曹 偉

2017年，黨中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見》明確提出，要重點(diǎn)培養(yǎng)4種支撐學(xué)生終身發(fā)展、適應(yīng)時(shí)代要求的關(guān)鍵能力，即認(rèn)知能力、合作能力、創(chuàng)新能力、職業(yè)能力。其中，學(xué)生的創(chuàng)新能力主要指學(xué)生在學(xué)習(xí)與生活、社會(huì)實(shí)踐、面對(duì)困難等過程中所形成的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維以及創(chuàng)新技能。在小學(xué)信息技術(shù)課堂中，筆者利用開源硬件開展人工智能教學(xué)探索，通過編程來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，從而有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。

通過這幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為編程的本質(zhì)是對(duì)問題進(jìn)行有效求解，編程能夠幫助學(xué)生形成科學(xué)有效的問題解決策略，重塑結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。但是，開展編程教育并不是為了將學(xué)生培養(yǎng)成寫代碼的程序員，而是要培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維和科學(xué)思維，從而提升學(xué)生解決問題的能力。在小學(xué)信息技術(shù)課堂中，開源硬件編程教學(xué)能夠?qū)πW(xué)生思維的完整性和邏輯性進(jìn)行有效、有針對(duì)性的訓(xùn)練，讓學(xué)生通過對(duì)問題關(guān)鍵要素的提煉建立科學(xué)模型，探究問題的有效表征。這樣的過程是系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化問題解決方法與策略的展示，也是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)中所提到的“計(jì)算思維”的重要特征。

一、開展硬件編程教育，提升學(xué)生思維能力

何為開源硬件編程？簡(jiǎn)單來說，就是一個(gè)硬件項(xiàng)目的原始設(shè)計(jì)文件是對(duì)外公開的，所有人都可以對(duì)它進(jìn)行加工，比如Arduino開源硬件。開源硬件和開源軟件的目的相似，都是給用戶提供二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作?；陂_源硬件的編程主要是通過傳感器與環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互作用，符合創(chuàng)客與STEM教育的理念，可以有效促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和思維能力的深度發(fā)展。

編程是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)過程，能夠幫助學(xué)生形成科學(xué)有效的思維方式。學(xué)生學(xué)會(huì)使用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)思維，能夠促進(jìn)問題的解決，對(duì)問題進(jìn)行抽象、建模、表征等提高了學(xué)生解決問題的效率。從結(jié)構(gòu)化的視角來看，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和構(gòu)建項(xiàng)目案例成為開展開源硬件編程教學(xué)的關(guān)鍵。比如，在“灰度傳感器的應(yīng)用”一課中，筆者設(shè)計(jì)了利用灰度傳感器實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)循跡。在該項(xiàng)目中使用的是CF-Board主控板，該主控板是基于Arduino主控板與擴(kuò)展板相結(jié)合的開源硬件主控板，而編程軟件是利用基于Scratch2.0的AS-Block圖形化編程軟件。在項(xiàng)目式任務(wù)設(shè)置上，要注重探究過程的設(shè)計(jì)和活動(dòng)過程性的有效評(píng)價(jià)。此外，問題設(shè)置要相互銜接，要構(gòu)建層次分明且遞進(jìn)式的項(xiàng)目任務(wù)。這樣的項(xiàng)目式任務(wù)有助于學(xué)生將較為綜合復(fù)雜的項(xiàng)目拆分成簡(jiǎn)單的小任務(wù)，然后學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知水平進(jìn)行抽象與重構(gòu)，高效完成任務(wù)。在這個(gè)過程中，結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)與解決問題的結(jié)構(gòu)化策略尤為重要，對(duì)學(xué)生思維的結(jié)構(gòu)化和問題解決能力的提升起到促進(jìn)作用。因此，在核心素養(yǎng)時(shí)代，教師要積極轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的知識(shí)傳遞式教育方式，向更深入的思維能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。開源硬件編程教學(xué)不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，而且還能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)思維的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)進(jìn)行思維活動(dòng)。

