基于計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué) 開源硬件課程開發(fā)探究*

劉瑩昕 牛寶裕 石偉 李敬睿

摘 要：文章通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)分析了計(jì)算思維教育的研究現(xiàn)狀;以開源硬件為視角，對比三種常用的開源硬件，從教學(xué)方式、開源硬件的自身功能探討了開源硬件對計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要性;闡述開源硬件、課程和計(jì)算思維的關(guān)系，明確開發(fā)開源硬件課程可以更好地促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng);以開源硬件Micro：bit為例，從課程目標(biāo)設(shè)定、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了課程設(shè)置，提出課程實(shí)施的教學(xué)策略和多元化的評價(jià)方式;探究和開發(fā)以開源硬件為內(nèi)容的課程，為推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)提供新的切入點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：信息社會;計(jì)算思維; 開源硬件;課程開發(fā)

中圖分類號：G434? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）18-0075-05

信息技術(shù)的發(fā)展逐漸影響著人們的學(xué)習(xí)、工作和生活，人們需要轉(zhuǎn)變思維方式，運(yùn)用全新的思維能力，更好地適應(yīng)日益更新的信息社會和知識社會。計(jì)算思維起源于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，是一種全新的思維方式。計(jì)算思維的概念最早于2006年由周以真教授提出，她認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。計(jì)算思維已成為國內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域廣泛關(guān)注的內(nèi)容，它是一種解決問題的思維過程，雖然看不見摸不著，卻與人們的各個(gè)方面息息相關(guān)。計(jì)算思維能力將成為信息社會人們不可或缺的一種能力。

在中小學(xué)階段，隨著計(jì)算思維研究的不斷深入，培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維的“落腳點(diǎn)”也趨于多元化的方向發(fā)展，正由信息技術(shù)學(xué)科外延，但還未發(fā)現(xiàn)有研究者以開源硬件為內(nèi)容，構(gòu)建完整的計(jì)算思維課程。因此，本文從課程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，探究開發(fā)一門“以培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)”的開源硬件課程。

一、中小學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

1.計(jì)算思維能力培養(yǎng)的必要性

（1）從學(xué)生發(fā)展的角度來看

美國計(jì)算機(jī)科學(xué)與電信委員會（簡稱CSTB）在Report of a Workshop on the Scope and Nature of Computational Thinking（2010）中指出，計(jì)算思維不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，而是每個(gè)人的技能，每個(gè)人都可以運(yùn)用計(jì)算思維幫助解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為;計(jì)算思維與數(shù)學(xué)、語言、邏輯推理能力同樣重要，應(yīng)該讓所有學(xué)生掌握[2]。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在重構(gòu)課程體系的基礎(chǔ)上，把計(jì)算思維納為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，豐富學(xué)科內(nèi)涵，指明發(fā)展方向[3]。因此培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，將成為重中之重。

（2）從技術(shù)促進(jìn)教育發(fā)展角度來看

傳統(tǒng)的“雙基”教育內(nèi)容顯然不能適應(yīng)未來的需要。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，教育方式與教育內(nèi)容也應(yīng)隨之做出調(diào)整。未來的教育將打破現(xiàn)有傳統(tǒng)，打通各學(xué)科知識體系的連結(jié)界限，從而轉(zhuǎn)向注重學(xué)生的雙創(chuàng)能力、思維技能等綜合能力的培養(yǎng)。以《信息技術(shù)》課程為例，以往的信息技術(shù)教育只是為了教會學(xué)生某個(gè)系統(tǒng)的原理或軟件的具體操作，而忽略了技術(shù)的飛速發(fā)展可能會使學(xué)生學(xué)習(xí)的技術(shù)在離開學(xué)校時(shí)就已經(jīng)落伍。為了適應(yīng)技術(shù)的快速更迭，面向未來的信息技術(shù)教育，應(yīng)將重點(diǎn)放在引導(dǎo)學(xué)生理解技術(shù)的本質(zhì)，滲透思維教育，掌握科學(xué)方法并提高其在問題解決的過程中運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段的能力，而計(jì)算思維正是這樣一種思維方式。因此，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，不僅是為促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展奠定基礎(chǔ)，更是適應(yīng)時(shí)代的變遷，推進(jìn)教育的發(fā)展與進(jìn)步。

