通過Arduino編程培育學生邏輯思維能力

◇王慶功（山東：青島市即墨區城西小學）

現階段，國內的小學編程教育異常火熱，受到廣大家長和學生的熱烈歡迎。然而，高昂的輔導費用阻礙了其普及。

編程思維是一種獨特的思維方式，它強調邏輯嚴謹、思路清晰、推理精確。這種思維方式對于學生科學理解能力、問題解決能力以及創新能力的發展都至關重要。在科學方面的理解上，編程思維可以輔助學生對抽象的科學內容進行思考，幫助他們更好地理解和掌握科學知識。

對于那些本身對學習不感興趣的學生來說，通過對編程的學習，可以激發他們的學習興趣，重拾信心。編程學習的過程充滿創造性和趣味性，可以讓學生在學習科學知識的同時，享受到創造的樂趣，從而激發他們的學習熱情。

最重要的是，當前國內的教育在學生將來的職業規劃方面存在一定的問題。許多學生在高中階段才開始接觸職業教育，但是這已經太晚了。通過學習編程，學生可以在小學階段就將自己學到的科學知識與實踐相結合，從而提前了解和適應未來的職業規劃。這樣不僅可以幫助學生更好地認識自己，還可以幫助他們建立對未來的初步規劃。

綜上所述，小學編程教育對于培養學生的科學邏輯思維能力、重建學生對學習的興趣與認識具有重要意義。盡管輔導費用較高，但是其價值和意義卻是無法用金錢衡量的。我們應該積極探索有效的途徑，降低編程教育的門檻，讓更多的學生獲得編程思維帶來的益處。

一、國內外研究現狀

（一）國外研究發展趨勢與特點

在國外，少兒編程領域一直備受關注，研究現狀呈現以下幾個主要趨勢和特點。

認知發展和學習成果。研究人員對少兒編程對認知發展和學習成果的影響給予了高度關注。他們深入探討了編程對學生邏輯思維、問題解決能力、創造力和科學能力的促進效果，并試圖進一步理解編程學習對學生大腦認知結構的影響。研究表明，少兒編程能夠有效地提高學生的邏輯思維和問題解決能力，同時對創造力和科學能力也有顯著的促進作用。

學習方法和工具。研究人員關注如何設計適合學生的編程學習方法和工具。他們致力于發展具有趣味性和教育性的編程學習工具，以及適合不同年齡段和認知水平的編程課程設計。這些方法和工具旨在提高學生的學習興趣和效率，使他們在輕松愉快的環境中掌握編程技能。

家庭和學校環境。研究也關注家庭和學校在少兒編程學習中的作用。他們調查家長對少兒編程的態度，以及學校在編程教育中的角色和挑戰，以推動編程教育在更廣泛的社會環境中推廣和應用。研究表明，家庭和學校的支持和鼓勵對少兒編程的學習至關重要。家長和學校應該積極引導和支持學生參與編程學習，以充分發揮其潛力。

（二）國內研究發展趨勢和特點

在國內，少兒編程在2010 年前后開始大范圍推廣，至今也有10 年以上的時間。雖然已經遍布大街小巷，但是少兒編程走進校園卻并不順利。根據筆者的調查，如今遍布各地的少兒編程培訓存在很多問題。

收費高昂。許多對此感興趣且有天賦的學生被拒之門外，因為高昂的培訓費用超出了他們家庭的承受能力。實際上，編程培訓的成本并不高。

培訓質量良莠不齊。校外編程培訓機構的培訓質量參差不齊。經筆者調查，許多培訓機構的教師并非專業出身，也沒有經過系統學習，對編程的理解并不深入。這些教師往往以類似玩具的形式來引起學生的興趣，而缺乏實質性的編程教學，這使學生在培訓中并沒有學到多少有用的知識。

時間安排不合理。校外編程培訓的時間安排也是一個問題。一個學期的上課時間非常有限，而校外培訓機構往往在學期結束時也沒有教授多少實質性的內容。這使學生花費大量時間和金錢卻無法真正學到有用的編程技能。

（三）結論

針對以上問題，筆者認為，開設校內編程課可以有效地改善以上問題。校內編程課可以覆蓋更多的學生，提供更穩定的學習環境，并確保學生在教師的指導下系統學習。同時，校內的編程課程可以與科學課程相結合，幫助學生更好地理解科學中的抽象概念。此外，學校可以與家長合作，鼓勵和支持學生參與編程學習，以充分發揮他們的潛力。

二、教育概念

（一）Arduino開發板的硬件概念

Arduino 是一個非常強大的開源電子平臺，本質上是一塊具備芯片的電路板，可視為一種計算機。這款計算機平臺為用戶提供了豐富的電子元件和模塊，可以輕松實現各種創新和實用的功能。

Arduino 的起源可以追溯到意大利的一所高科技設計學校，由Banzi 設計并推廣。他的初衷是幫助學生更好地學習電子和計算機知識，通過設計和制作Arduino 來提高他們的動手能力和解決問題的能力。隨著時間的推移，Arduino憑借其易用性和實用性，逐漸在全球范圍內流行開來，被廣泛應用于各種領域，如智能家居、機器人、物聯網等。