二、利用結(jié)構(gòu)化策略培養(yǎng)解決問題的能力

在以往編程教育或者軟件操作教學(xué)過程中，學(xué)生缺乏有效的動(dòng)手實(shí)踐和設(shè)計(jì)過程，多是根據(jù)教師的案例進(jìn)行模仿操作，缺乏對(duì)真實(shí)問題的有效建構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生各方面能力和素養(yǎng)發(fā)展欠缺?；陂_源硬件的人工智能教育實(shí)踐活動(dòng)利用結(jié)構(gòu)化的方法與策略，幫助學(xué)生提升解決問題的效率，促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展。在“灰度傳感器的應(yīng)用”案例中，筆者通過讓學(xué)生經(jīng)歷動(dòng)手搭建小車，促進(jìn)學(xué)生學(xué)思融通。筆者積極引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”，鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象和創(chuàng)造，讓學(xué)生利用開源硬件實(shí)現(xiàn)自己的想法。同時(shí)，結(jié)構(gòu)化問題解決方法和策略有效降低了問題解決的難度，讓學(xué)生對(duì)問題的思考更加深入。

（一）問題分解，認(rèn)識(shí)灰度傳感器

針對(duì)具體的問題，需要進(jìn)行科學(xué)有效的分析以促進(jìn)問題的解決。在利用灰度傳感器實(shí)現(xiàn)小車循跡項(xiàng)目中，筆者通過對(duì)問題進(jìn)行科學(xué)有效的分解，幫助學(xué)生理解什么是灰度傳感器，引發(fā)學(xué)生思考如何使用灰度傳感器，這成為解決問題的第一步，也是關(guān)鍵一步?；叶葌鞲衅髦饕怯脕頇z測(cè)灰度值的一種傳感器，其獲取的數(shù)值通常會(huì)受檢測(cè)距離、環(huán)境、光線等因素的影響?；叶葌鞲衅魉@取的數(shù)值越小表示顏色越接近黑色。一般當(dāng)灰度傳感器檢測(cè)到的值小于600時(shí)認(rèn)定是黑色，而大于或者等于600時(shí)則認(rèn)定是白色。需要注意的是，在使用灰度傳感器前必須先獲取場(chǎng)地的灰度值，用來修正主控板灰度值的設(shè)定。

（二）問題建模，落實(shí)到具體應(yīng)用

學(xué)生通過對(duì)“灰度傳感器實(shí)現(xiàn)小車循跡”這一項(xiàng)目案例中關(guān)鍵要素的提煉，準(zhǔn)確把握灰度傳感器在小車循跡過程中的具體作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)問題本質(zhì)的抽象，最終形成關(guān)于灰度值與小車循跡的概念模型。在此基礎(chǔ)上，為了有效解決問題，筆者建立了傳感器狀態(tài)與小車行駛動(dòng)作的模型（如圖1所示），在開源硬件創(chuàng)趣CFBoard小車系列主控板上集成了兩個(gè)灰度傳感器，分別對(duì)應(yīng)左和右兩個(gè)位置，用來檢測(cè)場(chǎng)地的灰度值，從而幫助小車調(diào)整位置，實(shí)現(xiàn)小車沿著黑線循跡行駛。

圖1 灰度傳感器實(shí)現(xiàn)小車循跡的模型

筆者設(shè)計(jì)了可視化的分析結(jié)構(gòu)圖（如圖2所示），引導(dǎo)學(xué)生通過調(diào)整小車左右車輪的速度來調(diào)整小車位置狀態(tài)。結(jié)構(gòu)化的建模過程能夠有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)問題本質(zhì)的把握。在可視化教學(xué)支架的幫助下，學(xué)生直觀地掌握了傳感器狀態(tài)與小車動(dòng)作的邏輯關(guān)系，形成了科學(xué)有效的結(jié)構(gòu)化模型。

圖2 左右灰度傳感器在黑線上的狀態(tài)

（三）問題表征，實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)

學(xué)生通過對(duì)問題進(jìn)行科學(xué)有效的抽象分析形成了概念模型。模型需要求解，即進(jìn)行數(shù)字化、形式化表征。在教學(xué)實(shí)踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)小車沿著黑線自動(dòng)循跡行駛主要有3種狀態(tài)。其中，小車偏左和偏右時(shí)需要小車自動(dòng)調(diào)整位置。借助可視化的分析過程，學(xué)生建立小車行駛狀態(tài)的邏輯結(jié)構(gòu)，大致知道小車在沿著黑線行駛過程中可能會(huì)遇到的情況。將小車灰度傳感器所處位置的灰度狀態(tài)用數(shù)字0和1表示，不同的0和1的組合表示當(dāng)前灰度傳感器的檢測(cè)狀態(tài)（如下頁表1所示）。

