通過Arduino編程培育學(xué)生邏輯思維能力

◇王慶功（山東：青島市即墨區(qū)城西小學(xué)）

現(xiàn)階段，國內(nèi)的小學(xué)編程教育異?；馃?，受到廣大家長和學(xué)生的熱烈歡迎。然而，高昂的輔導(dǎo)費用阻礙了其普及。

編程思維是一種獨特的思維方式，它強調(diào)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、思路清晰、推理精確。這種思維方式對于學(xué)生科學(xué)理解能力、問題解決能力以及創(chuàng)新能力的發(fā)展都至關(guān)重要。在科學(xué)方面的理解上，編程思維可以輔助學(xué)生對抽象的科學(xué)內(nèi)容進行思考，幫助他們更好地理解和掌握科學(xué)知識。

對于那些本身對學(xué)習(xí)不感興趣的學(xué)生來說，通過對編程的學(xué)習(xí)，可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，重拾信心。編程學(xué)習(xí)的過程充滿創(chuàng)造性和趣味性，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時，享受到創(chuàng)造的樂趣，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

最重要的是，當(dāng)前國內(nèi)的教育在學(xué)生將來的職業(yè)規(guī)劃方面存在一定的問題。許多學(xué)生在高中階段才開始接觸職業(yè)教育，但是這已經(jīng)太晚了。通過學(xué)習(xí)編程，學(xué)生可以在小學(xué)階段就將自己學(xué)到的科學(xué)知識與實踐相結(jié)合，從而提前了解和適應(yīng)未來的職業(yè)規(guī)劃。這樣不僅可以幫助學(xué)生更好地認識自己，還可以幫助他們建立對未來的初步規(guī)劃。

綜上所述，小學(xué)編程教育對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)邏輯思維能力、重建學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣與認識具有重要意義。盡管輔導(dǎo)費用較高，但是其價值和意義卻是無法用金錢衡量的。我們應(yīng)該積極探索有效的途徑，降低編程教育的門檻，讓更多的學(xué)生獲得編程思維帶來的益處。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）國外研究發(fā)展趨勢與特點

在國外，少兒編程領(lǐng)域一直備受關(guān)注，研究現(xiàn)狀呈現(xiàn)以下幾個主要趨勢和特點。

認知發(fā)展和學(xué)習(xí)成果。研究人員對少兒編程對認知發(fā)展和學(xué)習(xí)成果的影響給予了高度關(guān)注。他們深入探討了編程對學(xué)生邏輯思維、問題解決能力、創(chuàng)造力和科學(xué)能力的促進效果，并試圖進一步理解編程學(xué)習(xí)對學(xué)生大腦認知結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，少兒編程能夠有效地提高學(xué)生的邏輯思維和問題解決能力，同時對創(chuàng)造力和科學(xué)能力也有顯著的促進作用。

學(xué)習(xí)方法和工具。研究人員關(guān)注如何設(shè)計適合學(xué)生的編程學(xué)習(xí)方法和工具。他們致力于發(fā)展具有趣味性和教育性的編程學(xué)習(xí)工具，以及適合不同年齡段和認知水平的編程課程設(shè)計。這些方法和工具旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，使他們在輕松愉快的環(huán)境中掌握編程技能。

家庭和學(xué)校環(huán)境。研究也關(guān)注家庭和學(xué)校在少兒編程學(xué)習(xí)中的作用。他們調(diào)查家長對少兒編程的態(tài)度，以及學(xué)校在編程教育中的角色和挑戰(zhàn)，以推動編程教育在更廣泛的社會環(huán)境中推廣和應(yīng)用。研究表明，家庭和學(xué)校的支持和鼓勵對少兒編程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。家長和學(xué)校應(yīng)該積極引導(dǎo)和支持學(xué)生參與編程學(xué)習(xí)，以充分發(fā)揮其潛力。

（二）國內(nèi)研究發(fā)展趨勢和特點

在國內(nèi)，少兒編程在2010 年前后開始大范圍推廣，至今也有10 年以上的時間。雖然已經(jīng)遍布大街小巷，但是少兒編程走進校園卻并不順利。根據(jù)筆者的調(diào)查，如今遍布各地的少兒編程培訓(xùn)存在很多問題。

