究不可或缺的硬件基礎，計算思維是未來人才開發(fā)智能化設備的必備軟實力。開源硬件的編程學習，能夠更好地拉近虛擬和現(xiàn)實之間的距離，為培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)，特別是培養(yǎng)學生的計算思維能力，創(chuàng)造更適合的條件。下面筆者結合教學實踐，談一談自己的體會和收獲。

一、系統(tǒng)感知，滲透系統(tǒng)化思維

要嘗試運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設計系統(tǒng)性解決方案。計算思維具有系統(tǒng)化特征，教學中滲透系統(tǒng)化思維，發(fā)展計算思維，是實現(xiàn)此目標的策略之一。

（一）系統(tǒng)感知原理，識別生活問題

計算機本身是一個軟硬件結合的系統(tǒng)，開源硬件編程學習，就是理解系統(tǒng)化思維的良好平臺。教學中，一定要重視學生對傳感器等硬件結構及工作原理的系統(tǒng)認識，讓學生自覺遷移到生活實例中，更加準確地識別生活中類似原理的問題。在教學《超聲波測距》一課中，筆者為學生提供了視頻、圖示，幫助學生理解超聲波工作原理，還結合實物讓學生觀察結構。在學生連接的過程中，幫助學生理解驅動安裝的重要作用。學生完整感知了系統(tǒng)原理，鍛煉了系統(tǒng)化思維，能更準確地去識別、解釋生活問題，也為后續(xù)系統(tǒng)設計解決方案打下了基礎。

（二）系統(tǒng)體驗過程，設計解決方案

開源硬件教學的主要目的，是培養(yǎng)學生運用系統(tǒng)化思維，去設計生活中問題的解決方案。因此我們不能將該單元中每一課內容孤立起來進行教學，而應該在不斷深入的方案解決中，有意識地引導學生建立解決問題的模型，形成科學解決問題的思維方式。筆者在完成《超聲波測距》一課后，引導學生梳理整堂課解決問題的過程，認識原理。清晰的板書讓學生明確設計一個完整的問題解決方案的過程，更好地讓學生遷移到滑竿、搖桿傳感器的案例設計中。通過整個單元潛移默化訓練，學生系統(tǒng)化的計算思維能力能得到更好發(fā)展。

二、實驗探究管理，強化數(shù)字化思維

計算思維是基于計算機技術解決問題的思維過程。計算機處理的最大特點就是數(shù)字化，轉化為數(shù)字更簡潔、更易于“計算”。開源硬件是連接計算機和現(xiàn)實的橋梁，在信息技術課上，它更能讓學生直觀地體驗到，用數(shù)字的變化可以描述客觀世界的變化，可以利用數(shù)據，通過算法編程，解決生活中的實際問題。

（一）開展實驗探究，增強數(shù)字化意識

在教學《用搖桿控制角色》一課中，筆者采用了兩人小組合作方式，用scratch 程序連接搖桿傳感器，研究搖桿撥向不同方向的數(shù)據變化，并記錄于表格中。通過探究，學生感知到搖桿動作的變化可以轉化為數(shù)字的變化。獲得了有規(guī)律的數(shù)據后，就能進一步訓練學生運用算法思維設計搖桿控制角色的程序。

對搖桿的操作靜止搖桿將搖桿從靜止逐漸推到最右邊將搖桿從靜止逐漸推到最左邊將搖桿逐漸推到最上邊將搖桿逐漸推到最下邊搖桿數(shù)值變化X= Y=X最終值是（ ）X最終值是（ ）Y最終值是（ ）Y最終值是（ ）

你發(fā)現(xiàn)了什么：

交流討論中的問題，解決認知沖突，修正之前的觀點，發(fā)展計算思維能力。

還有如聲音傳感器、超聲波傳感器、光敏傳感器等，都適合開展此類探究活動，讓學生意識到將傳感器感知變化轉化為數(shù)字的重要作用，從而能自覺地在解決問題之前，做好偵測傳感器的實驗。