表1 灰度傳感器的檢測(cè)狀態(tài)

可見，通過結(jié)構(gòu)化方式對(duì)問題進(jìn)行有效分解并最終解決問題，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生思維能力也是極為有益的。

三、借助迭代與優(yōu)化促進(jìn)素養(yǎng)提升

學(xué)生在項(xiàng)目問題解決方案不斷迭代與優(yōu)化的過程中形成更加完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化與素養(yǎng)的形成。

（一）在迭代中發(fā)現(xiàn)新問題，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

在“灰度傳感器的應(yīng)用”案例中，小車能夠根據(jù)灰度傳感器獲取到的狀態(tài)信息來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡駕駛，部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一些可以進(jìn)一步優(yōu)化的地方。比如小車沿著黑線行駛時(shí)，偏左的情況還可以分為部分偏左和完全偏左，同理偏右也可以細(xì)分為部分偏右和完全偏右。針對(duì)小車車身位置的部分偏轉(zhuǎn)和完全偏轉(zhuǎn)的糾偏，筆者設(shè)計(jì)了可視化的學(xué)習(xí)支架幫助學(xué)生更好地理解部分偏轉(zhuǎn)和完全偏轉(zhuǎn)的概念。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過調(diào)整左右車輪的速度，自主探究并總結(jié)出小車車身偏轉(zhuǎn)方向與小車左右車輪行駛速度的關(guān)系。比如，小車車身位置部分偏左，說明只有小車左邊傳感器不在黑線上，通過增加小車右車輪的速度能夠讓小車車身完全回到黑線上行駛。而小車車身完全偏左，說明小車的左右灰度傳感器都不在黑線上。學(xué)生通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，可以通過同時(shí)調(diào)整小車左右車輪的速度來解決完全偏左的問題，同時(shí)小車左邊車輪速度要快于右邊車輪速度，從而讓小車車身完全回到黑線上繼續(xù)循跡行駛。同理，學(xué)生在此基礎(chǔ)上可以獨(dú)立解決小車車身完全偏右的問題。筆者認(rèn)為，如果學(xué)生掌握了某一類問題的解決方法，就能將其自主遷移到對(duì)新問題的探究中，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

（二）在遞歸中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，促進(jìn)素養(yǎng)提升

遞歸作為解決復(fù)雜問題過程中有效的方法與策略，可以有效降低問題的復(fù)雜度。比如，在“灰度傳感器的應(yīng)用”案例中，小車循跡項(xiàng)目的最終目標(biāo)是學(xué)生掌握灰度傳感器的使用方法。使用遞歸策略將項(xiàng)目分為兩個(gè)層次，即利用灰度傳感器實(shí)現(xiàn)小車循跡和提升小車自動(dòng)循跡駕駛的穩(wěn)定性，其實(shí)質(zhì)是掌握小車自動(dòng)循跡駕駛的穩(wěn)定性影響因素。比如，筆者設(shè)計(jì)了小車沿著黑線循跡行駛的基本項(xiàng)目任務(wù)，在項(xiàng)目實(shí)踐過程中引發(fā)學(xué)生思考小車車身位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)后該如何調(diào)整，以及小車發(fā)生完全偏轉(zhuǎn)后又該如何有效解決。通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)化探究，讓學(xué)生掌握小車左右灰度傳感器在黑線上的位置與小車車身偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，以及如何通過調(diào)整小車左右車輪的速度來對(duì)小車車身位置進(jìn)行糾偏。此外，在調(diào)整小車左右車輪實(shí)現(xiàn)小車車身位置糾偏的過程中，學(xué)生總結(jié)得出小車在循跡行駛過程中左右車輪速度等因素對(duì)小車自動(dòng)循跡駕駛穩(wěn)定性的影響等。因此，筆者認(rèn)為對(duì)項(xiàng)目問題的遞歸可以幫助學(xué)生更好地分解項(xiàng)目問題，對(duì)項(xiàng)目問題的本質(zhì)形成更加清晰的認(rèn)知。對(duì)影響小車自動(dòng)循跡駕駛的穩(wěn)定性因素進(jìn)行遞歸分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目問題的多層次分解，從而逐步深入問題的關(guān)鍵要素。