开展开源硬件编程教学训练学生计算思维能力
时间：2023-01-25 08:40:04 来源：天一资源网 本文已影响 人 
◇张建良（江苏：太仓市双凤镇新湖小学）
培养学生信息科技核心素养是信息科技学科全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务。信息科技课程的总体目标，是提升学生的数字素养与技能。其中，计算思维已成为中小学信息科技课程核心素养的重要方面。随着人工智能、物联网、机器人领域的不断发展，培养具有较高计算思维能力的时代新人，适应未来社会的挑战，显得尤为重要和迫切。
计算思维是思维方式的一种，是利用计算科学的基本概念和方法，结合工程思维、数学思维等多种思维方式和特点，进行问题求解、系统建构和人类行为理解的思维过程。关注问题解决方案的形成过程，强调在真实的活动体验与实践应用中，发展学生利用信息技术思考与解决问题的独特能力。
开源硬件是未来人工智能领域研究不可或缺的硬件基础，计算思维是未来人才开发智能化设备的必备软实力。开源硬件的编程学习，能够更好地拉近虚拟和现实之间的距离，为培养学生核心素养，特别是培养学生的计算思维能力，创造更适合的条件。下面笔者结合教学实践，谈一谈自己的体会和收获。
要尝试运用计算思维识别与分析问题，抽象、建模与设计系统性解决方案。计算思维具有系统化特征，教学中渗透系统化思维，发展计算思维，是实现此目标的策略之一。
（一）系统感知原理，识别生活问题
计算机本身是一个软硬件结合的系统，开源硬件编程学习，就是理解系统化思维的良好平台。教学中，一定要重视学生对传感器等硬件结构及工作原理的系统认识，让学生自觉迁移到生活实例中，更加准确地识别生活中类似原理的问题。在教学《超声波测距》一课中，笔者为学生提供了视频、图示，帮助学生理解超声波工作原理，还结合实物让学生观察结构。在学生连接的过程中，帮助学生理解驱动安装的重要作用。学生完整感知了系统原理，锻炼了系统化思维，能更准确地去识别、解释生活问题，也为后续系统设计解决方案打下了基础。
（二）系统体验过程，设计解决方案
开源硬件教学的主要目的，是培养学生运用系统化思维，去设计生活中问题的解决方案。因此我们不能将该单元中每一课内容孤立起来进行教学，而应该在不断深入的方案解决中，有意识地引导学生建立解决问题的模型，形成科学解决问题的思维方式。笔者在完成《超声波测距》一课后，引导学生梳理整堂课解决问题的过程，认识原理。清晰的板书让学生明确设计一个完整的问题解决方案的过程，更好地让学生迁移到滑竿、摇杆传感器的案例设计中。通过整个单元潜移默化训练，学生系统化的计算思维能力能得到更好发展。
计算思维是基于计算机技术解决问题的思维过程。计算机处理的最大特点就是数字化，转化为数字更简洁、更易于“计算”。开源硬件是连接计算机和现实的桥梁，在信息技术课上，它更能让学生直观地体验到，用数字的变化可以描述客观世界的变化，可以利用数据，通过算法编程，解决生活中的实际问题。
（一）开展实验探究，增强数字化意识
在教学《用摇杆控制角色》一课中，笔者采用了两人小组合作方式，用scratch 程序连接摇杆传感器，研究摇杆拨向不同方向的数据变化，并记录于表格中。通过探究，学生感知到摇杆动作的变化可以转化为数字的变化。获得了有规律的数据后，就能进一步训练学生运用算法思维设计摇杆控制角色的程序。
对摇杆的操作静止摇杆将摇杆从静止逐渐推到最右边将摇杆从静止逐渐推到最左边将摇杆逐渐推到最上边将摇杆逐渐推到最下边摇杆数值变化X= Y=X最终值是（ ）X最终值是（ ）Y最终值是（ ）Y最终值是（ ）
你发现了什么：
交流讨论中的问题，解决认知冲突，修正之前的观点，发展计算思维能力。
还有如声音传感器、超声波传感器、光敏传感器等，都适合开展此类探究活动，让学生意识到将传感器感知变化转化为数字的重要作用，从而能自觉地在解决问题之前，做好侦测传感器的实验。
（二）学会管理数据，提升数字化能力
在开源硬件设计的智能应用中，我们会使用一个或者多个传感器，每个传感器在不同阶段又会获取不同的数值。在教学中，我们要有意识地培养学生存储数据、处理数据、分析数据、利用数据的方法和能力，为学生逐步建立大数据的思想，掌握数据的变化规律，运用数据与数据之间的关系，更好地为算法编程服务，从而解决更加复杂的现实问题。
在利用scratch 进行开源硬件的编程教学中，我们要有意识地让学生根据智能应用的场景，灵活运用数据模块中的变量、列表这两个功能来管理数据。例如，《用声音控制小猫动作》一课是学生第一次接触传感器，我们可以设计这样的问题：“在程序设计中，我们需要对实验中侦测到的数据进行暂存，以更好地为设计算法服务。你想到用学过的哪个功能来实现？”引导学生使用变量来解决编程中的数据暂存问题。再如，在拓展教学利用声音传感器实现语音识别的智能设计中，需要对传感器侦测的语音数值进行连续记录，引导学生利用scratch中的列表来记录，帮助学生建立起初步的数据库管理思想。
