周智敏

摘 要：計算思維作為高中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一寫入了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）中，彰顯了培養(yǎng)發(fā)展計算思維的必要性和重要性。在信息技術(shù)新課程結(jié)構(gòu)中選擇性必修模塊6設(shè)立了“開源硬件項目設(shè)計”，意在引入新的教學(xué)平臺與載體，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和興趣。本文以提升學(xué)生的計算思維為目標(biāo)，通過“開源硬件項目”教學(xué)的實踐，探索行之有效的教學(xué)策略，為高中信息技術(shù)教師開展相關(guān)的教學(xué)提供了一定的指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：計算思維;開源硬件;教學(xué)策略

在高中新課程標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一的計算思維得到了空前的高度關(guān)注，信息技術(shù)課堂可以說是我國基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的主陣地。除了常規(guī)的基礎(chǔ)知識與操作技能的教學(xué)外，對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)和發(fā)展可謂是重中之重。計算思維就是用計算機領(lǐng)域的思維方法來界定問題、抽象特征、建構(gòu)模型和組織數(shù)據(jù)，運用計算思維解決一系列問題的過程和方法，并遷移到相關(guān)的其他問題解決中[1]。具備計算思維能力的學(xué)生在解決真實問題時，能運用信息技術(shù)學(xué)科的知識與方法去分析問題，查找問題根源，制訂計劃并解決問題。計算思維的培養(yǎng)不僅局限于解決問題的能力，它是在使用計算機解決問題的過程中形成的一種思維方式，是一種分析性思維，也是一種批判性思維、創(chuàng)造性思維。

信息技術(shù)發(fā)展的重要體現(xiàn)之一是近些年來涌現(xiàn)出一大批開源硬件。作為當(dāng)下連接數(shù)據(jù)世界與現(xiàn)實世界載體之一的開源硬件在一定程度上突破了專業(yè)領(lǐng)域的圍墻，人們可以基于開源硬件很方便地根據(jù)自己的設(shè)計制作出具備一定功能的信息系統(tǒng)。因此，“開源硬件項目”設(shè)計已被列為信息技術(shù)課程結(jié)構(gòu)中選擇性必修模塊6，意在信息技術(shù)課程中融入新型的教育模式與平臺，提高學(xué)生動手實踐與創(chuàng)新的能力，體驗開源硬件作品的創(chuàng)意、設(shè)計、制作、測試運行的完整過程，形成以信息技術(shù)學(xué)科的方法觀察事物和問題求解的能力。通過開源硬件的學(xué)習(xí)有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，不斷在“設(shè)計→嘗試→→驗證→優(yōu)化”的迭代過程中發(fā)展計算思維。本文以“開源硬件項目”為例，依托高中信息技術(shù)教學(xué)，旨在探索培養(yǎng)學(xué)生計算思維的有效教學(xué)策略。

一、高中信息技術(shù)教學(xué)中培養(yǎng)計算思維的重要性

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，信息技術(shù)也在飛速進展，人們面對的問題日趨多樣性，這就對個人解決問題的能力提出更高的要求。作為一種思維方式，計算思維是幫助人們解決在現(xiàn)今社會求職工作、學(xué)習(xí)與生活中一些問題的重要手段，它運用嶄新的視角來幫助人們前行。

由于學(xué)生的認(rèn)知能力不同，信息技術(shù)教育教學(xué)的培養(yǎng)方式和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)有所不同。高中信息技術(shù)教學(xué)不能僅停留在簡單的技能操作層面，需更多地關(guān)注學(xué)生在解決問題過程形成的思維方式。計算思維的提出對高中信息技術(shù)教學(xué)提出了全新的目標(biāo)和要求，在素質(zhì)教育深入發(fā)展的背景下，單純的知識理解和技能操作已無法跟上時代的步伐。教師要更重視對學(xué)生進行思維能力的培養(yǎng)，幫助學(xué)生形成發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性地思考問題，以及清晰地表達解決方案的能力。新課標(biāo)中將培養(yǎng)學(xué)生的計算思維作為要求之一，無疑是計算思維越發(fā)受到高中信息技術(shù)教育關(guān)注和重視的一種體現(xiàn)。

