◇張建良（江蘇：太倉市雙鳳鎮(zhèn)新湖小學(xué)）

培養(yǎng)學(xué)生信息科技核心素養(yǎng)是信息科技學(xué)科全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人的根本任務(wù)。信息科技課程的總體目標(biāo)，是提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。其中，計算思維已成為中小學(xué)信息科技課程核心素養(yǎng)的重要方面。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、機器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展，培養(yǎng)具有較高計算思維能力的時代新人，適應(yīng)未來社會的挑戰(zhàn)，顯得尤為重要和迫切。

計算思維是思維方式的一種，是利用計算科學(xué)的基本概念和方法，結(jié)合工程思維、數(shù)學(xué)思維等多種思維方式和特點，進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的思維過程。關(guān)注問題解決方案的形成過程，強調(diào)在真實的活動體驗與實踐應(yīng)用中，發(fā)展學(xué)生利用信息技術(shù)思考與解決問題的獨特能力。

開源硬件是未來人工智能領(lǐng)域研究不可或缺的硬件基礎(chǔ)，計算思維是未來人才開發(fā)智能化設(shè)備的必備軟實力。開源硬件的編程學(xué)習(xí)，能夠更好地拉近虛擬和現(xiàn)實之間的距離，為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，特別是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，創(chuàng)造更適合的條件。下面筆者結(jié)合教學(xué)實踐，談一談自己的體會和收獲。

一、系統(tǒng)感知，滲透系統(tǒng)化思維

要嘗試運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設(shè)計系統(tǒng)性解決方案。計算思維具有系統(tǒng)化特征，教學(xué)中滲透系統(tǒng)化思維，發(fā)展計算思維，是實現(xiàn)此目標(biāo)的策略之一。

（一）系統(tǒng)感知原理，識別生活問題

計算機本身是一個軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，開源硬件編程學(xué)習(xí)，就是理解系統(tǒng)化思維的良好平臺。教學(xué)中，一定要重視學(xué)生對傳感器等硬件結(jié)構(gòu)及工作原理的系統(tǒng)認(rèn)識，讓學(xué)生自覺遷移到生活實例中，更加準(zhǔn)確地識別生活中類似原理的問題。在教學(xué)《超聲波測距》一課中，筆者為學(xué)生提供了視頻、圖示，幫助學(xué)生理解超聲波工作原理，還結(jié)合實物讓學(xué)生觀察結(jié)構(gòu)。在學(xué)生連接的過程中，幫助學(xué)生理解驅(qū)動安裝的重要作用。學(xué)生完整感知了系統(tǒng)原理，鍛煉了系統(tǒng)化思維，能更準(zhǔn)確地去識別、解釋生活問題，也為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計解決方案打下了基礎(chǔ)。

（二）系統(tǒng)體驗過程，設(shè)計解決方案

開源硬件教學(xué)的主要目的，是培養(yǎng)學(xué)生運用系統(tǒng)化思維，去設(shè)計生活中問題的解決方案。因此我們不能將該單元中每一課內(nèi)容孤立起來進(jìn)行教學(xué)，而應(yīng)該在不斷深入的方案解決中，有意識地引導(dǎo)學(xué)生建立解決問題的模型，形成科學(xué)解決問題的思維方式。筆者在完成《超聲波測距》一課后，引導(dǎo)學(xué)生梳理整堂課解決問題的過程，認(rèn)識原理。清晰的板書讓學(xué)生明確設(shè)計一個完整的問題解決方案的過程，更好地讓學(xué)生遷移到滑竿、搖桿傳感器的案例設(shè)計中。通過整個單元潛移默化訓(xùn)練，學(xué)生系統(tǒng)化的計算思維能力能得到更好發(fā)展。

二、實驗探究管理，強化數(shù)字化思維

計算思維是基于計算機技術(shù)解決問題的思維過程。計算機處理的最大特點就是數(shù)字化，轉(zhuǎn)化為數(shù)字更簡潔、更易于“計算”。開源硬件是連接計算機和現(xiàn)實的橋梁，在信息技術(shù)課上，它更能讓學(xué)生直觀地體驗到，用數(shù)字的變化可以描述客觀世界的變化，可以利用數(shù)據(jù)，通過算法編程，解決生活中的實際問題。

（一）開展實驗探究，增強數(shù)字化意識

在教學(xué)《用搖桿控制角色》一課中，筆者采用了兩人小組合作方式，用scratch 程序連接搖桿傳感器，研究搖桿撥向不同方向的數(shù)據(jù)變化，并記錄于表格中。通過探究，學(xué)生感知到搖桿動作的變化可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字的變化。獲得了有規(guī)律的數(shù)據(jù)后，就能進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生運用算法思維設(shè)計搖桿控制角色的程序。

