嚴(yán)明崗

摘要：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，是信息技術(shù)教學(xué)中需要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。筆者以《智能電動(dòng)車停車場(chǎng)》為例，在本文中探討了小學(xué)Arduino教學(xué)培養(yǎng)策略及其帶來的成效，并進(jìn)行了反思與展望。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;Arduino教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）S2-0041-04

課題研究的背景

1.課題的緣起

案例：筆者在Arduino課程《點(diǎn)亮LED》的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)教師教學(xué)了點(diǎn)亮一個(gè)LED后，學(xué)生基本都學(xué)會(huì)了。但當(dāng)筆者請(qǐng)學(xué)生同時(shí)點(diǎn)亮兩個(gè)LED的時(shí)候，很多學(xué)生都一片茫然，不知道如何下手。他們不知道怎么連接硬件，更不要說進(jìn)行編程了。

這種情況在小學(xué)Arduino教學(xué)中經(jīng)常發(fā)生，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，跟著教師操作很快就學(xué)會(huì)了，但讓他們?nèi)プ灾魈骄繃L試制作往往效果不佳?？梢?，在Arduino教學(xué)中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力有待提高。

2.現(xiàn)象透視

從2016年至今，筆者所在學(xué)校作為區(qū)機(jī)器人試點(diǎn)學(xué)校開展Arduino機(jī)器人教學(xué)已有多年。如何讓孩子們?cè)谟邢薜恼n堂上，學(xué)到更多的知識(shí)，掌握更多的技能，一直是筆者苦苦思考的問題。但事實(shí)上，像上面案例所說的一樣，很多時(shí)候?qū)W生掌握的知識(shí)只在表面，碰到一點(diǎn)點(diǎn)困難，他們就望而卻步，不肯深入地去學(xué)習(xí)。在小學(xué)Arduino教學(xué)中，筆者主要發(fā)現(xiàn)了以下幾個(gè)現(xiàn)象：一是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高;二是學(xué)生的學(xué)習(xí)耐心有待提高;三是教師對(duì)課堂教學(xué)的認(rèn)識(shí)不足。

從以上三種現(xiàn)象可以看出，要提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，必須尋找一種非常有利的教學(xué)策略。

3.計(jì)算思維的重要性

計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)，它是一種解決問題的方法，這種思維是將一個(gè)看起來困難的問題分解成一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單、具體的問題，并且利用所掌握的計(jì)算知識(shí)找出解決問題的辦法。它與“信息意識(shí)”“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”及“信息社會(huì)責(zé)任”等共同屬于中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容。

在學(xué)校啟發(fā)潛能教育理念的指導(dǎo)下，學(xué)校將Arduino教學(xué)引入到信息技術(shù)課程體系中，作為培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的主要落腳點(diǎn)。為了提升學(xué)生的計(jì)算思維能力，本課題以Arduino教學(xué)為平臺(tái)，開展基于計(jì)算思維的培養(yǎng)策略研究，以期改善Arduino教學(xué)中教師對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)不到位、學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展有限的現(xiàn)狀，為提升學(xué)生的思維能力提供可借鑒的實(shí)踐策略。

課題研究的設(shè)計(jì)

1.研究目標(biāo)

學(xué)生目標(biāo)：通過培養(yǎng)和提高學(xué)生的興趣、意識(shí)和能力，提高學(xué)習(xí)效率，全面提高學(xué)生的信息素養(yǎng);關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生立體空間思維，激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

教師目標(biāo)：解決教師在Arduino教學(xué)中遇到的問題，改進(jìn)教師的教學(xué)方法，踐行有效課堂，提升課堂教學(xué)效率;拓展教師的研究平臺(tái)，提升信息技術(shù)教研層次，提高教師教育科研能力，帶動(dòng)并促進(jìn)教師個(gè)人教學(xué)風(fēng)格的形成，引領(lǐng)教師的專業(yè)化發(fā)展。

2.研究過程

本研究以小學(xué)Arduino教學(xué)為依托，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和計(jì)算思維的相關(guān)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)和計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)，提出培養(yǎng)策略，構(gòu)建了面向計(jì)算思維培養(yǎng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)方案，再將該設(shè)計(jì)應(yīng)用到小學(xué)Arduino教學(xué)實(shí)踐中，驗(yàn)證其教學(xué)效果。

本文采用教育實(shí)驗(yàn)法、訪談法、調(diào)查研究等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過教師訪談和信息技術(shù)水平調(diào)查來分析現(xiàn)狀，以便較好地開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。之后通過測(cè)試題和作品分析等了解學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)、解決實(shí)際問題和創(chuàng)造力、協(xié)作能力等學(xué)習(xí)情況和教學(xué)效果。