（二）Arduino開發板的功能與作用

針對不同水平的學生，Arduino 提供了兩套編程軟件，用于程序編寫。其中，第一套編程軟件類似于C 語言的開發環境，適合年齡較大的學生使用；而第二套則通過圖形化界面拖動模塊進行程序的編寫，適合年齡較小的學生。許多培訓機構也紛紛采用這兩套軟件作為編程教育的入門工具，通過循序漸進的方式，引導學生逐步掌握編程技能。

Arduino 控制板已經集成眾多模塊供學生使用，如馬達的運動模塊、超聲波模塊、燈光控制模塊等。這些模塊通過簡單的指令或圖形化界面實現，大大降低了編程的難度。同時，這些模塊還可以拓寬學生的思維能力，激發他們的創新靈感。在教師的指導下，學生可以自由發揮，實現各種有趣和實用的功能。

綜上所述，Arduino 作為一個開源的電子平臺，不僅為學生提供了一個學習電子和計算機知識的良好機會，還通過各種模塊和編程軟件的應用，拓寬了學生的思維能力和創造力。借助Arduino 的功能，學生可以在實踐中學習并掌握計算機原理與組成、科學在現實生活中的應用、動手能力及問題解決能力等全面的知識和技能。

三、教學示例

下面將詳細闡述并展示一個Arduino 編程課的教學示范。這個問答課堂的設計主題是“使用Arduino 點亮一個小燈泡”，我們將通過這個主題，向大家介紹Arduino 的基礎知識，包括硬件的介紹、編程語言的概述、代碼的編寫以及實驗的演示等。通過這個教學示范，希望讀者能更加了解Arduino 編程的基本知識，并且通過實踐操作，讓大家掌握使用Arduino 點亮一個小燈泡的方法。

（一）實驗器具

本實驗使用的實驗器具主要有：Arduino UNO 開發板、LED 小燈泡（紅色和綠色）、連接線、絕緣手套、安全電源、小型十字螺絲刀、收納盒等。

（二）課程示例

課程的開始，教師應介紹一下本次實驗主題。本示例的主題是“使用Arduino 點亮一個小燈泡”。我們首先需要引入兩個概念，分別是輸入和輸出。可以舉個例子來幫助學生了解這兩個詞的含義。然后將輸入和輸出這兩個詞引入使用Arduino開發板點亮燈泡這個主題上。

例如，把人比作這個Arduino 電路板（作為輸入），再把拉窗簾這件事比作點亮燈泡（作為輸出）。在黑板上把這幾件事用箭頭表示聯系。

此時引入控制器和執行器的概念。在本例中，控制器為開發板，執行器為燈泡。概念介紹完成后，由教師指導各個器材之間的連接。講解完成后，教師應當觀察學生的完成情況并針對錯誤進行指正。

下面是編程環節，本示例中只需要采用Arduino 圖形化編程軟件中最簡單的輸入輸出環節即可。輸出填寫1 即為高電平，可使小燈泡亮；輸出填寫0則為低電平，效果正好相反。

本示例中，可能有很多學生沒有搞明白，需要教師游走課堂之中糾錯。另外，需要注意電氣元件的安全性。當學生成功讓小燈泡亮起來后，教師要進行新概念——延遲的講解。延遲就是保持當前狀態停留幾秒的意思。教師可以布置簡單的任務，讓燈泡亮兩秒后滅掉。

教學完成后，則可以讓學生自由發揮。例如讓燈泡每隔一秒閃爍一次這種小課題，幫助學生深入理解。

（三）課程設計總結

以上是關于Arduino 編程課程的授課思路。限于篇幅，難以將具體的課程設計展示在此。本示例主要采用問答游戲的方式。這可以增強師生之間的互動，同時有助于學生對Arduino 編程的學習和理解。通過在課堂上展示Arduino 的實際應用，學生能夠更好地理解和應用所學的知識，進而提高他們的興趣和參與度。

四、課后問卷分析

筆者在校內的手工課中試講了本案例，在課程結束之后，筆者制作了相關的調查問卷，詢問了學生上課時遇到的問題以及對這節課是否感興趣。筆者通過問卷分析發現，學生對此課的興趣明顯高于平常的數學課與科學課，并且在上課期間，發現有幾個平時對上課不感興趣的學生也在積極完成“點亮燈泡”課堂任務。雖然暫時難以將全部不感興趣的學生都引導參與進來，但對于部分學生是有積極意義的。課后還有擅長數學的學生探討更深層次的知識，比如“為什么我們在電腦上輸入1，小燈泡就可以亮？”筆者在講述原因時，發現也有一部分學生開始對計算機的基本原理產生興趣。這有助于學生不斷地拓展認知領域，也同時培養了學生的創新能力和實踐能力。當然，課程設計也存在很多問題，后續要不斷精心設計教學內容，建立良好的教學體系，從而確保學生在課上可以真正地發展自己的計算思維能力和數理思維能力。

綜上所述，將Arduino 引入小學課堂具有諸多益處。它不僅可以激發學生的學習興趣，而且能夠促進綜合學科知識的運用，培養創新思維和解決問題能力，提升學生的實踐能力和動手能力。這樣的教學方式能夠更好地培養學生的綜合素質，并為他們的未來學習和職業發展打下堅實的基礎。