2.中小學(xué)計(jì)算思維教育研究現(xiàn)狀

計(jì)算思維教育研究目前在中小學(xué)教育階段呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。筆者采用文獻(xiàn)分析法，以中小學(xué)、計(jì)算思維、課程為主題，在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行文獻(xiàn)檢索（數(shù)據(jù)截止到2020年3月），并以摘要和關(guān)鍵詞為依據(jù)進(jìn)行了二次篩選，共選擇40篇文章。對這些文章內(nèi)容進(jìn)行歸類后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的中小學(xué)計(jì)算思維教育課程可分為兩類，如圖1所示。

（1）通過其他學(xué)科課程進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)

一些教師認(rèn)為，中小學(xué)計(jì)算思維能力培養(yǎng)處于起步階段，不能只局限于信息技術(shù)類學(xué)科，其他學(xué)科也能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)計(jì)算思維的任務(wù)。如有的教師巧用數(shù)學(xué)課程中的內(nèi)容培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維能力[4]。但目前這方面的實(shí)踐研究并不多，是否有效培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維能力無法得到證實(shí)。同時(shí)從教師角度來看，這可能加大了教師的工作難度，使計(jì)算思維更容易與學(xué)科思維混淆。

（2）以信息技術(shù)學(xué)科為基礎(chǔ)衍生出的相關(guān)課程或整合課程

有許多一線教師與學(xué)者，利用信息技術(shù)課程[5]、編程教育[6]、創(chuàng)客、STEAM整合課程[7]等來培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維能力，這是目前計(jì)算思維研究的主要方面。許多研究者正嘗試在中小學(xué)階段利用Scratch[8-10]與App Inventor[11][12]進(jìn)行一線教學(xué)研究，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力;高中階段培養(yǎng)計(jì)算思維能力一般結(jié)合信息技術(shù)教材中的內(nèi)容來進(jìn)行[13]。同時(shí)也有研究者從教學(xué)的角度出發(fā)，基于游戲化[14]、項(xiàng)目教學(xué)[15]、問題驅(qū)動的學(xué)習(xí)方式[16]，結(jié)合編程教育內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。相關(guān)研究者認(rèn)為，使用科學(xué)的教學(xué)方式結(jié)合與信息技術(shù)相關(guān)的課程，是進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)的最優(yōu)方式。目前，已經(jīng)有教師從高中信息技術(shù)課程的角度，嗅探到Arduino對計(jì)算思維培養(yǎng)的支持[17]，但目前還沒有一個(gè)完整的基于計(jì)算思維培養(yǎng)的開源硬件課程研究。

隨著觀念的轉(zhuǎn)變與計(jì)算思維內(nèi)涵的不斷豐富，培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維能力的方式不是固定的，但必須要明確，無論是信息技術(shù)學(xué)科還是其他學(xué)科，都只是培養(yǎng)計(jì)算思維的一個(gè)載體，而不是計(jì)算思維教育的本身。

