基于開源硬件的小學圖形化編程教學策略研究

王東

摘要：基于開源硬件的小學圖形化編程教學是信息科技核心素養在教學中達成的重要途徑。作者以蘇科版五年級《聲音控制小貓動作》一課為例，以《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》為指導，在軟硬件選擇、教學內容處理、教學目標設定、過程設計、目標達成途徑及教學注意事項等方面展開了實踐研究，以期探索出類似內容的一般教學策略。

關鍵詞：開源硬件；圖形化編程；信息科技；新課標；聲音傳感器

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）10-0036-03

基于開源硬件的圖形化編程屬于《江蘇省義務教育信息技術課程綱要（2017年修訂）》“算法與程序設計”模塊的內容。該內容在教學安排上是小學五年級的課程，是學生在圖形化編程學習過程中接觸開源硬件Arduino的升階課程，也是六年級機器人等相關課程的銜接課程。在配套的教師用書中，江蘇省中小學教學研究室建議教師在教學中，應注重計算思維方法的教授，注意模塊對語言意義的解釋，應結合生活實踐，讓學生建立完成任務之前必須有規劃的意識，理解流程圖在規劃中的作用。基于此，筆者為更好地在小學信息科技教學中開展基于開源硬件的圖形化編程教學，并將《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）落實到教學中，結合教學實踐展開了教學策略研究，具體如下。

開源硬件與圖形化編程軟件的選擇

在開源硬件方面，筆者選擇的是所在地區所研發的編程測控板套裝。它的優點是把教學中要用到的傳感器集成在測控板上，且連接穩定。在圖形化編程軟件方面，筆者綜合考慮了軟硬件的兼容性、穩定性及后續學習的延續性，在實際教學中采用Mind+作為圖形化編程平臺。

圖形化編程教學內容的處理

《聲音控制小貓動作》是蘇科版小學信息技術五年級第14課的內容。本課主要內容包含兩個方面，一是認識開源硬件Arduino，二是學習使用聲音傳感器。利用聲音傳感器獲取外界中的音量值，利用音量值來控制小貓的運動。當傳感器獲得的聲音越大時，小貓的速度會越快。新課標指出，第三學段（5～6年級）學生在學習身邊的算法時要借助學習與生活中的實例，體驗身邊的算法。為此，筆者設計了運用聲音傳感器給“青蛙王子”喊加油的學習任務情境，讓學生在玩中學、學中研。

圖形化編程教學目標的設定

信息意識：①了解Arduino硬件的結構，知道信息的獲取方式；

②分析出動畫中的角色及流程，培養信息意識。

計算思維：①掌握傳感器數值的獲取方法，并對數據進行轉化，滿足程序要求；②根據動畫構建流程圖，再通過搭建腳本的方式實現。

數字化學習：①閱讀說明，按步驟實現Arduino測控板的軟硬件連接；②合作學習，學會根據要求找到合適的控件實現功能。

信息社會責任：①通過學習，形成生活中的物體可以成為計算機輸入設備的意識；②體驗Arduino開源硬件的強大魅力，培養創新、創造能力。

教學重點：①能夠將測控板與Mind+圖形化編程軟件連接起來；②掌握獲取聲音傳感器值的方法。

教學難點：①分析動畫，設計相應的算法，搭建分支流程；②將獲取的傳感器數值應用到程序中；③根據程序需要對聲音傳感器數據進行處理。

圖形化編程教學過程的設計

筆者結合教學目標，在過程設計上采用了“提出問題—分析、解決問題—鞏固拓展—課堂小結”的步驟。“提出問題”在情境導入環節，即給青蛙王子喊加油，體驗應用聲音傳感器的程序效果。“分析、解決問題”環節按學生的思維發展過程分為基礎和提高兩部分。在基礎部分學生要了解開源硬件、連接測控板、獲取聲音傳感器的值、分析動畫、繪制流程圖、搭建腳本并調試；在提高部分學生調試腳本試錯，發現聲音傳感器的值不符合程序要求，找原因，最終找到用除法運算等比例縮小，處理數據并運用到程序中去。在“鞏固拓展”環節鼓勵學生把聲音傳感器知識應用遷移到控制角色外觀大小變化的程序中去，最終達到熟練使用聲音傳感器控制更多角色的目標。在“課堂小結”環節鼓勵學生展示、互評，并根據學生思維發展用思維導圖梳理課堂知識要點。具體流程如圖1所示。

圖形化編程教學目標的達成途徑

1.信息意識目標的達成

學生在圖形化編程中是第一次接觸開源硬件，因此教師在課前先錄制好一段介紹開源硬件Arduino、樹莓派、微比特的視頻，組織學生學習，提高其對原理和概念的學習效果和效率。在教學中，通過圖文的方式組織學生了解聲音傳感器的工作原理，并出示測控板所有部件圖，讓學生通過找一找的方式來加深對聲音傳感器的認識。接著，通過比較LED燈、聲音傳感器的編號區別來認識數字端口和模擬端口，進而了解圖形化編程軟件Mind+通過測控板獲取信息的方式。