作為一種行之有效的學(xué)習(xí)工具，計算思維能提高學(xué)生概括、掌握、靈活運用知識和擇優(yōu)解決問題的能力，是信息化時代人們必備的思維方式。計算思維的價值不僅體現(xiàn)在計算機科學(xué)學(xué)科之內(nèi)，同時對其他學(xué)科學(xué)習(xí)乃至社會發(fā)展都具有普遍意義。培養(yǎng)計算思維無論對社會發(fā)展，還是對學(xué)科發(fā)展及個人發(fā)展都具有重要價值。

二、高中信息技術(shù)“開源硬件項目”教學(xué)設(shè)計——RCJ（RescueLine）

目前在眾多開源硬件中，以Arduino、MicroBit、OpenMV和樹莓派這四款最具代表性，這四款開源硬件都擁有良好的兼容性，支持豐富的控制器、傳感器等其他外接元器件，集圖形化編程、開發(fā)板實體操作于一體[2]。目前在國內(nèi)外中小學(xué)中運用較為廣泛的是Arduino系統(tǒng)，在教學(xué)過程中，其優(yōu)點在于簡單，易上手，為學(xué)生體驗技術(shù)與設(shè)計帶來快樂，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。在“開源硬件項目”教學(xué)中學(xué)生不僅能夠接觸算法與程序的知識，發(fā)展計算思維能力，還能夠觸摸到程序運行的物化結(jié)果，避免了單純的程序設(shè)計知識所帶來的枯燥體驗，有效調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[3]。

RCJ全稱RoboCupJunior，即青少年機器人世界杯。RescueLine項目要求自主設(shè)計一個智能設(shè)備，完成從巡線開始，到避開障礙物，直至營救人質(zhì)的任務(wù)。顯而易見，利用開源硬件和各類傳感器組裝一輛智能小車，完成各個子任務(wù)是最佳的選擇。

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計并拼裝智能小車，其主要部件有ArduinoMega2560主控板、電機、電機驅(qū)動、LED燈、四路巡線傳感器、RBG顏色傳感器、觸碰傳感器、8*8矩陣顯示屏、按鈕、開關(guān)、電池組等。通過實現(xiàn)各個子任務(wù)來使學(xué)生習(xí)得開源硬件及各種傳感器的知識。經(jīng)過一個學(xué)年的教學(xué)實踐，已初步形成了基于開源硬件Arduino平臺的RCJ（RescueLine）項目系列課程，并總結(jié)出一些行之有效的教學(xué)策略。

三、高中信息技術(shù)“開源硬件項目”教學(xué)策略

（一）創(chuàng)設(shè)項目問題情境

項目的設(shè)計，首先要有真實的問題情境。真實情境的創(chuàng)設(shè)說起來容易做起來難。比如，很多的問題對學(xué)生已有知識的掌握難度較高，這就需要教師剝離無關(guān)細(xì)節(jié)，提取教材中的重點內(nèi)容，凸顯情境要素，幫助學(xué)生在問題情境中發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題[4]。

在決定用RCJ中的RescueLine項目設(shè)計開源硬件教學(xué)時，主要原因是RescueLine項目自帶了真實的問題情境。RescueLine的含義為軌跡救援，問題情境是在一次救援任務(wù)中，由于救援人員無法到達救援現(xiàn)場，需要有一個能自主控制的智能設(shè)備，沿著軌跡進入救援現(xiàn)場，實現(xiàn)營救傷員的任務(wù)。在整個過程中，要實現(xiàn)多個子任務(wù)。

教師將解決方案進行了梳理和編排，融入了開源硬件設(shè)計和算法與程序?qū)崿F(xiàn)的相關(guān)知識和技能，以項目化選修課程的形式呈現(xiàn)。第一階段共4個單元：小車初始，小車運動，小車避障，小車識色。使學(xué)生能切身體驗到硬件與軟件的完美融合，享受解決真實問題、完成項目任務(wù)的成就感。

