劉瑩昕 牛寶裕 石偉 李敬睿

摘 要：文章通過梳理相關文獻分析了計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，從教學方式、開源硬件的自身功能探討了開源硬件對計算思維能力培養(yǎng)的重要性;闡述開源硬件、課程和計算思維的關系，明確開發(fā)開源硬件課程可以更好地促進學生計算思維能力的培養(yǎng);以開源硬件Micro：bit為例，從課程目標設定、課程內(nèi)容設計方面進行了課程設置，提出課程實施的教學策略和多元化的評價方式;探究和開發(fā)以開源硬件為內(nèi)容的課程，為推進計算思維能力的培養(yǎng)提供新的切入點。

關鍵詞：信息社會;計算思維; 開源硬件;課程開發(fā)

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

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

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

一、中小學生計算思維能力的培養(yǎng)

1.計算思維能力培養(yǎng)的必要性

（1）從學生發(fā)展的角度來看

美國計算機科學與電信委員會（簡稱CSTB）在Report of a Workshop on the Scope and Nature of Computational Thinking（2010）中指出，計算思維不僅僅屬于計算機科學家，而是每個人的技能，每個人都可以運用計算思維幫助解決問題、設計系統(tǒng)、理解人類行為;計算思維與數(shù)學、語言、邏輯推理能力同樣重要，應該讓所有學生掌握[2]?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準（2017年版）》在重構課程體系的基礎上，把計算思維納為學科核心素養(yǎng)之一，豐富學科內(nèi)涵，指明發(fā)展方向[3]。因此培養(yǎng)學生的計算思維能力，將成為重中之重。

（2）從技術促進教育發(fā)展角度來看

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

2.中小學計算思維教育研究現(xiàn)狀

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

（1）通過其他學科課程進行計算思維培養(yǎng)

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

（2）以信息技術學科為基礎衍生出的相關課程或整合課程

有許多一線教師與學者，利用信息技術課程[5]、編程教育[6]、創(chuàng)客、STEAM整合課程[7]等來培養(yǎng)中小學生的計算思維能力，這是目前計算思維研究的主要方面。許多研究者正嘗試在中小學階段利用Scratch[8-10]與App Inventor[11][12]進行一線教學研究，培養(yǎng)學生的計算思維能力;高中階段培養(yǎng)計算思維能力一般結合信息技術教材中的內(nèi)容來進行[13]。同時也有研究者從教學的角度出發(fā)，基于游戲化[14]、項目教學[15]、問題驅動的學習方式[16]，結合編程教育內(nèi)容，培養(yǎng)學生的計算思維能力。相關研究者認為，使用科學的教學方式結合與信息技術相關的課程，是進行計算思維培養(yǎng)的最優(yōu)方式。目前，已經(jīng)有教師從高中信息技術課程的角度，嗅探到Arduino對計算思維培養(yǎng)的支持[17]，但目前還沒有一個完整的基于計算思維培養(yǎng)的開源硬件課程研究。

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

二、開源硬件與計算思維

1.認識開源硬件

“開源”（Open Source）即“開放源代碼”，產(chǎn)生于20世紀 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軟件，并且可以由任何人進行修改、檢查、增加相應的功能。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計的計算機或電子硬件，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]。開源硬件是實際的可感知的物品，例如機器、設備等其他物理產(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)品被廣泛應用在教育領域中。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、擴展性、跨平臺性、教育性和經(jīng)濟性五個方面進行對比分析，判斷其是否適合中小學教育教學的應用，分析結果如表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)板實體操作于一體，學生不僅能夠接觸編程知識，還能夠觸摸到程序運行的物化結果，避免了單純的程序設計知識所帶來的枯燥體驗，有效調(diào)動了學生學習興趣。例如Micro：bit，雖然只有4cm×5cm大小，但其功能卻一應俱全，有微控制器（MPU），有獨立的運算存儲編譯功能，有輸出設備（5×5 LED矩陣），有A、B兩個按鈕（可編程），有重力計、磁力計等輸入設備，還可以連接豐富的外部傳感器與模塊。在程序設計上支持線上圖形化編程（網(wǎng)址為：https：//makecode.microbit.org/），無需配置復雜的運行環(huán)境，支持實時同步仿真，操作與變化反饋一目了然。程序設計好以后，點擊頁面中的“下載”按鈕，可以直接下載擴展名為.hex的文件，hex是Hexadecimal Source File的簡寫，是一種可供單片機執(zhí)行的文件格式，使其運用更加簡單便捷，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，且價格相對較高，目前在中小學教育中應用的實例并不多，但是隨著創(chuàng)新教育的發(fā)展，已經(jīng)受到越來越多的關注，相信未來在中小學教育中的地位將舉足輕重。

