基于Arduino開源平臺(tái)的計(jì)算思維培養(yǎng)

范慧欣 韓清獻(xiàn)

【摘 要】本文結(jié)合高中課程標(biāo)準(zhǔn)，依托Arduino開源平臺(tái)，提出了基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模型，并以“利用按鍵控制LED”實(shí)驗(yàn)為教學(xué)案例進(jìn)行了基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)提供參考。

【關(guān)鍵詞】Arduino;計(jì)算思維;培養(yǎng)模式

目前，中學(xué)信息技術(shù)課常用的開源平臺(tái)主要是Arduino、micro：bit等。Arduino是一款資源易獲取、開源性強(qiáng)、易操作的開源電子原型平臺(tái)。筆者將其作為培養(yǎng)和發(fā)展計(jì)算思維的主要工具，探究基于Arduino開源平臺(tái)的學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)模式。

Arduino開源平臺(tái)簡介

2017年教育部頒布的《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》分別將“人工智能初步”和“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”作為選擇性必修4和選擇性必修6模塊，機(jī)器人教育在普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中得到了很好的體現(xiàn)，為普通高中開展機(jī)器人教育提供了綱領(lǐng)性指導(dǎo)意見[1]。

開源硬件具備資源開放性和二次開發(fā)性的特點(diǎn)，且提供大量免費(fèi)、可供大家持續(xù)改進(jìn)的模塊，因此深受教育者的喜愛。中學(xué)信息技術(shù)課大多使用開源硬件如Arduino、micro：bit作為載體進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，本文選擇開源硬件Arduino作為教育工具，其具備以下優(yōu)點(diǎn)：（1）資源易獲取。開發(fā)者可以在Arduino中文社區(qū)下載豐富的參考資料，滿足從基礎(chǔ)到高級(jí)的不同需求。（2）模塊可擴(kuò)展。Arduino板接口豐富，可以連接多種多樣的擴(kuò)展板，如電機(jī)擴(kuò)展板、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板等。（3）入門門檻低。Arduino軟件語言相對(duì)簡單，易上手，適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模型

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模型需要結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式的實(shí)施過程來確定，其模型可分為創(chuàng)設(shè)情境、任務(wù)分解、抽象、構(gòu)建算法和程序、自動(dòng)化及仿真化、測(cè)試、歸納與遷移等過程。

教師有組織地為學(xué)生創(chuàng)設(shè)特定的生活情境，可使用數(shù)字化工具進(jìn)行展示，以吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生以最佳心理狀態(tài)進(jìn)入學(xué)習(xí)，并順利引出本節(jié)課學(xué)生需要完成的任務(wù)。任務(wù)給出后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生分析任務(wù)，并根據(jù)其目標(biāo)功能拆分成若干個(gè)易于解決和實(shí)現(xiàn)的小任務(wù)。

抽象即為以抽象思維的方式，將現(xiàn)實(shí)中的問題轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的模型化問題[2]。算法是求解問題的方法，是解決問題所使用的完整的、一步步的操作步驟或計(jì)算序列。構(gòu)建算法和程序即依據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)的原則和目標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的操作步驟和流程，之后利用相關(guān)的軟件平臺(tái)將流程變?yōu)橛?jì)算機(jī)指令（程序）。自動(dòng)化即通過操作數(shù)字化工具，使相應(yīng)的信息設(shè)備、信息系統(tǒng)或信息運(yùn)算過程按照人的要求，執(zhí)行算法。仿真化即通過可視化工具，對(duì)算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。測(cè)試即為將算法進(jìn)行自動(dòng)化和仿真化之后，對(duì)所出現(xiàn)的問題進(jìn)行修改，最終完成任務(wù)目標(biāo)。歸納與遷移即為將任務(wù)開發(fā)的方案泛化，并用于開發(fā)其他相關(guān)項(xiàng)目，此過程旨在培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)概括能力，學(xué)會(huì)舉一反三。

基于Arduino開源平臺(tái)的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐

本文以Arduino開源平臺(tái)“利用按鍵控制LED”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行講解，具體步驟如圖1所示。

1.創(chuàng)設(shè)情境

首先，教師以搶答器導(dǎo)入。在一場(chǎng)競(jìng)賽中，選手通過按搶答器獲得回答問題的資格，搶答器的狀態(tài)會(huì)通過選手面前的LED燈展示出來。通過創(chuàng)設(shè)生活中的情境，激發(fā)學(xué)生的興趣，引出實(shí)驗(yàn)任務(wù)——“利用按鍵控制LED”。

2.任務(wù)分解

首先分析Arduino實(shí)驗(yàn)案例，確定實(shí)現(xiàn)的功能，在“利用按鍵控制LED”實(shí)驗(yàn)中，可以按照功能將其分為：（1）按下按鍵，LED燈亮;（2）松開按鍵，LED燈滅。將分解后的任務(wù)模塊化，分為按鍵模塊（檢測(cè)按鍵按下/松起）、LED模塊（控制LED燈亮/暗）。通過任務(wù)分解，可以使復(fù)雜的任務(wù)簡單化，降低難度，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的信心。