（二）提供項目指南支架

在項目的實施過程中，教師應(yīng)為學(xué)生提供必要的項目指南與支架，包含項目的背景資料、學(xué)習(xí)資源等內(nèi)容，也可以是輔助類型的教具。項目指南與支架的設(shè)計，首先要服務(wù)教學(xué)目標(biāo)，重點解決教學(xué)過程中產(chǎn)生的問題，如流程圖搭建教具。在設(shè)計算法階段，流程圖是展現(xiàn)學(xué)生思維的最佳工具，但流程圖往往受限于繪制時間長、修改難、展示不便等缺陷，沒有發(fā)揮出其應(yīng)有的效果。因此，在開源硬件RCJ（RescueLine）項目任務(wù)的小車運動單元中，教師自制了流程圖搭建教具，在一定程度上改善上述缺陷。流程圖搭建教具，由磁性白板、磁條、空白流程圖或內(nèi)容已定的流程圖（供學(xué)生選擇，根據(jù)每一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容做相應(yīng)的調(diào)整），以及部分固定流程圖等組成，讓學(xué)生在白板上根據(jù)自己的思維，迅速做出調(diào)整，準(zhǔn)確高效地描述出自己設(shè)計的算法。既避免了徒手繪制的不便，又直觀形象地呈現(xiàn)了學(xué)生的思維，同時還提高了課堂效率，讓學(xué)生更專注于去分析問題，把問題抽象化、模型化，設(shè)計計算模型，最終通過算法與程序來解決問題。

其次，項目指南與支架的呈現(xiàn)要遵循科學(xué)和生動相結(jié)合的原則，體現(xiàn)知識的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，避免給學(xué)生帶來誤解與膚淺的理解。要以學(xué)生認(rèn)識特點和理解水平相匹配，對內(nèi)容進行加工，要通俗易懂、生動有趣，激發(fā)和保持學(xué)生持久的興趣和注意力，同時避免喧賓奪主。如，為避免過多底層編程和細(xì)節(jié)，使學(xué)生能夠迅速便捷地寫出對小車的控制程序，教師編寫了基于此小車的底層庫，其中包含一些基本方法，如motorrun（x，y）前進，（stopMotor）停車，（rotateL（x）原地左轉(zhuǎn)，back（x）倒退等，學(xué)生只需在ArduinoIDE中調(diào)用這些基本方法即可。

指南與支架不應(yīng)是知識點的“游樂場”，而應(yīng)是各種案例和資料的聚集地。通過在指南與支架中預(yù)設(shè)相關(guān)內(nèi)容，關(guān)注在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的思維是否被調(diào)動，注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能否積極調(diào)動思維，能否進行對問題的深入探究，使學(xué)生能在教師的啟迪下完成對問題的抽象與建模。為培養(yǎng)計算思維能力邁出重要的一步。

在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，由于開源硬件的難度較高，部分能力較弱的學(xué)生游離在外，同時還存在“拿來主義”的現(xiàn)象，照搬他人的解決方案，缺少獨立思考。針對這樣的問題，建議采用小組合作競爭機制的教學(xué)策略。

（三）建立合作競爭機制

分組活動競爭，方便教師因材施教，也有利于學(xué)生的交流合作。通過合理的小組分配，能幫助學(xué)生提高組織管理及表達能力，同時在解決問題方面做到集思廣益，并在良性競爭的環(huán)境下，強化個人的學(xué)習(xí)動機，有效提高教學(xué)活動效率。

在RCJ（RescueLine）的挑戰(zhàn)任務(wù)中，任務(wù)要求：實現(xiàn)智能小車從起點拼塊出發(fā)，逆時針或逆時針巡黑線一圈（隨機），途中繞過障礙物，回到終點拼塊，原地停車。每2位同學(xué)為一組，設(shè)計并分享你們的解決方案，先分享的小組對此方案擁有使用權(quán)，其他小組未獲得同意不能使用此方案解決。如此設(shè)定的目的是防止“拿來主義”，當(dāng)然若某小組有多種解決方案的情況下，也保留了分享使用的可能性。