2.開源硬件對中小學生計算思維能力培養(yǎng)的支持

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中新增了開源硬件項目設計內(nèi)容，這部分內(nèi)容在教學上可以采用基于問題的學習方式，讓學生體驗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，抽象、形式化表達、構造到自動化形成了計算思維的方法路徑[20]。這一方法路徑體現(xiàn)了計算思維的本質(zhì)，是計算思維教育的核心。由此可見，開源硬件課程可使用的教學方法與計算思維的培養(yǎng)路徑在體系上不謀而合。

教師首先提出一個生活中的實際問題，然后引導學生對問題進行分析，明確需要解決的問題要點，這是抽象的過程;設計系統(tǒng)解決方案包含表達問題中的要素關系和建立解決問題的有效流程，兩個方面分別對應了計算思維培養(yǎng)路徑中的形式表達與構造;利用開源硬件實現(xiàn)解決方案就是按照構造好的操作流程實現(xiàn)預設問題的自動化解決。開源硬件教學模式與計算思維關系如圖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)學生的計算思維能力，開展基于問題的學習方式，在學習上更加有利于學生進行抽象，避免了天馬行空的想象。同時，嵌有微處理器的開源硬件就如一臺迷你計算機，具備計算機的完整系統(tǒng)，同時還為學生提供二次創(chuàng)作的空間，教師帶領學生利用開源硬件設計生活物品，使學生參與到作品創(chuàng)作中的需求、設計、開發(fā)和運行全過程。在這個動態(tài)的問題解決過程中理解計算機科學，逐步實現(xiàn)計算思維能力的培養(yǎng)。

三、基于開源硬件的計算思維課程設計

1.開源硬件、課程與計算思維

通過開源硬件培養(yǎng)中小學生計算思維能力，一定需要設置相關課程才能實現(xiàn)。開源硬件與計算思維的關系如圖4所示。

所開設的課程是開源硬件與計算思維的中間介質(zhì)，課程設置的主要目的是為了使學生掌握計算思維能力，因此計算思維也是整個課程的全局策略。在此關系基礎上，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)信息技術課程基礎上增加開源硬件的內(nèi)容，或者結合創(chuàng)客、STEAM教育理念，設計基于開源硬件的跨學科特色校本課程，以培養(yǎng)學生的計算思維能力。

2.課程目標的設定

（1）學習者特征分析是設定課程目標的前提

學習者是課程最終的受眾對象，設定課程目標需要對學習者進行分析。其中學習者的自身因素、年齡特征、心理發(fā)展特點、認知發(fā)展特點等都是需要進行分析的內(nèi)容。例如，在中小學開設開源硬件課程，參與課程的學生年齡應在11～13歲左右，該年齡段學生的認知正處于從具體運算階段向形式運算階段過渡的時期，因此設定課程目標時應注意這些細節(jié)，從學生實際情況出發(fā)，設置科學合理的課程目標，保障課程沿著正確的方向開展。

（2）明確課程目標是課程開發(fā)的關鍵

開源硬件課程的突出特點是集編程教育與硬件操作于一體，在目標的設定上，需要向更深層次發(fā)展，不能認為學生掌握了基本知識、基本技能就是達到了要求，要考慮到學生的主體地位，考慮到信息社會的發(fā)展，使學生在思維、能力等方面共同得到提升。在基于計算思維培養(yǎng)理念下設計的開源硬件課程，要充分利用開源硬件實現(xiàn)學生計算思維能力的培養(yǎng)是課程的總體性目標，按照課程內(nèi)容要求解決實際問題，設計相關作品是階段性目標。同時依據(jù)課程目標設定的教學目標同樣應體現(xiàn)出多維度的特點，培養(yǎng)計算思維能力只是其中的目標之一，其他維度的目標應在實踐中根據(jù)不同的課程內(nèi)容進行動態(tài)化的設定，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)容的設計

課程的設計應具有整體性，根據(jù)課程目標選擇與之相匹配的內(nèi)容，并合理安排課程的內(nèi)容結構，組織開發(fā)課程資源庫，將每個學生都看作是一個獨立的個體，從課程資源庫中靈活選用教學資源，以小組合作的形式進行任務闖關，最終實現(xiàn)課程目標。以開源硬件Micro：bit為例，課程結構及內(nèi)容的設置如圖5所示。

在內(nèi)容結構的分布上，安排“新手期—中級專家—電子超人”三個部分，知識點與操作難度逐漸加深。在課程資源庫的建立上，要體現(xiàn)出因時制宜、因生制宜、內(nèi)容豐富、可被學生理解接受的特點。資源庫不是枯燥知識點的“游樂場”，而是各種案例和資料的聚集地。通過在資源庫中預設相關內(nèi)容，教師以合適的方式提供給學生，設計學習活動，關注學習過程中學生的思維是否被調(diào)動，以及是否在預設的問題域中探索[20]，可以使教師有效地引導學生對問題進行抽象，為培養(yǎng)計算思維能力邁出重要的一步。