二、開源硬件與計(jì)算思維

1.認(rèn)識開源硬件

“開源”（Open Source）即“開放源代碼”，產(chǎn)生于20世紀(jì) 90 年代[18]，最早出現(xiàn)在軟件開發(fā)中，被用于描述其源代碼以某種方式向公眾提供的免費(fèi)軟件，并且可以由任何人進(jìn)行修改、檢查、增加相應(yīng)的功能。開源硬件（Open Source Hardware）的概念最早是在 1997 年正式提出，一般是采用與自由及開源軟件相同的方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)或電子硬件，作為開源文化的一部分，開源硬件的出現(xiàn)豐富了開源的內(nèi)涵[19]。開源硬件是實(shí)際的可感知的物品，例如機(jī)器、設(shè)備等其他物理產(chǎn)品，任何人都可以自由使用、修改、分發(fā)和研究這些東西的思想向公眾發(fā)布。隨著創(chuàng)客和STEAM教育的興起，一大批開源硬件產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在教育領(lǐng)域中。筆者以Arduino、Micro：bit和樹莓派這三款具有代表性的開源硬件為例，從開放性、擴(kuò)展性、跨平臺性、教育性和經(jīng)濟(jì)性五個(gè)方面進(jìn)行對比分析，判斷其是否適合中小學(xué)教育教學(xué)的應(yīng)用，分析結(jié)果如表1所示。

上述三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(shí)體操作于一體，學(xué)生不僅能夠接觸編程知識，還能夠觸摸到程序運(yùn)行的物化結(jié)果，避免了單純的程序設(shè)計(jì)知識所帶來的枯燥體驗(yàn)，有效調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如Micro：bit，雖然只有4cm×5cm大小，但其功能卻一應(yīng)俱全，有微控制器（MPU），有獨(dú)立的運(yùn)算存儲編譯功能，有輸出設(shè)備（5×5 LED矩陣），有A、B兩個(gè)按鈕（可編程），有重力計(jì)、磁力計(jì)等輸入設(shè)備，還可以連接豐富的外部傳感器與模塊。在程序設(shè)計(jì)上支持線上圖形化編程（網(wǎng)址為：https：//makecode.microbit.org/），無需配置復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，支持實(shí)時(shí)同步仿真，操作與變化反饋一目了然。程序設(shè)計(jì)好以后，點(diǎn)擊頁面中的“下載”按鈕，可以直接下載擴(kuò)展名為.hex的文件，hex是Hexadecimal Source File的簡寫，是一種可供單片機(jī)執(zhí)行的文件格式，使其運(yùn)用更加簡單便捷，如圖2所示。Arduino型號繁多，功能齊全。樹莓派因其操作需要一定編程基礎(chǔ)，且價(jià)格相對較高，目前在中小學(xué)教育中應(yīng)用的實(shí)例并不多，但是隨著創(chuàng)新教育的發(fā)展，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注，相信未來在中小學(xué)教育中的地位將舉足輕重。

2.開源硬件對中小學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的支持

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中新增了開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容，這部分內(nèi)容在教學(xué)上可以采用基于問題的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生體驗(yàn)利用開源硬件解決問題的完整過程[3]。根據(jù)王榮良老師的觀點(diǎn)，抽象、形式化表達(dá)、構(gòu)造到自動化形成了計(jì)算思維的方法路徑[20]。這一方法路徑體現(xiàn)了計(jì)算思維的本質(zhì)，是計(jì)算思維教育的核心。由此可見，開源硬件課程可使用的教學(xué)方法與計(jì)算思維的培養(yǎng)路徑在體系上不謀而合。

教師首先提出一個(gè)生活中的實(shí)際問題，然后引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行分析，明確需要解決的問題要點(diǎn)，這是抽象的過程;設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決方案包含表達(dá)問題中的要素關(guān)系和建立解決問題的有效流程，兩個(gè)方面分別對應(yīng)了計(jì)算思維培養(yǎng)路徑中的形式表達(dá)與構(gòu)造;利用開源硬件實(shí)現(xiàn)解決方案就是按照構(gòu)造好的操作流程實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)問題的自動化解決。開源硬件教學(xué)模式與計(jì)算思維關(guān)系如圖3所示。