面向計(jì)算思維培養(yǎng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)既能夠保證學(xué)習(xí)者掌握計(jì)算概念知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法解決課程問題和生活實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)科觀念、計(jì)算思維態(tài)度，最后將這種綜合思維能力遷移到更廣的領(lǐng)域。

課題研究的策略

在Arduino教學(xué)中，需要以“人的需求”為中心創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，以學(xué)生參與為主要的活動(dòng)形式，教師需要幫助學(xué)生掌握“做”的過程中一些必備的探索工具，培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算思維解決和處理問題。

1.調(diào)查研究，激發(fā)思維

學(xué)習(xí)源于生活，學(xué)習(xí)也是為了讓生活更美好。Arduino教學(xué)必須運(yùn)用生活中的現(xiàn)實(shí)情境，讓學(xué)生有更大的成就感。因此，筆者讓學(xué)生尋找身邊的問題，從解決問題入手，開展Arduino教學(xué)。

例如，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在一些商場(chǎng)、地鐵站附近的電動(dòng)車停車場(chǎng)里，車輛的亂停亂放嚴(yán)重影響了市容市貌。電動(dòng)車停車場(chǎng)里經(jīng)常是處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，明明只能停100輛左右的電動(dòng)車，卻偏偏停了150輛左右，很多車都是擋住了其他的車輛。到了需要開走電動(dòng)車的時(shí)候，車主是苦不堪言。特別是一些女生，力氣小更加不容易推動(dòng)電動(dòng)車，這樣的現(xiàn)象屢見不鮮。

如何解決這個(gè)問題，學(xué)生從汽車停車場(chǎng)得到啟示，策劃了“智能電動(dòng)車停車場(chǎng)”項(xiàng)目。也許，有人會(huì)覺得這樣的項(xiàng)目沒有新意，純粹時(shí)模仿，但筆者認(rèn)為，模仿是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，學(xué)會(huì)了模仿，才會(huì)有創(chuàng)新。

2.分析項(xiàng)目，分層思維

在筆者的引導(dǎo)下，學(xué)生思考以下問題：怎樣制作這樣一個(gè)項(xiàng)目？整個(gè)項(xiàng)目可以分成幾個(gè)部分？每個(gè)部分中包含什么？它們之間有什么樣的聯(lián)系？

例如，在“智能電動(dòng)車停車場(chǎng)”中（如圖1），學(xué)生認(rèn)為首先要尋找合適的硬件，進(jìn)行連接，再進(jìn)行編程和調(diào)試，最后成型。這樣的思路的確是很清晰的，學(xué)生也知道了需要使用的一些硬件（如圖2）。

通過將一個(gè)整體程序拆分成多個(gè)小的模塊，讓學(xué)生在分解的過程中逐步滲透分層思維能力。

3.分析實(shí)例，具化思維

筆者根據(jù)項(xiàng)目，讓學(xué)生通過小組討論的方式用自己的語(yǔ)言描述動(dòng)作，找到相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令，學(xué)生通過這一系列的動(dòng)作分析能初步掌握要實(shí)現(xiàn)功能該怎樣搭建硬件。

4.作品搭建，培養(yǎng)思維

在學(xué)生已經(jīng)了解設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，筆者嘗試讓學(xué)生把整個(gè)作品設(shè)計(jì)更加清晰地展現(xiàn)出來，這樣，學(xué)生再去搭建腳本的時(shí)候不僅能夠輕松地實(shí)現(xiàn)各硬件的動(dòng)作，而且能快速理清各硬件之間的聯(lián)系怎么實(shí)現(xiàn)。例如，在操作入口和出口的舵機(jī)時(shí)，明顯是不同的，出口的舵機(jī)頭朝外，入口的舵機(jī)頭朝里。根據(jù)不同的需求，來連接硬件，合理地放置舵機(jī)的方向，以實(shí)現(xiàn)我們需要達(dá)到的目的。通過這樣的方式，學(xué)生的思維得到了有效培養(yǎng)，學(xué)生的執(zhí)行能力也得到了提升。

5.分解對(duì)比，優(yōu)化思維

通過對(duì)教師提供的實(shí)例進(jìn)行模仿，在改進(jìn)的過程中他們會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的腳本積木搭建的角色效果會(huì)不同，通過這樣的思考、搭建過程，滲透算法。

通過調(diào)整腳本積木的搭建順序，學(xué)生知道腳本積木順序不同則角色的運(yùn)動(dòng)過程也不同。

例如，從上述案例中，我們可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后車輛的數(shù)量會(huì)隨著車輛的進(jìn)入而改變，當(dāng)數(shù)量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，車輛就不能夠進(jìn)入停車場(chǎng)，車輛的數(shù)量也不會(huì)隨著車輛的全部離開變成負(fù)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了控制車輛的目的。