2.計算思維目標的達成

在教學中，教師從分析實例出發，先用自然語言描述角色流程，再在互動授課平臺上自主構建流程圖，接著用思維導圖來探究程序結構和算法來培養學生的計算思維。具體設計如下：

根據新課標計算思維學段目標，引導學生觀看青蛙王子追趕公主，聽到加油聲加速追趕的視頻，分析青蛙王子角色的“初始化角色”“重復執行”“移動追趕”“聽到聲音加速追趕”等關鍵環節，再應用互動授課平臺的“知識配對”課堂活動，讓學生構建流程圖（如圖2），完成任務規劃。

引導學生學會獲取聲音傳感器的值，并能將它運用到程序中既是本案例的重點也是難點。在接下來的環節中，教師采用互動授課平臺的思維導圖，按照學生的認知規律，引導探究得出要實現“聲音輸入移動加速”需解決兩個問題，第一個是聽到聲音，第二個是加速移動。

問題一——聽到聲音。讀取聲音傳感器的值，新建變量，把聲音傳感器的值賦值給變量，循環檢測。在思維導圖中，教師使用遮罩功能，根據學生思維順序，隨機出示相關項，以保護學生的自主探究。

問題二——加速移動。這里也使用遮罩功能，先讓學生嘗試直接使用聲音傳感器的值，發現給小青蛙一喊加油，則追趕速度太快，不符合程序需要，再引導學生用運算控件如除法，把聲音傳感器的值等比例縮小，之后再用到程序中。在學生掌握了圖形化編程中聲音傳感器使用的一般方法后，再展示青蛙王子聽到加油聲，角色變大并加速追趕的視頻，引導學生分析角色變化，仍用思維導圖的方式引導學生探究，并找到解決辦法，最后搭建腳本并調試。

在這個環節中，仍先讓學生嘗試在“將大小設為”控件中直接使用聲音變量。學生在調試過程中發現，當沒有加油聲時青蛙王子角色由于聲音變量值為0，在舞臺上會小到看不見，由此再引導學生用運算控件給青蛙王子大小一個初始值，以保證程序運行效果。

在本課的拓展鞏固環節，教師先讓學生觀看視頻，視頻中的白馬、風車、跳舞的小女孩在聲音傳感器的控制下分別展現出各種動作變化。然后，引導學生用本課所學知識發揮創意，運用各類控件和聲音傳感器創作自己的個性作品。接著通過小組互評，選出優秀作品在課堂上展示并交流制作心得，讓學生體會成功的快樂。

在課堂回顧環節還是運用互動授課平臺的思維導圖幫助學生梳理所學知識。通過逐級出示，讓一堂課的知識要點條分縷析，加強學生知識體系的構建。

3.數字化學習目標的達成

數字化學習在本課中第一個方面是：閱讀說明，按步驟實現Arduino測控板的軟硬件連接。在教學過程中，教師采用了圖文出示、教師演示、學生嘗試的方式組織學生學習。數字化學習在本課中第二個方面是：本課是開源硬件Arduino第一課，主要任務是學會在圖形化編程中使用開源硬件的一般方法——獲取聲音傳感器的值，將獲取的值通過運算得到合適的值，并運用到程序中去。對于部分接受新知慢的學生，教師在課堂組織形式上采用了小組合作，四人一小組，組內兩兩合作，記錄和操作分工，簡單問題組內討論、交流。

4.信息社會責任學習目標的達成

在課堂回顧環節，引導學生尋找生活中聲音傳感器的應用實例，理論聯系實際，增強學生的學習記憶，進一步激發學生的學習興趣，并鼓勵學生以本課為起點，深入學習、研究。

反思

1.緊抓本課學習重點

經過簡化，讓學生清楚地知道了在圖形化編程中怎樣使用聲音傳感器，再通過思維導圖對“聲音輸入加速移動”進行探究，牢牢抓住了教學的重點，開展了扎實的教學。

2.充分讓學生試錯，引導學生探究

在學習過程中先讓學生試錯，發現問題，小組探討、尋找解決問題的辦法，再去驗證實施，最后交流鞏固。例如，在圖形化編程中使用聲音傳感器的值時，可以先讓學生去應用，使其發現直接使用獲得的值不符合程序需要，再引導學生去探討，得出要用運算控件對獲得的值進行處理，縮小一定的倍數，才能在程序中使用。

3.用模塊化思維進行教學設計，培養學生的編程思維

在基于測控板的圖形化編程中，也可以用模塊化相對獨立的功能腳本來培養學生的模塊化思維。例如，對傳感器值的檢測在搭建腳本的時候可搭建獨立的腳本模塊，這樣一方面便于學生精準理解傳感器使用的一般方法，讓程序運行更高效，另一方面也可以讓搭建的腳本更簡單明了，便于學生理解。