（二）學會管理數(shù)據，提升數(shù)字化能力

在開源硬件設計的智能應用中，我們會使用一個或者多個傳感器，每個傳感器在不同階段又會獲取不同的數(shù)值。在教學中，我們要有意識地培養(yǎng)學生存儲數(shù)據、處理數(shù)據、分析數(shù)據、利用數(shù)據的方法和能力，為學生逐步建立大數(shù)據的思想，掌握數(shù)據的變化規(guī)律，運用數(shù)據與數(shù)據之間的關系，更好地為算法編程服務，從而解決更加復雜的現(xiàn)實問題。

在利用scratch 進行開源硬件的編程教學中，我們要有意識地讓學生根據智能應用的場景，靈活運用數(shù)據模塊中的變量、列表這兩個功能來管理數(shù)據。例如，《用聲音控制小貓動作》一課是學生第一次接觸傳感器，我們可以設計這樣的問題：“在程序設計中，我們需要對實驗中偵測到的數(shù)據進行暫存，以更好地為設計算法服務。你想到用學過的哪個功能來實現(xiàn)？”引導學生使用變量來解決編程中的數(shù)據暫存問題。再如，在拓展教學利用聲音傳感器實現(xiàn)語音識別的智能設計中，需要對傳感器偵測的語音數(shù)值進行連續(xù)記錄，引導學生利用scratch中的列表來記錄，幫助學生建立起初步的數(shù)據庫管理思想。

學生通過類比，在不同應用場景的編程實踐中，運用合理的數(shù)據處理方式解決問題，不斷提高數(shù)字化思維能力。

三、計算編程調試，建構算法思維

結合開源硬件設計方案，根據獲取的數(shù)據，用計算思維的方式設計智能應用，讓智能設備實現(xiàn)自動化模擬人類的行為，模擬人類的感覺和判斷，解決人們遇到的困難問題。這一過程中，學生良好的算法思維，是整個計算思維過程得以順利完成的重要保障。

（一）利用圖示梳理，表達算法結構

培養(yǎng)計算思維，不能僅僅注重問題解決的結果，更重要的是，要重視學生解決問題的思維過程。思維導圖和流程圖是兩個非常有效的輔助工具，可以幫助學生構建知識學習框架，直觀形象地表達算法結構，鍛煉學生算法思維，提升計算思維水平。在《超聲波測距》一課中，教師引導學生利用思維導圖，分析實驗探究的具體過程，預設過程中的各種可能，并將傳感器的偵測、角色的反饋等環(huán)節(jié)所需要的控件一一羅列出來，幫助學生形成清晰的知識結構。對于要實現(xiàn)的智能測距感應，引導學生用流程圖，直觀地將變量賦值、條件描述、結果反饋等環(huán)節(jié)，用基本的計算機程序結構描述出來，為程序編寫和調試提供了藍本。

（二）借助數(shù)學思想，輔助算法建構

利用開源硬件實現(xiàn)智能應用，依賴于自動化算法。由于傳感器工作時總是轉化為數(shù)值，這就決定了在很多算法的建構中，都需要數(shù)學思想方法的支撐。我們要讓學生體會學習數(shù)學的重要性，體會數(shù)學在解決程序算法問題中起到的關鍵作用。

在教學《滑竿接球》一課時，需要處理滑竿與角色在舞臺水平位置的對應關系。這里需要使用數(shù)學運算，將滑竿的模擬數(shù)值轉化為角色的坐標值。這對于學生數(shù)學理解能力的要求是很高的，當然老師的講解還是必要的。在《超聲波測距》一課中，探究身高測量的算法時，學生往往只想到最直接的算法：將傳感器放到頭頂位置，測量頭頂至地面的距離。通過引導學生觀察生活中身高測量儀的工作原理，他們能很快運用轉化思想，結合簡單的數(shù)學運算，設計出更科學的測量算法。除了數(shù)學運算外，“＞”“＜”“=”“且”“或”等數(shù)學邏輯運算的組合應用，也是鍛煉學生算法思維的重要手段。

