基于開源硬件的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略研究

王東

摘要：基于開源硬件的小學(xué)圖形化編程教學(xué)是信息科技核心素養(yǎng)在教學(xué)中達(dá)成的重要途徑。作者以蘇科版五年級《聲音控制小貓動作》一課為例，以《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》為指導(dǎo)，在軟硬件選擇、教學(xué)內(nèi)容處理、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、過程設(shè)計、目標(biāo)達(dá)成途徑及教學(xué)注意事項等方面展開了實踐研究，以期探索出類似內(nèi)容的一般教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：開源硬件；圖形化編程；信息科技；新課標(biāo)；聲音傳感器

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）10-0036-03

基于開源硬件的圖形化編程屬于《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要（2017年修訂）》“算法與程序設(shè)計”模塊的內(nèi)容。該內(nèi)容在教學(xué)安排上是小學(xué)五年級的課程，是學(xué)生在圖形化編程學(xué)習(xí)過程中接觸開源硬件Arduino的升階課程，也是六年級機器人等相關(guān)課程的銜接課程。在配套的教師用書中，江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室建議教師在教學(xué)中，應(yīng)注重計算思維方法的教授，注意模塊對語言意義的解釋，應(yīng)結(jié)合生活實踐，讓學(xué)生建立完成任務(wù)之前必須有規(guī)劃的意識，理解流程圖在規(guī)劃中的作用?；诖耍P者為更好地在小學(xué)信息科技教學(xué)中開展基于開源硬件的圖形化編程教學(xué)，并將《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）落實到教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)實踐展開了教學(xué)策略研究，具體如下。

開源硬件與圖形化編程軟件的選擇

在開源硬件方面，筆者選擇的是所在地區(qū)所研發(fā)的編程測控板套裝。它的優(yōu)點是把教學(xué)中要用到的傳感器集成在測控板上，且連接穩(wěn)定。在圖形化編程軟件方面，筆者綜合考慮了軟硬件的兼容性、穩(wěn)定性及后續(xù)學(xué)習(xí)的延續(xù)性，在實際教學(xué)中采用Mind+作為圖形化編程平臺。

圖形化編程教學(xué)內(nèi)容的處理

《聲音控制小貓動作》是蘇科版小學(xué)信息技術(shù)五年級第14課的內(nèi)容。本課主要內(nèi)容包含兩個方面，一是認(rèn)識開源硬件Arduino，二是學(xué)習(xí)使用聲音傳感器。利用聲音傳感器獲取外界中的音量值，利用音量值來控制小貓的運動。當(dāng)傳感器獲得的聲音越大時，小貓的速度會越快。新課標(biāo)指出，第三學(xué)段（5～6年級）學(xué)生在學(xué)習(xí)身邊的算法時要借助學(xué)習(xí)與生活中的實例，體驗身邊的算法。為此，筆者設(shè)計了運用聲音傳感器給“青蛙王子”喊加油的學(xué)習(xí)任務(wù)情境，讓學(xué)生在玩中學(xué)、學(xué)中研。

圖形化編程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定

信息意識：①了解Arduino硬件的結(jié)構(gòu)，知道信息的獲取方式；

②分析出動畫中的角色及流程，培養(yǎng)信息意識。

計算思維：①掌握傳感器數(shù)值的獲取方法，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，滿足程序要求；②根據(jù)動畫構(gòu)建流程圖，再通過搭建腳本的方式實現(xiàn)。

數(shù)字化學(xué)習(xí)：①閱讀說明，按步驟實現(xiàn)Arduino測控板的軟硬件連接；②合作學(xué)習(xí)，學(xué)會根據(jù)要求找到合適的控件實現(xiàn)功能。

信息社會責(zé)任：①通過學(xué)習(xí)，形成生活中的物體可以成為計算機輸入設(shè)備的意識；②體驗Arduino開源硬件的強大魅力，培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。

教學(xué)重點：①能夠?qū)y控板與Mind+圖形化編程軟件連接起來；②掌握獲取聲音傳感器值的方法。

教學(xué)難點：①分析動畫，設(shè)計相應(yīng)的算法，搭建分支流程；②將獲取的傳感器數(shù)值應(yīng)用到程序中；③根據(jù)程序需要對聲音傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖形化編程教學(xué)過程的設(shè)計