3.抽象

通過抽象的方法，將現(xiàn)實(shí)世界中的對(duì)象轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的對(duì)象，轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以處理的問題，把生活中的數(shù)字語言抽象為符號(hào)語言，比如變量的設(shè)定、變量類型的選擇。Arduino項(xiàng)目包含硬件和軟件兩部分，因此在抽象時(shí)要考慮到電路的連接和元件的物理性質(zhì)。教師需要先為學(xué)生講解電路的物理知識(shí)，在“利用按鍵控制LED”實(shí)驗(yàn)中，按照模塊，Arduino Uno開發(fā)板需連接按鍵和LED燈。按鍵的本質(zhì)是開關(guān)，按鍵按下時(shí)，開關(guān)閉合，電路閉合，產(chǎn)生電流;按鍵松開時(shí)，開關(guān)斷開。Arduino Uno開發(fā)板內(nèi)部集成電路中有上拉電阻（P2接口），當(dāng)P2管腳處于懸空狀態(tài)時(shí)，其為高電平，因此，我們將按鍵的一端其中一個(gè)接口連接P2，另一端的其中一個(gè)接口連接GND，按鍵未按下時(shí)，P2引腳將為高電平，按鍵按下P2引腳為低電平。在計(jì)算機(jī)語言中，用HIGH（1）來表示高電平，LOW（0）表示低電平。通過建立現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)世界之間的映射關(guān)系（表1），使學(xué)生更好地理解物理知識(shí)。

LED燈的特性是當(dāng)正負(fù)極產(chǎn)生壓降時(shí)，燈亮，否則，燈滅。黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8～2.0V，紅色發(fā)光二極管壓降是2.0～2.2V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0～3.2V。在本實(shí)驗(yàn)中選擇紅色發(fā)光二極管進(jìn)行操作。

因此實(shí)現(xiàn)燈的亮暗有兩種方式（表2）：方式1是正極接控制端，負(fù)極接GND（0V）;方式2是正極接VCC（3.3V），負(fù)極接控制端。兩種方式均需要在電路中連接限流電阻，防止導(dǎo)通時(shí)工作電流過大，損壞發(fā)光二極管或單片機(jī)。

4.構(gòu)建算法和程序

學(xué)生將任務(wù)分解和抽象之后，要對(duì)任務(wù)進(jìn)行算法和程序的構(gòu)建。在這個(gè)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧之前所學(xué)的程序邏輯結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、模塊化程序結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生完成知識(shí)的建構(gòu)?！袄冒存I控制LED”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用流程圖梳理思路，培養(yǎng)邏輯思維。

按照算法在Arduino IDE 平臺(tái)編寫相關(guān)的程序，這時(shí)需要確定控制LED燈亮暗的方式，在這里我們選擇方式1，正極接控制端，負(fù)極接GND（0V），當(dāng)控制端給出高電平時(shí)，LED燈亮，反之，LED燈滅。

5.自動(dòng)化及仿真化

在程序編譯無誤后，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生使用Tinkercad在線仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，有條件的學(xué)校也可以使用Arduino Uno開發(fā)板。在Arduino IDE平臺(tái)編寫相關(guān)的程序后，設(shè)置“工具”—“開發(fā)板”—“Arduino Uno”連接到開發(fā)板，將所需要的原件：按鍵、LED燈、電阻通過杜邦線連接到對(duì)應(yīng)的端口。通過USB線將開發(fā)板連接至電腦，上傳（燒錄）程序，執(zhí)行按鍵按下和松開的操作，觀察效果。

6.測(cè)試與調(diào)試

對(duì)Arduino實(shí)驗(yàn)來說，測(cè)試和調(diào)試是必不可少的。區(qū)別于一般的程序調(diào)試，Arduino實(shí)驗(yàn)由軟件和硬件部分組成，因此在分析錯(cuò)誤的原因時(shí)應(yīng)考慮兩方面的因素。學(xué)生在仿真平臺(tái)或?qū)嶋H開發(fā)板上上傳（燒錄）程序，執(zhí)行按鍵按下和松開的操作，觀察效果。如未達(dá)到預(yù)期的效果，記錄錯(cuò)誤的現(xiàn)象，分析錯(cuò)誤的原因，修改程序或硬件，完成后重新燒錄，觀察和記錄修改后的現(xiàn)象。在“利用按鍵控制LED”實(shí)驗(yàn)中，可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤現(xiàn)象是LED的引腳連反，導(dǎo)致實(shí)際效果與我們的目標(biāo)效果不同，即無論按鍵按下與否，LED燈均不亮，此時(shí)需要調(diào)整引腳，以期達(dá)到目標(biāo)效果。學(xué)生在優(yōu)化程序和硬件電路的過程中，可以鞏固知識(shí)，培養(yǎng)糾錯(cuò)能力和批判性思維。

7.歸納與遷移

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納Arduino實(shí)驗(yàn)操作的方法，并鼓勵(lì)學(xué)生開拓思路，將方法遷移到生活的問題情境中。教師可提供一些半成品，讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上開展獨(dú)立思考，完善作品功能。也可引導(dǎo)學(xué)生從生活與學(xué)習(xí)的實(shí)際需求出發(fā)，開發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如學(xué)生完成“利用按鍵控制LED”實(shí)驗(yàn)后，可以引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)“按下按鍵LED燈亮，再按按鍵LED燈滅”的實(shí)驗(yàn)效果。

在科技高速發(fā)展的今天，人才成長離不開計(jì)算思維的發(fā)展。以開源硬件為載體的機(jī)器人教育是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要形式。本文基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模型，使學(xué)生在任務(wù)的引導(dǎo)下，在學(xué)習(xí)的過程中掌握計(jì)算思維的方法，有助于發(fā)展創(chuàng)新思維。

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