小學生的數(shù)學能力還不夠強，但是只要巧妙運用，簡單的計算也能創(chuàng)造出高效的算法，很好地促進學生計算思維的發(fā)展。

（三）拓展統(tǒng)籌思維，優(yōu)化算法環(huán)節(jié)

引導學生調試出更好的程序，服務于開源硬件的高效運行，實現(xiàn)智能應用，是我們開展此項教學的目標。在程序調試中，面對各種問題，學生會存在不同的解決思路。教師要引導學生運用統(tǒng)籌思維，通過對比、篩選、歸納和綜合，優(yōu)選出能體現(xiàn)硬件優(yōu)勢、高效運行、還原真實生活的程序，發(fā)展學生計算思維能力。在教學《智能樓道燈》一課中，在學生初步實現(xiàn)亮燈程序后，引導學生思考并優(yōu)化程序，實現(xiàn)真實環(huán)境下的智能樓道燈。學生發(fā)現(xiàn)當聲音突然變低時，燈馬上就滅了，會產生危險，于是他們通過討論，用添加等待控件的方法，延長燈亮的時間，解決了問題。在判斷燈亮條件時，有的學生使用“如果”的嵌套來實現(xiàn)，有的學生使用“且”的并列條件來實現(xiàn)。通過對比分析，學生明確了雖然結果相同，但是算法不同的，要學會根據實際情況選擇最佳的方法，以提高程序運行的質量和效率。最后調試出的程序還要經得起真實環(huán)境的檢驗，才能真正運用于生活。

四、開發(fā)優(yōu)化創(chuàng)新，發(fā)展工程思維

開源硬件編程的學習不止于程序設計，而應著眼于產品的設計與制作。完成編程的學習后，我們可以為學生設計提供更多材料、組件，讓他們去設計開發(fā)一個真正運用于生活、學習的產品，去經歷一個完整的創(chuàng)作過程。在不斷優(yōu)化產品的過程中，學生的工程思維可以得到不斷發(fā)展，能進一步促進學生計算思維能力的提升。

（一）設計源自生活的拓展項目

比如，設計一個視力保護儀的創(chuàng)作項目。作品可以安裝在電子產品上，當學生眼睛與電子產品的屏幕太近時，進行提醒。

（二）提供創(chuàng)作所需的材料工具

除了必備的傳感器外，還要為學生提供如蜂鳴器、LED 燈、熱熔膠槍、樂高組建、3D 打印機等的材料，為他們自由構思搭建提供更多可能。

（三）引導學生科學地優(yōu)化結構

科學的結構能讓產品的運行更穩(wěn)定準確。如何將材料穩(wěn)定地固定在電子產品上？鼓勵學生根據實際情況去構思和嘗試，以小組形式，根據電子產品外部特征去選擇合適的材料搭建，再對比討論誰的結構更科學穩(wěn)定，直觀地融入工程學知識，如，凹凸槽口結構、三角形穩(wěn)定結構等，更好地擴展學生的工程思維。

總之，在萬眾創(chuàng)新的時代，要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、全面提升人才的核心競爭力，計算思維能力的培養(yǎng)至關重要。開源硬件的編程教學，為小學生編程教學提供了新的支點。它從生活的實際問題出發(fā)，把問題轉化為模塊的組合與搭建，培養(yǎng)學生的問題意識和模式識別的能力。它的可視化、模塊化特點降低了程序教學的難度，而且通過動手操作并與生活相結合的實例，有助于學生理解復雜的算法結構和程序的執(zhí)行過程。在實際教學中，我們要有意識地發(fā)展學生的系統(tǒng)化思維、數(shù)字化思維、算法思維、工程思維等，讓學生的計算思維能力得到不斷提高。