筆者結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，在過程設(shè)計上采用了“提出問題—分析、解決問題—鞏固拓展—課堂小結(jié)”的步驟。“提出問題”在情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)，即給青蛙王子喊加油，體驗應(yīng)用聲音傳感器的程序效果。“分析、解決問題”環(huán)節(jié)按學(xué)生的思維發(fā)展過程分為基礎(chǔ)和提高兩部分。在基礎(chǔ)部分學(xué)生要了解開源硬件、連接測控板、獲取聲音傳感器的值、分析動畫、繪制流程圖、搭建腳本并調(diào)試；在提高部分學(xué)生調(diào)試腳本試錯，發(fā)現(xiàn)聲音傳感器的值不符合程序要求，找原因，最終找到用除法運算等比例縮小，處理數(shù)據(jù)并運用到程序中去。在“鞏固拓展”環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生把聲音傳感器知識應(yīng)用遷移到控制角色外觀大小變化的程序中去，最終達(dá)到熟練使用聲音傳感器控制更多角色的目標(biāo)。在“課堂小結(jié)”環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生展示、互評，并根據(jù)學(xué)生思維發(fā)展用思維導(dǎo)圖梳理課堂知識要點。具體流程如圖1所示。

圖形化編程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成途徑

1.信息意識目標(biāo)的達(dá)成

學(xué)生在圖形化編程中是第一次接觸開源硬件，因此教師在課前先錄制好一段介紹開源硬件Arduino、樹莓派、微比特的視頻，組織學(xué)生學(xué)習(xí)，提高其對原理和概念的學(xué)習(xí)效果和效率。在教學(xué)中，通過圖文的方式組織學(xué)生了解聲音傳感器的工作原理，并出示測控板所有部件圖，讓學(xué)生通過找一找的方式來加深對聲音傳感器的認(rèn)識。接著，通過比較LED燈、聲音傳感器的編號區(qū)別來認(rèn)識數(shù)字端口和模擬端口，進(jìn)而了解圖形化編程軟件Mind+通過測控板獲取信息的方式。

2.計算思維目標(biāo)的達(dá)成

在教學(xué)中，教師從分析實例出發(fā)，先用自然語言描述角色流程，再在互動授課平臺上自主構(gòu)建流程圖，接著用思維導(dǎo)圖來探究程序結(jié)構(gòu)和算法來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。具體設(shè)計如下：

根據(jù)新課標(biāo)計算思維學(xué)段目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生觀看青蛙王子追趕公主，聽到加油聲加速追趕的視頻，分析青蛙王子角色的“初始化角色”“重復(fù)執(zhí)行”“移動追趕”“聽到聲音加速追趕”等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，再應(yīng)用互動授課平臺的“知識配對”課堂活動，讓學(xué)生構(gòu)建流程圖（如圖2），完成任務(wù)規(guī)劃。

引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會獲取聲音傳感器的值，并能將它運用到程序中既是本案例的重點也是難點。在接下來的環(huán)節(jié)中，教師采用互動授課平臺的思維導(dǎo)圖，按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，引導(dǎo)探究得出要實現(xiàn)“聲音輸入移動加速”需解決兩個問題，第一個是聽到聲音，第二個是加速移動。

問題一——聽到聲音。讀取聲音傳感器的值，新建變量，把聲音傳感器的值賦值給變量，循環(huán)檢測。在思維導(dǎo)圖中，教師使用遮罩功能，根據(jù)學(xué)生思維順序，隨機出示相關(guān)項，以保護(hù)學(xué)生的自主探究。

問題二——加速移動。這里也使用遮罩功能，先讓學(xué)生嘗試直接使用聲音傳感器的值，發(fā)現(xiàn)給小青蛙一喊加油，則追趕速度太快，不符合程序需要，再引導(dǎo)學(xué)生用運算控件如除法，把聲音傳感器的值等比例縮小，之后再用到程序中。在學(xué)生掌握了圖形化編程中聲音傳感器使用的一般方法后，再展示青蛙王子聽到加油聲，角色變大并加速追趕的視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析角色變化，仍用思維導(dǎo)圖的方式引導(dǎo)學(xué)生探究，并找到解決辦法，最后搭建腳本并調(diào)試。