生活中很多物品的功能都可以利用開源硬件來實(shí)現(xiàn)，如遙控器、LED廣告牌、音樂播放器等等。通過開源硬件培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，開展基于問題的學(xué)習(xí)方式，在學(xué)習(xí)上更加有利于學(xué)生進(jìn)行抽象，避免了天馬行空的想象。同時(shí)，嵌有微處理器的開源硬件就如一臺迷你計(jì)算機(jī)，具備計(jì)算機(jī)的完整系統(tǒng)，同時(shí)還為學(xué)生提供二次創(chuàng)作的空間，教師帶領(lǐng)學(xué)生利用開源硬件設(shè)計(jì)生活物品，使學(xué)生參與到作品創(chuàng)作中的需求、設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)行全過程。在這個(gè)動態(tài)的問題解決過程中理解計(jì)算機(jī)科學(xué)，逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

三、基于開源硬件的計(jì)算思維課程設(shè)計(jì)

1.開源硬件、課程與計(jì)算思維

通過開源硬件培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維能力，一定需要設(shè)置相關(guān)課程才能實(shí)現(xiàn)。開源硬件與計(jì)算思維的關(guān)系如圖4所示。

所開設(shè)的課程是開源硬件與計(jì)算思維的中間介質(zhì)，課程設(shè)置的主要目的是為了使學(xué)生掌握計(jì)算思維能力，因此計(jì)算思維也是整個(gè)課程的全局策略。在此關(guān)系基礎(chǔ)上，根據(jù)具體情況，選擇合適的課程模式，確定課程的開展方式。例如：可以在傳統(tǒng)信息技術(shù)課程基礎(chǔ)上增加開源硬件的內(nèi)容，或者結(jié)合創(chuàng)客、STEAM教育理念，設(shè)計(jì)基于開源硬件的跨學(xué)科特色校本課程，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.課程目標(biāo)的設(shè)定

（1）學(xué)習(xí)者特征分析是設(shè)定課程目標(biāo)的前提

學(xué)習(xí)者是課程最終的受眾對象，設(shè)定課程目標(biāo)需要對學(xué)習(xí)者進(jìn)行分析。其中學(xué)習(xí)者的自身因素、年齡特征、心理發(fā)展特點(diǎn)、認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)等都是需要進(jìn)行分析的內(nèi)容。例如，在中小學(xué)開設(shè)開源硬件課程，參與課程的學(xué)生年齡應(yīng)在11～13歲左右，該年齡段學(xué)生的認(rèn)知正處于從具體運(yùn)算階段向形式運(yùn)算階段過渡的時(shí)期，因此設(shè)定課程目標(biāo)時(shí)應(yīng)注意這些細(xì)節(jié)，從學(xué)生實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)置科學(xué)合理的課程目標(biāo)，保障課程沿著正確的方向開展。

（2）明確課程目標(biāo)是課程開發(fā)的關(guān)鍵

開源硬件課程的突出特點(diǎn)是集編程教育與硬件操作于一體，在目標(biāo)的設(shè)定上，需要向更深層次發(fā)展，不能認(rèn)為學(xué)生掌握了基本知識、基本技能就是達(dá)到了要求，要考慮到學(xué)生的主體地位，考慮到信息社會的發(fā)展，使學(xué)生在思維、能力等方面共同得到提升。在基于計(jì)算思維培養(yǎng)理念下設(shè)計(jì)的開源硬件課程，要充分利用開源硬件實(shí)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是課程的總體性目標(biāo)，按照課程內(nèi)容要求解決實(shí)際問題，設(shè)計(jì)相關(guān)作品是階段性目標(biāo)。同時(shí)依據(jù)課程目標(biāo)設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)同樣應(yīng)體現(xiàn)出多維度的特點(diǎn)，培養(yǎng)計(jì)算思維能力只是其中的目標(biāo)之一，其他維度的目標(biāo)應(yīng)在實(shí)踐中根據(jù)不同的課程內(nèi)容進(jìn)行動態(tài)化的設(shè)定，例如，對某一具體知識的掌握，培養(yǎng)協(xié)作能力、動手操作能力、問題解決能力等。

3.課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)