收費高昂。許多對此感興趣且有天賦的學(xué)生被拒之門外，因為高昂的培訓(xùn)費用超出了他們家庭的承受能力。實際上，編程培訓(xùn)的成本并不高。

培訓(xùn)質(zhì)量良莠不齊。校外編程培訓(xùn)機構(gòu)的培訓(xùn)質(zhì)量參差不齊。經(jīng)筆者調(diào)查，許多培訓(xùn)機構(gòu)的教師并非專業(yè)出身，也沒有經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，對編程的理解并不深入。這些教師往往以類似玩具的形式來引起學(xué)生的興趣，而缺乏實質(zhì)性的編程教學(xué)，這使學(xué)生在培訓(xùn)中并沒有學(xué)到多少有用的知識。

時間安排不合理。校外編程培訓(xùn)的時間安排也是一個問題。一個學(xué)期的上課時間非常有限，而校外培訓(xùn)機構(gòu)往往在學(xué)期結(jié)束時也沒有教授多少實質(zhì)性的內(nèi)容。這使學(xué)生花費大量時間和金錢卻無法真正學(xué)到有用的編程技能。

（三）結(jié)論

針對以上問題，筆者認為，開設(shè)校內(nèi)編程課可以有效地改善以上問題。校內(nèi)編程課可以覆蓋更多的學(xué)生，提供更穩(wěn)定的學(xué)習(xí)環(huán)境，并確保學(xué)生在教師的指導(dǎo)下系統(tǒng)學(xué)習(xí)。同時，校內(nèi)的編程課程可以與科學(xué)課程相結(jié)合，幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)中的抽象概念。此外，學(xué)?？梢耘c家長合作，鼓勵和支持學(xué)生參與編程學(xué)習(xí)，以充分發(fā)揮他們的潛力。

二、教育概念

（一）Arduino開發(fā)板的硬件概念

Arduino 是一個非常強大的開源電子平臺，本質(zhì)上是一塊具備芯片的電路板，可視為一種計算機。這款計算機平臺為用戶提供了豐富的電子元件和模塊，可以輕松實現(xiàn)各種創(chuàng)新和實用的功能。

Arduino 的起源可以追溯到意大利的一所高科技設(shè)計學(xué)校，由Banzi 設(shè)計并推廣。他的初衷是幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)電子和計算機知識，通過設(shè)計和制作Arduino 來提高他們的動手能力和解決問題的能力。隨著時間的推移，Arduino憑借其易用性和實用性，逐漸在全球范圍內(nèi)流行開來，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如智能家居、機器人、物聯(lián)網(wǎng)等。

（二）Arduino開發(fā)板的功能與作用

針對不同水平的學(xué)生，Arduino 提供了兩套編程軟件，用于程序編寫。其中，第一套編程軟件類似于C 語言的開發(fā)環(huán)境，適合年齡較大的學(xué)生使用；而第二套則通過圖形化界面拖動模塊進行程序的編寫，適合年齡較小的學(xué)生。許多培訓(xùn)機構(gòu)也紛紛采用這兩套軟件作為編程教育的入門工具，通過循序漸進的方式，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握編程技能。

Arduino 控制板已經(jīng)集成眾多模塊供學(xué)生使用，如馬達的運動模塊、超聲波模塊、燈光控制模塊等。這些模塊通過簡單的指令或圖形化界面實現(xiàn)，大大降低了編程的難度。同時，這些模塊還可以拓寬學(xué)生的思維能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新靈感。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以自由發(fā)揮，實現(xiàn)各種有趣和實用的功能。

綜上所述，Arduino 作為一個開源的電子平臺，不僅為學(xué)生提供了一個學(xué)習(xí)電子和計算機知識的良好機會，還通過各種模塊和編程軟件的應(yīng)用，拓寬了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造力。借助Arduino 的功能，學(xué)生可以在實踐中學(xué)習(xí)并掌握計算機原理與組成、科學(xué)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用、動手能力及問題解決能力等全面的知識和技能。

三、教學(xué)示例

下面將詳細闡述并展示一個Arduino 編程課的教學(xué)示范。這個問答課堂的設(shè)計主題是“使用Arduino 點亮一個小燈泡”，我們將通過這個主題，向大家介紹Arduino 的基礎(chǔ)知識，包括硬件的介紹、編程語言的概述、代碼的編寫以及實驗的演示等。通過這個教學(xué)示范，希望讀者能更加了解Arduino 編程的基本知識，并且通過實踐操作，讓大家掌握使用Arduino 點亮一個小燈泡的方法。