對搖桿的操作靜止搖桿將搖桿從靜止逐漸推到最右邊將搖桿從靜止逐漸推到最左邊將搖桿逐漸推到最上邊將搖桿逐漸推到最下邊搖桿數(shù)值變化X= Y=X最終值是（ ）X最終值是（ ）Y最終值是（ ）Y最終值是（ ）

你發(fā)現(xiàn)了什么：

交流討論中的問題，解決認(rèn)知沖突，修正之前的觀點，發(fā)展計算思維能力。

還有如聲音傳感器、超聲波傳感器、光敏傳感器等，都適合開展此類探究活動，讓學(xué)生意識到將傳感器感知變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字的重要作用，從而能自覺地在解決問題之前，做好偵測傳感器的實驗。

（二）學(xué)會管理數(shù)據(jù)，提升數(shù)字化能力

在開源硬件設(shè)計的智能應(yīng)用中，我們會使用一個或者多個傳感器，每個傳感器在不同階段又會獲取不同的數(shù)值。在教學(xué)中，我們要有意識地培養(yǎng)學(xué)生存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)的方法和能力，為學(xué)生逐步建立大數(shù)據(jù)的思想，掌握數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，運用數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，更好地為算法編程服務(wù)，從而解決更加復(fù)雜的現(xiàn)實問題。

在利用scratch 進(jìn)行開源硬件的編程教學(xué)中，我們要有意識地讓學(xué)生根據(jù)智能應(yīng)用的場景，靈活運用數(shù)據(jù)模塊中的變量、列表這兩個功能來管理數(shù)據(jù)。例如，《用聲音控制小貓動作》一課是學(xué)生第一次接觸傳感器，我們可以設(shè)計這樣的問題：“在程序設(shè)計中，我們需要對實驗中偵測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，以更好地為設(shè)計算法服務(wù)。你想到用學(xué)過的哪個功能來實現(xiàn)？”引導(dǎo)學(xué)生使用變量來解決編程中的數(shù)據(jù)暫存問題。再如，在拓展教學(xué)利用聲音傳感器實現(xiàn)語音識別的智能設(shè)計中，需要對傳感器偵測的語音數(shù)值進(jìn)行連續(xù)記錄，引導(dǎo)學(xué)生利用scratch中的列表來記錄，幫助學(xué)生建立起初步的數(shù)據(jù)庫管理思想。

學(xué)生通過類比，在不同應(yīng)用場景的編程實踐中，運用合理的數(shù)據(jù)處理方式解決問題，不斷提高數(shù)字化思維能力。

三、計算編程調(diào)試，建構(gòu)算法思維

結(jié)合開源硬件設(shè)計方案，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，用計算思維的方式設(shè)計智能應(yīng)用，讓智能設(shè)備實現(xiàn)自動化模擬人類的行為，模擬人類的感覺和判斷，解決人們遇到的困難問題。這一過程中，學(xué)生良好的算法思維，是整個計算思維過程得以順利完成的重要保障。

（一）利用圖示梳理，表達(dá)算法結(jié)構(gòu)

培養(yǎng)計算思維，不能僅僅注重問題解決的結(jié)果，更重要的是，要重視學(xué)生解決問題的思維過程。思維導(dǎo)圖和流程圖是兩個非常有效的輔助工具，可以幫助學(xué)生構(gòu)建知識學(xué)習(xí)框架，直觀形象地表達(dá)算法結(jié)構(gòu)，鍛煉學(xué)生算法思維，提升計算思維水平。在《超聲波測距》一課中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用思維導(dǎo)圖，分析實驗探究的具體過程，預(yù)設(shè)過程中的各種可能，并將傳感器的偵測、角色的反饋等環(huán)節(jié)所需要的控件一一羅列出來，幫助學(xué)生形成清晰的知識結(jié)構(gòu)。對于要實現(xiàn)的智能測距感應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生用流程圖，直觀地將變量賦值、條件描述、結(jié)果反饋等環(huán)節(jié)，用基本的計算機程序結(jié)構(gòu)描述出來，為程序編寫和調(diào)試提供了藍(lán)本。

（二）借助數(shù)學(xué)思想，輔助算法建構(gòu)

利用開源硬件實現(xiàn)智能應(yīng)用，依賴于自動化算法。由于傳感器工作時總是轉(zhuǎn)化為數(shù)值，這就決定了在很多算法的建構(gòu)中，都需要數(shù)學(xué)思想方法的支撐。我們要讓學(xué)生體會學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要性，體會數(shù)學(xué)在解決程序算法問題中起到的關(guān)鍵作用。

