促進計算思維發(fā)展的初中開源硬件項目式教學實踐

孔麗麗

摘要：本文在理解計算思維內(nèi)涵和要素的基礎上，通過分析開源硬件教學的特點，構建促進初中學生計算思維發(fā)展的開源硬件項目式教學模式，并以“植物監(jiān)測儀”項目為例展開具體的闡述。

關鍵詞：計算思維；開源硬件；項目式教學；教學模式

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）10-0042-03

初中開源硬件項目式教學模式設計

1.教學目標

Selby和Woollard博士認為，計算思維技能有五大核心要素，即分解、抽象、概括、算法和評估。[1]本文從計算思維的五大核心能力入手，通過構建開源硬件項目式教學模式發(fā)展學生的計算思維，具體達到的目標如表1所示。

2.教學模式

初中開源硬件項目的本質(zhì)是在開源主控板的基礎上搭配不同的傳感器、執(zhí)行器等，通過程序編寫和硬件搭建，創(chuàng)作出具有一定智能的創(chuàng)意作品。其教學多以項目式教學的方式開展，即是以學生為主體，以小組合作為主要形式，通過完成一個完整的實踐性項目而進行的教學活動。項目式教學流程一般包含選定項目、制訂計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價等六個基本步驟[2]，筆者在開源硬件項目式教學的合適環(huán)節(jié)滲透計算思維要素，構建了促進計算思維發(fā)展的開源硬件項目式教學模式（如下圖）。[3]

（1）“界定與分解問題”環(huán)節(jié)。①教師根據(jù)項目具體任務設置相應的現(xiàn)實問題情境，引導學生找出需要解決的問題。②學生根據(jù)教師創(chuàng)設的項目情境，發(fā)現(xiàn)并明確情境中需要解決的問題，將問題分解為幾個便于解決的子問題。（發(fā)展分解思維）

（2）“制訂方案和計劃”環(huán)節(jié)。①學生根據(jù)上一環(huán)節(jié)對問題的分解，抽取出問題的本質(zhì)，從信息科技的視角思考該問題如何解決，制訂解決問題的方案。②在確定問題解決方案后，學生制訂項目工作計劃，確定完成項目需要經(jīng)歷的步驟、各自的分工及合作的形式（根據(jù)教師提供的時間要求和參考進度安排每節(jié)課的項目進度）。（發(fā)展抽象思維）

（3）“設計作品和算法”環(huán)節(jié)。①學生分工合作，設計作品的外形和功能結構。②在分析要解決問題的基礎上，學生設計相應的算法，并用計算機程序語言編寫對應的代碼。（發(fā)展算法思維）

（4）“作品制作與調(diào)試”環(huán)節(jié)。①學生合作搭建作品外形，放置硬件，并將作品置于實際的運行環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，執(zhí)行指令。②根據(jù)反饋，不斷修改、優(yōu)化算法。

（5）“交流與評價”環(huán)節(jié)。①學生以小組為單位，上臺展示作品。

②其他小組提出質(zhì)疑或建議?；顒釉u價一般包括教師評價、生生互評和自我評價。評價的內(nèi)容包括學習內(nèi)容的掌握情況、學生在小組學習中的表現(xiàn)、項目計劃的合理性、項目成果的質(zhì)量和成果展示表達等方面。（發(fā)展評估能力）

（6）“反思與遷移”環(huán)節(jié)。①引導學生回顧完成項目的過程，概括完成項目的整體流程，形成解決同類問題的通用思路。②教師提出與本項目類似的情境，學生通過設計解決類似問題的方案，完成算法的遷移與運用。（發(fā)展概括能力）

實踐案例

1.案例說明

筆者參考教科版高中信息技術教材《選擇性必修6 開源硬件項目設計》，將初中開源硬件項目分為實驗模擬型、科學探究型和綜合型三種項目類型。“植物監(jiān)測儀”項目開展的目的是解決生活中人們無暇管理家中植物的問題，屬于綜合型項目。本項目使用圖形化編程平臺Mixly和Arduino開源硬件，搭配光線傳感器、溫濕度傳感器、電機等，通過小組合作編程并搭建硬件，實現(xiàn)項目目標。在此之前，學生已經(jīng)基本掌握了Arduino主控板和一些常見傳感器的使用，會編寫基本的程序語句。

2.教學實施

（1）界定與分解問題。首先，創(chuàng)設問題情境。教師提出問題：“很多養(yǎng)植物的人會因為出差、旅游或其他的原因，不能及時照料家中的植物，導致其枯萎、凋落甚至死亡。”學生通過討論提出項目主題：制作一個植物監(jiān)測儀，24小時全方位照料植物茁壯成長。