（一）實驗器具

本實驗使用的實驗器具主要有：Arduino UNO 開發(fā)板、LED 小燈泡（紅色和綠色）、連接線、絕緣手套、安全電源、小型十字螺絲刀、收納盒等。

（二）課程示例

課程的開始，教師應(yīng)介紹一下本次實驗主題。本示例的主題是“使用Arduino 點亮一個小燈泡”。我們首先需要引入兩個概念，分別是輸入和輸出?？梢耘e個例子來幫助學(xué)生了解這兩個詞的含義。然后將輸入和輸出這兩個詞引入使用Arduino開發(fā)板點亮燈泡這個主題上。

例如，把人比作這個Arduino 電路板（作為輸入），再把拉窗簾這件事比作點亮燈泡（作為輸出）。在黑板上把這幾件事用箭頭表示聯(lián)系。

此時引入控制器和執(zhí)行器的概念。在本例中，控制器為開發(fā)板，執(zhí)行器為燈泡。概念介紹完成后，由教師指導(dǎo)各個器材之間的連接。講解完成后，教師應(yīng)當(dāng)觀察學(xué)生的完成情況并針對錯誤進行指正。

下面是編程環(huán)節(jié)，本示例中只需要采用Arduino 圖形化編程軟件中最簡單的輸入輸出環(huán)節(jié)即可。輸出填寫1 即為高電平，可使小燈泡亮；輸出填寫0則為低電平，效果正好相反。

本示例中，可能有很多學(xué)生沒有搞明白，需要教師游走課堂之中糾錯。另外，需要注意電氣元件的安全性。當(dāng)學(xué)生成功讓小燈泡亮起來后，教師要進行新概念——延遲的講解。延遲就是保持當(dāng)前狀態(tài)停留幾秒的意思。教師可以布置簡單的任務(wù)，讓燈泡亮兩秒后滅掉。

教學(xué)完成后，則可以讓學(xué)生自由發(fā)揮。例如讓燈泡每隔一秒閃爍一次這種小課題，幫助學(xué)生深入理解。

（三）課程設(shè)計總結(jié)

以上是關(guān)于Arduino 編程課程的授課思路。限于篇幅，難以將具體的課程設(shè)計展示在此。本示例主要采用問答游戲的方式。這可以增強師生之間的互動，同時有助于學(xué)生對Arduino 編程的學(xué)習(xí)和理解。通過在課堂上展示Arduino 的實際應(yīng)用，學(xué)生能夠更好地理解和應(yīng)用所學(xué)的知識，進而提高他們的興趣和參與度。

四、課后問卷分析

筆者在校內(nèi)的手工課中試講了本案例，在課程結(jié)束之后，筆者制作了相關(guān)的調(diào)查問卷，詢問了學(xué)生上課時遇到的問題以及對這節(jié)課是否感興趣。筆者通過問卷分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對此課的興趣明顯高于平常的數(shù)學(xué)課與科學(xué)課，并且在上課期間，發(fā)現(xiàn)有幾個平時對上課不感興趣的學(xué)生也在積極完成“點亮燈泡”課堂任務(wù)。雖然暫時難以將全部不感興趣的學(xué)生都引導(dǎo)參與進來，但對于部分學(xué)生是有積極意義的。課后還有擅長數(shù)學(xué)的學(xué)生探討更深層次的知識，比如“為什么我們在電腦上輸入1，小燈泡就可以亮？”筆者在講述原因時，發(fā)現(xiàn)也有一部分學(xué)生開始對計算機的基本原理產(chǎn)生興趣。這有助于學(xué)生不斷地拓展認知領(lǐng)域，也同時培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。當(dāng)然，課程設(shè)計也存在很多問題，后續(xù)要不斷精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，建立良好的教學(xué)體系，從而確保學(xué)生在課上可以真正地發(fā)展自己的計算思維能力和數(shù)理思維能力。

綜上所述，將Arduino 引入小學(xué)課堂具有諸多益處。它不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠促進綜合學(xué)科知識的運用，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題能力，提升學(xué)生的實踐能力和動手能力。這樣的教學(xué)方式能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，并為他們的未來學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。