通過之前的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生都已明白，解決方案的關(guān)鍵之處就是如何判斷智能小車是順時針還是逆時針巡線。此時便能夠檢驗出學(xué)生的計算思維素養(yǎng)如何了，能不能靈活運用之前所學(xué)的計算機學(xué)科領(lǐng)域的知識和方法，通過把問題特征抽象化、解決方案模型化、算法程序自動化來實現(xiàn)問題的解決[5]。

高中學(xué)生已經(jīng)有了一定的合作競爭意識，教師可以設(shè)計一些適合分組的任務(wù)，將學(xué)生分成不同的小組，將教師指導(dǎo)、交流討論與學(xué)生自學(xué)有機結(jié)合。在小組討論過程中，不同學(xué)生的奇思妙想相互交織在一起，形成一種嶄新的思維，使學(xué)生從各自意想不到的角度重新審視所討論的命題。組內(nèi)搭配合作，既能保持個人敢為人先、不甘落后的進取精神，又能樹立集體協(xié)作、團結(jié)合作的觀念，促使組內(nèi)成員面對同一目標(biāo)互幫互助，共同促進，達到珠聯(lián)璧合、相輔相成的目的。分組后組間自動會形成競爭機制，在組間相互競爭的過程中學(xué)生會形成強烈的集體意識，為榮譽而“戰(zhàn)”，形成良性競爭，提高學(xué)習(xí)熱情。

采用了小組合作競爭機制的教學(xué)策略后，使得原來游離于外的學(xué)生也回歸到課堂中來，與同組的學(xué)生共同商討解決方案。即使其思路、想法有些偏離也沒有關(guān)系。每個小組都在想方設(shè)法地尋找與他人不一樣的解決方案，這樣使得課堂中的“拿來主義”減少，課堂中充滿了計算思維的“味道”。通過小組之間的良性競爭，激勵學(xué)生在有限的時間內(nèi)集中精力完成活動問題的解決，并分享解決問題的思路和方法，教學(xué)氛圍非常活躍，課堂實踐效果比較好。共7個小組的課堂，最終呈現(xiàn)出了8種不同的解決方案。

（四）積極反饋提升自信

通過對教學(xué)實踐進行觀察與分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)任務(wù)難度有所增加，部分學(xué)生遇到無法解決的問題時，通常會產(chǎn)生畏難的情緒，變得急躁或放任自流，失去原有對答案的探索之心。面對這樣的學(xué)生，愛默生說過，自信是成功的第一秘訣。教師應(yīng)以激勵的方式讓學(xué)生樹立自信，以自身的信任促進學(xué)生自信，以科學(xué)合理且積極的評價增長學(xué)生的自信。擁有自信的學(xué)生，面對困難，不畏艱險，勇于探索，有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高解題能力。

在教學(xué)實踐之前，大多數(shù)學(xué)生對陌生的開源硬件有著恐懼心理，但是通過RCJ（RescueLine）項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生表示開源硬件沒有想象中那么難，并且想要繼續(xù)深入學(xué)習(xí)。在遇到問題時，有了分析問題、抽象模型的意識，使學(xué)生的計算思維得到了發(fā)展和培養(yǎng)。

結(jié)束語

通過創(chuàng)設(shè)項目問題情境，提供項目指南支架，建立合作競爭機制，積極反饋提升自信等教學(xué)策略，使課堂變得多姿多彩，充滿生機，每一位學(xué)生都能在其中吸取營養(yǎng)，得到成長。在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題等環(huán)節(jié)逐步發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。當(dāng)然，在實際的教學(xué)過程中，還需根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境、學(xué)生的具體情況等因素綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，真正做到因材施教，因生施教。只有合適的，才是最好的。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社：6.

[2]劉瑩昕，牛寶裕，石偉，等.基于計算思維培養(yǎng)的中小學(xué)開源硬件課程開發(fā)探究[J].中國教育信息化，2020（18）：75-79.

[3]劉偉善.Arduino開源硬件在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育信息技術(shù)，2019（4）：11-13.

[4]趙福生，劉力.基于谷歌計算思維課程的中學(xué)生計算思維培養(yǎng)策略[J].現(xiàn)代計算機，2020（33）：104-108.

[5]張立國，王國華.計算思維：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.