課程的設(shè)計(jì)應(yīng)具有整體性，根據(jù)課程目標(biāo)選擇與之相匹配的內(nèi)容，并合理安排課程的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，組織開發(fā)課程資源庫，將每個(gè)學(xué)生都看作是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，從課程資源庫中靈活選用教學(xué)資源，以小組合作的形式進(jìn)行任務(wù)闖關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。以開源硬件Micro：bit為例，課程結(jié)構(gòu)及內(nèi)容的設(shè)置如圖5所示。

在內(nèi)容結(jié)構(gòu)的分布上，安排“新手期—中級專家—電子超人”三個(gè)部分，知識點(diǎn)與操作難度逐漸加深。在課程資源庫的建立上，要體現(xiàn)出因時(shí)制宜、因生制宜、內(nèi)容豐富、可被學(xué)生理解接受的特點(diǎn)。資源庫不是枯燥知識點(diǎn)的“游樂場”，而是各種案例和資料的聚集地。通過在資源庫中預(yù)設(shè)相關(guān)內(nèi)容，教師以合適的方式提供給學(xué)生，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動，關(guān)注學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的思維是否被調(diào)動，以及是否在預(yù)設(shè)的問題域中探索[20]，可以使教師有效地引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行抽象，為培養(yǎng)計(jì)算思維能力邁出重要的一步。

4.課程的實(shí)施與評價(jià)

（1）教學(xué)策略

開源硬件課程可以采用基于問題驅(qū)動的教學(xué)策略，該策略能夠?yàn)橛?jì)算問題解決的過程提供可能，而培養(yǎng)計(jì)算思維能力的最終目的是利用計(jì)算思維有效地解決問題，因此是一個(gè)行之有效的策略?；陧?xiàng)目式的學(xué)習(xí)同樣是有效的教學(xué)策略之一，以課程資源庫為依托靈活運(yùn)用項(xiàng)目活動，逐級增加難度，使學(xué)生穩(wěn)步前進(jìn)，提高解決問題的綜合能力，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)想、創(chuàng)新實(shí)踐，培養(yǎng)計(jì)算思維能力并促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

（2）提升教師自身能力

教師作為課程實(shí)施的先行者，必須要提升自身兩個(gè)方面的剛性條件，分別是計(jì)算機(jī)學(xué)科的專業(yè)知識與技能、思維教育的意識與方法[20]。二者也是培養(yǎng)計(jì)算思維所需依托的兩個(gè)方面?；陂_源硬件培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，教師首先應(yīng)更深入地理解專業(yè)知識，掌握必要的計(jì)算機(jī)學(xué)科知識與技能。教師對思維教育、計(jì)算思維的認(rèn)識是促其有效開展課程的重要環(huán)節(jié)，也是決定課程開展深度的重要因素。

（3）多元化評價(jià)方式

由于教育的內(nèi)容、采用的研究方法不同等原因，目前關(guān)于如何評價(jià)計(jì)算思維還沒有一個(gè)確切的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用較多的是一種多元化的評價(jià)方式。開發(fā)開源硬件課程培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，可以通過作品檔案記錄袋、作品訪談分析、實(shí)踐設(shè)計(jì)記錄等多方面進(jìn)行綜合評價(jià)，這種形式的評價(jià)能夠有效避免只注重理論、作品展示而輕視思維技能的學(xué)習(xí)結(jié)果考察方式。

計(jì)算思維目前正以一個(gè)嶄新的姿態(tài)被眾多學(xué)者、教師所熟知，培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維能力也成為一項(xiàng)重要的任務(wù)。開發(fā)開源硬件課程培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維能力，能夠?yàn)閷W(xué)生掌握計(jì)算思維、應(yīng)用計(jì)算思維提供有力的支持，同時(shí)也能夠讓教師不斷豐富自己，把握計(jì)算思維教育的核心，推動計(jì)算思維教育向更深層次方向發(fā)展。

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