在這個環(huán)節(jié)中，仍先讓學(xué)生嘗試在“將大小設(shè)為”控件中直接使用聲音變量。學(xué)生在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有加油聲時青蛙王子角色由于聲音變量值為0，在舞臺上會小到看不見，由此再引導(dǎo)學(xué)生用運算控件給青蛙王子大小一個初始值，以保證程序運行效果。

在本課的拓展鞏固環(huán)節(jié)，教師先讓學(xué)生觀看視頻，視頻中的白馬、風(fēng)車、跳舞的小女孩在聲音傳感器的控制下分別展現(xiàn)出各種動作變化。然后，引導(dǎo)學(xué)生用本課所學(xué)知識發(fā)揮創(chuàng)意，運用各類控件和聲音傳感器創(chuàng)作自己的個性作品。接著通過小組互評，選出優(yōu)秀作品在課堂上展示并交流制作心得，讓學(xué)生體會成功的快樂。

在課堂回顧環(huán)節(jié)還是運用互動授課平臺的思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生梳理所學(xué)知識。通過逐級出示，讓一堂課的知識要點條分縷析，加強學(xué)生知識體系的構(gòu)建。

3.數(shù)字化學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成

數(shù)字化學(xué)習(xí)在本課中第一個方面是：閱讀說明，按步驟實現(xiàn)Arduino測控板的軟硬件連接。在教學(xué)過程中，教師采用了圖文出示、教師演示、學(xué)生嘗試的方式組織學(xué)生學(xué)習(xí)。數(shù)字化學(xué)習(xí)在本課中第二個方面是：本課是開源硬件Arduino第一課，主要任務(wù)是學(xué)會在圖形化編程中使用開源硬件的一般方法——獲取聲音傳感器的值，將獲取的值通過運算得到合適的值，并運用到程序中去。對于部分接受新知慢的學(xué)生，教師在課堂組織形式上采用了小組合作，四人一小組，組內(nèi)兩兩合作，記錄和操作分工，簡單問題組內(nèi)討論、交流。

4.信息社會責(zé)任學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成

在課堂回顧環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生尋找生活中聲音傳感器的應(yīng)用實例，理論聯(lián)系實際，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)記憶，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并鼓勵學(xué)生以本課為起點，深入學(xué)習(xí)、研究。

反思

1.緊抓本課學(xué)習(xí)重點

經(jīng)過簡化，讓學(xué)生清楚地知道了在圖形化編程中怎樣使用聲音傳感器，再通過思維導(dǎo)圖對“聲音輸入加速移動”進(jìn)行探究，牢牢抓住了教學(xué)的重點，開展了扎實的教學(xué)。

2.充分讓學(xué)生試錯，引導(dǎo)學(xué)生探究

在學(xué)習(xí)過程中先讓學(xué)生試錯，發(fā)現(xiàn)問題，小組探討、尋找解決問題的辦法，再去驗證實施，最后交流鞏固。例如，在圖形化編程中使用聲音傳感器的值時，可以先讓學(xué)生去應(yīng)用，使其發(fā)現(xiàn)直接使用獲得的值不符合程序需要，再引導(dǎo)學(xué)生去探討，得出要用運算控件對獲得的值進(jìn)行處理，縮小一定的倍數(shù)，才能在程序中使用。

3.用模塊化思維進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的編程思維

在基于測控板的圖形化編程中，也可以用模塊化相對獨立的功能腳本來培養(yǎng)學(xué)生的模塊化思維。例如，對傳感器值的檢測在搭建腳本的時候可搭建獨立的腳本模塊，這樣一方面便于學(xué)生精準(zhǔn)理解傳感器使用的一般方法，讓程序運行更高效，另一方面也可以讓搭建的腳本更簡單明了，便于學(xué)生理解。