在學(xué)生掌握了基本的腳本積木后，讓學(xué)生通過展示、交流發(fā)現(xiàn)哪種方法更合理，從而對(duì)編程的優(yōu)化思想有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

研究的成效

1.提升了課堂效率

很多時(shí)候，教師非常希望通過拓展性課程，讓每一位學(xué)生都得到成長(zhǎng)，基于計(jì)算思維的小學(xué)Arduino教學(xué)，很好地解決了教師在Arduino教學(xué)中遇到的問題，改進(jìn)了教師的教學(xué)方法，提升了課堂教學(xué)效率。

2.優(yōu)化了計(jì)算思維

關(guān)注了學(xué)生的學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生立體空間思維，激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。很多時(shí)候，學(xué)生是不知道怎么去做的，或者說怎么做才能做的更好，通過教師一系列的學(xué)習(xí)安排和引導(dǎo)，他們對(duì)計(jì)算思維的理解有了一定的提高，并且知道了計(jì)算思維與生活是息息相關(guān)的，可以運(yùn)用計(jì)算思維幫助我們更好地生活。

學(xué)生知道了計(jì)算思維不僅僅是計(jì)算那么簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)計(jì)算思維是為了更好地處理生活中碰到的問題。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生很有成就感，覺得這可是自己親手設(shè)計(jì)出來的作品，非同一般。

反思與展望

Arduino教學(xué)是信息技術(shù)課程的拓展，在不斷的摸索學(xué)習(xí)過程中，既給了學(xué)生新的體驗(yàn)，也讓筆者看出了教學(xué)環(huán)節(jié)也有設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)牡胤健?/p>

1.打好基礎(chǔ)，必不可少

學(xué)生對(duì)每個(gè)積木件的功能都已經(jīng)知道了，但是對(duì)積木件的靈活運(yùn)用還不夠，運(yùn)用能力還有待提高，在平時(shí)的教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用，這樣學(xué)生在設(shè)計(jì)新作品的時(shí)候，操作起來就靈活有余了。

2.策略運(yùn)用，迫在眉睫

教師對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)策略運(yùn)用不自如，因此在教學(xué)時(shí)不能很好地把握好“度”，即在運(yùn)用計(jì)算思維培養(yǎng)時(shí)，不能很好地顧及“點(diǎn)”和“面”。有時(shí)一整堂課的某一個(gè)教學(xué)片斷，滲透了計(jì)算思維的多個(gè)培養(yǎng)方法，有點(diǎn)顧此失彼的感覺，這就提醒我們，作為教師應(yīng)對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)和計(jì)算思維方法有足夠的把握。這是我們目前遇到的最大的困難。

3.培養(yǎng)思維，由點(diǎn)帶面

計(jì)算機(jī)解決問題的過程和人類解決問題的過程最大的區(qū)別在于，人類有大量的包含個(gè)人禁言在內(nèi)的隱性知識(shí)，而計(jì)算機(jī)在解決問題時(shí)，要求有清晰的問題定義和描述，通過對(duì)問題的層層抽象，將學(xué)生的隱性知識(shí)顯性化，將思維過程可視化，只有不斷對(duì)計(jì)算機(jī)思維能力進(jìn)行強(qiáng)化和訓(xùn)練，思維能力才能得到提升。

4.獎(jiǎng)勵(lì)評(píng)價(jià)，勢(shì)在必行

獎(jiǎng)勵(lì)是特殊的評(píng)價(jià)，它對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)起到鼓勵(lì)作用，恰當(dāng)?shù)厥褂锚?jiǎng)勵(lì)，能提高學(xué)生內(nèi)部學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。對(duì)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)行表?yè)P(yáng)和獎(jiǎng)勵(lì)，能在很大程度上培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的成就動(dòng)機(jī)，對(duì)表現(xiàn)一般的學(xué)生進(jìn)行表?yè)P(yáng)和獎(jiǎng)勵(lì)，能提高和改善他們的成就動(dòng)機(jī)。

5.創(chuàng)新立意，亟須加強(qiáng)

學(xué)生在創(chuàng)作作品時(shí)雖然有創(chuàng)新的成分存在，但大部分還停留在對(duì)傳統(tǒng)的改進(jìn)過程中，他們并沒有將編程與實(shí)際生活聯(lián)系起來進(jìn)行創(chuàng)作，也就是說學(xué)生的思維沒有分散開來，這是我們?cè)诮窈蠼虒W(xué)中應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)的方面。

學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的工作，我們應(yīng)不斷地改善教學(xué)策略，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，讓每一位學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造性地思考，從而達(dá)到更好地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。

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