学生通过类比，在不同应用场景的编程实践中，运用合理的数据处理方式解决问题，不断提高数字化思维能力。
结合开源硬件设计方案，根据获取的数据，用计算思维的方式设计智能应用，让智能设备实现自动化模拟人类的行为，模拟人类的感觉和判断，解决人们遇到的困难问题。这一过程中，学生良好的算法思维，是整个计算思维过程得以顺利完成的重要保障。
（一）利用图示梳理，表达算法结构
培养计算思维，不能仅仅注重问题解决的结果，更重要的是，要重视学生解决问题的思维过程。思维导图和流程图是两个非常有效的辅助工具，可以帮助学生构建知识学习框架，直观形象地表达算法结构，锻炼学生算法思维，提升计算思维水平。在《超声波测距》一课中，教师引导学生利用思维导图，分析实验探究的具体过程，预设过程中的各种可能，并将传感器的侦测、角色的反馈等环节所需要的控件一一罗列出来，帮助学生形成清晰的知识结构。对于要实现的智能测距感应，引导学生用流程图，直观地将变量赋值、条件描述、结果反馈等环节，用基本的计算机程序结构描述出来，为程序编写和调试提供了蓝本。
（二）借助数学思想，辅助算法建构
利用开源硬件实现智能应用，依赖于自动化算法。由于传感器工作时总是转化为数值，这就决定了在很多算法的建构中，都需要数学思想方法的支撑。我们要让学生体会学习数学的重要性，体会数学在解决程序算法问题中起到的关键作用。
在教学《滑竿接球》一课时，需要处理滑竿与角色在舞台水平位置的对应关系。这里需要使用数学运算，将滑竿的模拟数值转化为角色的坐标值。这对于学生数学理解能力的要求是很高的，当然老师的讲解还是必要的。在《超声波测距》一课中，探究身高测量的算法时，学生往往只想到最直接的算法：将传感器放到头顶位置，测量头顶至地面的距离。通过引导学生观察生活中身高测量仪的工作原理，他们能很快运用转化思想，结合简单的数学运算，设计出更科学的测量算法。除了数学运算外，“＞”“＜”“=”“且”“或”等数学逻辑运算的组合应用，也是锻炼学生算法思维的重要手段。
小学生的数学能力还不够强，但是只要巧妙运用，简单的计算也能创造出高效的算法，很好地促进学生计算思维的发展。
（三）拓展统筹思维，优化算法环节
引导学生调试出更好的程序，服务于开源硬件的高效运行，实现智能应用，是我们开展此项教学的目标。在程序调试中，面对各种问题，学生会存在不同的解决思路。教师要引导学生运用统筹思维，通过对比、筛选、归纳和综合，优选出能体现硬件优势、高效运行、还原真实生活的程序，发展学生计算思维能力。在教学《智能楼道灯》一课中，在学生初步实现亮灯程序后，引导学生思考并优化程序，实现真实环境下的智能楼道灯。学生发现当声音突然变低时，灯马上就灭了，会产生危险，于是他们通过讨论，用添加等待控件的方法，延长灯亮的时间，解决了问题。在判断灯亮条件时，有的学生使用“如果”的嵌套来实现，有的学生使用“且”的并列条件来实现。通过对比分析，学生明确了虽然结果相同，但是算法不同的，要学会根据实际情况选择最佳的方法，以提高程序运行的质量和效率。最后调试出的程序还要经得起真实环境的检验，才能真正运用于生活。
开源硬件编程的学习不止于程序设计，而应着眼于产品的设计与制作。完成编程的学习后，我们可以为学生设计提供更多材料、组件，让他们去设计开发一个真正运用于生活、学习的产品，去经历一个完整的创作过程。在不断优化产品的过程中，学生的工程思维可以得到不断发展，能进一步促进学生计算思维能力的提升。
（一）设计源自生活的拓展项目
比如，设计一个视力保护仪的创作项目。作品可以安装在电子产品上，当学生眼睛与电子产品的屏幕太近时，进行提醒。
（二）提供创作所需的材料工具
除了必备的传感器外，还要为学生提供如蜂鸣器、LED 灯、热熔胶枪、乐高组建、3D 打印机等的材料，为他们自由构思搭建提供更多可能。
（三）引导学生科学地优化结构
科学的结构能让产品的运行更稳定准确。如何将材料稳定地固定在电子产品上？鼓励学生根据实际情况去构思和尝试，以小组形式，根据电子产品外部特征去选择合适的材料搭建，再对比讨论谁的结构更科学稳定，直观地融入工程学知识，如，凹凸槽口结构、三角形稳定结构等，更好地扩展学生的工程思维。
总之，在万众创新的时代，要培养创新型人才、全面提升人才的核心竞争力，计算思维能力的培养至关重要。开源硬件的编程教学，为小学生编程教学提供了新的支点。它从生活的实际问题出发，把问题转化为模块的组合与搭建，培养学生的问题意识和模式识别的能力。它的可视化、模块化特点降低了程序教学的难度，而且通过动手操作并与生活相结合的实例，有助于学生理解复杂的算法结构和程序的执行过程。在实际教学中，我们要有意识地发展学生的系统化思维、数字化思维、算法思维、工程思维等，让学生的计算思维能力得到不断提高。
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