4.課程的實施與評價

（1）教學策略

開源硬件課程可以采用基于問題驅動的教學策略，該策略能夠為計算問題解決的過程提供可能，而培養(yǎng)計算思維能力的最終目的是利用計算思維有效地解決問題，因此是一個行之有效的策略?；陧椖渴降膶W習同樣是有效的教學策略之一，以課程資源庫為依托靈活運用項目活動，逐級增加難度，使學生穩(wěn)步前進，提高解決問題的綜合能力，鼓勵學生進行創(chuàng)新設想、創(chuàng)新實踐，培養(yǎng)計算思維能力并促進學生全面發(fā)展。

（2）提升教師自身能力

教師作為課程實施的先行者，必須要提升自身兩個方面的剛性條件，分別是計算機學科的專業(yè)知識與技能、思維教育的意識與方法[20]。二者也是培養(yǎng)計算思維所需依托的兩個方面。基于開源硬件培養(yǎng)學生的計算思維能力，教師首先應更深入地理解專業(yè)知識，掌握必要的計算機學科知識與技能。教師對思維教育、計算思維的認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，目前關于如何評價計算思維還沒有一個確切的評價標準，使用較多的是一種多元化的評價方式。開發(fā)開源硬件課程培養(yǎng)學生的計算思維能力，可以通過作品檔案記錄袋、作品訪談分析、實踐設計記錄等多方面進行綜合評價，這種形式的評價能夠有效避免只注重理論、作品展示而輕視思維技能的學習結果考察方式。

計算思維目前正以一個嶄新的姿態(tài)被眾多學者、教師所熟知，培養(yǎng)中小學生的計算思維能力也成為一項重要的任務。開發(fā)開源硬件課程培養(yǎng)中小學生的計算思維能力，能夠為學生掌握計算思維、應用計算思維提供有力的支持，同時也能夠讓教師不斷豐富自己，把握計算思維教育的核心，推動計算思維教育向更深層次方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]National Research Council 2010.Report of a Workshop on the Scope and Nature of Computational Thinking[R].Washington， DC： The National Academies Press.2010：3

[3]教育部.普通高中信息技術課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4]朱芳芳，劉海華，張雪，等.小學數(shù)學教學中計算思維的培養(yǎng)研究——以小學數(shù)學課程“認識東南西北”為例[J].辦公自動化，2019，24（13）：41-43.

[5]陳靜.初中信息技術課程教學中學生計算思維能力的培養(yǎng)策略研究[D].蘭州：西北師范大學，2017.

[6]周明.基于計算思維培養(yǎng)的中小學編程教育校本課程開發(fā)與實踐[J].中小學信息技術教育，2017（3）：61-65.

[7]倪正輝.機器人教學中創(chuàng)客教育與計算思維的融合探索[J].中國教育信息化，2017（2）：6-8.

[8]黃紅偉.計算思維在Scratch程序設計教學中的實踐——以小車巡線為例[J].中國信息技術教育，2019（19）：37-40.

[9]金政.基于Scratch編程的小學生計算思維培養(yǎng)實踐研究[D].延吉：延邊大學，2019.

[10]張曉晴，李鵬，文昌，等.基于Scratch校本課程對初中生計算思維培養(yǎng)的研究[J].中國教育信息化，2019（10）：26-29.

[11]郭守超，周睿，鄧常梅，等.基于App Inventor和計算思維的信息技術課堂教學研究[J].中國電化教育，2014（3）：91-96.

[12]柏安茹.面向計算思維培養(yǎng)的App Inventor課程設計與開發(fā)[D].北京：北京郵電大學，2018.

[13]高燕.在任務驅動與自主探究學習中培養(yǎng)計算思維的研究——以“Python程序設計奇妙的繪圖”為例[J].中國信息技術教育，2019（2）：54-56.

[14]羅小青.基于游戲化教學的計算思維培養(yǎng)研究[D].上海：上海師范大學，2018.

[15]黃金.利用項目教學法培養(yǎng)初中生計算思維的實驗研究[D].長沙：湖南師范大學，2019.

[16]董玉瑩.基于問題驅動的計算思維培養(yǎng)研究[D].蘭州：西北師范大學，2018.

[17]郭群.基于Arduino的計算思維培養(yǎng)策略——以高中信息技術課程為例[J].教育信息技術，2019（6）：57-60.

[18]劉剛剛，肖玉賢.面向中小學教學的開源硬件現(xiàn)狀分析與比較[J].中國教育技術裝備，2018（2）：4-8.

[19]鄧佩佩.基于開源硬件的小學創(chuàng)客教學模式的構建與應用研究[D].成都：四川師范大學，2016.

[20]王榮良.中小學計算思維教育實踐[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?019：28-116.（編輯：魯利瑞）