其次，引導學生分析問題，并給出問題分析表格。教師提問：“在進行項目制作之前，首先想一想做植物監(jiān)測儀的目的是什么？它應該具有哪些功能？”學生分析情境描述，進行頭腦風暴，得出情境中的核心問題：制作一個可以監(jiān)測植物生長環(huán)境并能做出反應，使得環(huán)境始終處于適合植物生長狀態(tài)的植物監(jiān)測儀。該核心問題可以分解成如下幾個子問題：①需要監(jiān)測植物生長的哪些環(huán)境數(shù)據(jù)？②這些環(huán)境數(shù)據(jù)分別使用什么傳感器來獲??？

③植物的適宜生長環(huán)境是什么范圍？

④當環(huán)境不適宜時，執(zhí)行器等要做什么反應？

（2）制訂方案和計劃。①制訂解決問題的方案。學生以小組為單位進行討論，思考本組的植物監(jiān)測儀可以具備哪些功能，并填入下頁表2中。教師引導學生思考，利用學過的開源硬件的相關知識，制作一個有“智慧”的自動化控制系統(tǒng)，需要哪些傳感器、執(zhí)行器和驅動器等（對于不太清楚如何實現(xiàn)的功能，請學生上網(wǎng)查閱相關資料；對于無法決定的問題，可以詢問教師，并完成如下頁表2所示的植物監(jiān)測儀設計表）。②學生制訂項目計劃。該項目的完成需要4個課時，每個課時學生都需要完成推進項目進展的階段性成果。學生根據(jù)教師提供的時間和任務要求，在項目規(guī)劃表（如下頁表3）中記錄每節(jié)課的項目進度、出現(xiàn)的問題及解決方法。

（3）設計作品與算法。①設計作品。學生分工合作，設計植物監(jiān)測儀的外形和功能結構。畫出植物監(jiān)測儀外形的三維或平面設計圖（標注尺寸及電子元器件的安裝位置），并設想使用什么材料制作監(jiān)測儀的外形。②設計算法。用流程圖或者自然語言描述本小組預期實現(xiàn)植物監(jiān)測儀功能的設計步驟。教師對學生設計的外形和算法進行評價與指導。

（4）作品制作與調(diào)試。①制作作品。作品的制作包括編寫程序和制作外形兩部分。根據(jù)前述設計的算法，連接電子元器件，編寫程序上傳到主控板。根據(jù)作品設計思路，使用合適的材料（如泡沫板、瓦楞紙等）拼裝外形，并將已上傳程序的硬件安裝在外形的合適位置。教師呈現(xiàn)作品評價指標，學生對照指標在制作過程中不斷調(diào)整作品。

②調(diào)試修改。學生收集一周內(nèi)植物的生活環(huán)境數(shù)據(jù)，運行相應的指令，并根據(jù)反饋，修改和優(yōu)化算法，調(diào)整相關參數(shù)。

（5）交流與評價。首先，學生以小組為單位，上臺展示作品：①說明本組成員的分工；②解釋設計思路；③說明制作過程；④展示植物監(jiān)測儀的功能。其次，教師對學生的學習情況進行評價，同時各小組學生進行自評、互評。

（6）反思與遷移。學生完成反思報告：①概括完成植物監(jiān)測儀項目的整體流程；②在完成的過程中，有哪些分工和流程可以改進；③作品效果如何，如何進一步完善；④小組的合作情況；⑤有哪些知識和能力上的收獲。同時，教師提出“智慧大棚”的情境，要求學生設計解決問題的方案，遷移運用所學知識。

結語

本文以開源硬件教學為內(nèi)容載體，從計算思維要素的角度，分析了如何促進學生計算思維的發(fā)展；在開源硬件項目式教學的合適環(huán)節(jié)滲透計算思維的五大核心能力要素，構建了教學模式，并在教學中應用。然而，計算思維核心素養(yǎng)的發(fā)展是一個長期積累的過程，因此，未來還需進行更多的教學實踐。

參考文獻：

[1]唐瑞，劉向永.英國中小學計算思維教育評介[J].中國信息技術教育，2015（23）：17-21.

[2]劉景福，鐘志賢.基于項目的學習（PBL）模式研究[J].外國教育研究，2002（11）：18-22.

[3]閔芳芳，劉敏.我國計算思維教育的現(xiàn)狀及啟示[J].中國教育信息化，2021（17）：16-22.

基金項目：江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度青年教師專項重點課題“面向計算思維培養(yǎng)的開源編程項目式教學設計研究”（項目編號：C-b/2021/02/61）。