在教學(xué)《滑竿接球》一課時，需要處理滑竿與角色在舞臺水平位置的對應(yīng)關(guān)系。這里需要使用數(shù)學(xué)運算，將滑竿的模擬數(shù)值轉(zhuǎn)化為角色的坐標(biāo)值。這對于學(xué)生數(shù)學(xué)理解能力的要求是很高的，當(dāng)然老師的講解還是必要的。在《超聲波測距》一課中，探究身高測量的算法時，學(xué)生往往只想到最直接的算法：將傳感器放到頭頂位置，測量頭頂至地面的距離。通過引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中身高測量儀的工作原理，他們能很快運用轉(zhuǎn)化思想，結(jié)合簡單的數(shù)學(xué)運算，設(shè)計出更科學(xué)的測量算法。除了數(shù)學(xué)運算外，“＞”“＜”“=”“且”“或”等數(shù)學(xué)邏輯運算的組合應(yīng)用，也是鍛煉學(xué)生算法思維的重要手段。

小學(xué)生的數(shù)學(xué)能力還不夠強，但是只要巧妙運用，簡單的計算也能創(chuàng)造出高效的算法，很好地促進(jìn)學(xué)生計算思維的發(fā)展。

（三）拓展統(tǒng)籌思維，優(yōu)化算法環(huán)節(jié)

引導(dǎo)學(xué)生調(diào)試出更好的程序，服務(wù)于開源硬件的高效運行，實現(xiàn)智能應(yīng)用，是我們開展此項教學(xué)的目標(biāo)。在程序調(diào)試中，面對各種問題，學(xué)生會存在不同的解決思路。教師要引導(dǎo)學(xué)生運用統(tǒng)籌思維，通過對比、篩選、歸納和綜合，優(yōu)選出能體現(xiàn)硬件優(yōu)勢、高效運行、還原真實生活的程序，發(fā)展學(xué)生計算思維能力。在教學(xué)《智能樓道燈》一課中，在學(xué)生初步實現(xiàn)亮燈程序后，引導(dǎo)學(xué)生思考并優(yōu)化程序，實現(xiàn)真實環(huán)境下的智能樓道燈。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲音突然變低時，燈馬上就滅了，會產(chǎn)生危險，于是他們通過討論，用添加等待控件的方法，延長燈亮的時間，解決了問題。在判斷燈亮條件時，有的學(xué)生使用“如果”的嵌套來實現(xiàn)，有的學(xué)生使用“且”的并列條件來實現(xiàn)。通過對比分析，學(xué)生明確了雖然結(jié)果相同，但是算法不同的，要學(xué)會根據(jù)實際情況選擇最佳的方法，以提高程序運行的質(zhì)量和效率。最后調(diào)試出的程序還要經(jīng)得起真實環(huán)境的檢驗，才能真正運用于生活。

四、開發(fā)優(yōu)化創(chuàng)新，發(fā)展工程思維

開源硬件編程的學(xué)習(xí)不止于程序設(shè)計，而應(yīng)著眼于產(chǎn)品的設(shè)計與制作。完成編程的學(xué)習(xí)后，我們可以為學(xué)生設(shè)計提供更多材料、組件，讓他們?nèi)ピO(shè)計開發(fā)一個真正運用于生活、學(xué)習(xí)的產(chǎn)品，去經(jīng)歷一個完整的創(chuàng)作過程。在不斷優(yōu)化產(chǎn)品的過程中，學(xué)生的工程思維可以得到不斷發(fā)展，能進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的提升。

（一）設(shè)計源自生活的拓展項目

比如，設(shè)計一個視力保護(hù)儀的創(chuàng)作項目。作品可以安裝在電子產(chǎn)品上，當(dāng)學(xué)生眼睛與電子產(chǎn)品的屏幕太近時，進(jìn)行提醒。

（二）提供創(chuàng)作所需的材料工具

除了必備的傳感器外，還要為學(xué)生提供如蜂鳴器、LED 燈、熱熔膠槍、樂高組建、3D 打印機等的材料，為他們自由構(gòu)思搭建提供更多可能。

（三）引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地優(yōu)化結(jié)構(gòu)

科學(xué)的結(jié)構(gòu)能讓產(chǎn)品的運行更穩(wěn)定準(zhǔn)確。如何將材料穩(wěn)定地固定在電子產(chǎn)品上？鼓勵學(xué)生根據(jù)實際情況去構(gòu)思和嘗試，以小組形式，根據(jù)電子產(chǎn)品外部特征去選擇合適的材料搭建，再對比討論誰的結(jié)構(gòu)更科學(xué)穩(wěn)定，直觀地融入工程學(xué)知識，如，凹凸槽口結(jié)構(gòu)、三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，更好地擴展學(xué)生的工程思維。

總之，在萬眾創(chuàng)新的時代，要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、全面提升人才的核心競爭力，計算思維能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。開源硬件的編程教學(xué)，為小學(xué)生編程教學(xué)提供了新的支點。它從生活的實際問題出發(fā)，把問題轉(zhuǎn)化為模塊的組合與搭建，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和模式識別的能力。它的可視化、模塊化特點降低了程序教學(xué)的難度，而且通過動手操作并與生活相結(jié)合的實例，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的算法結(jié)構(gòu)和程序的執(zhí)行過程。在實際教學(xué)中，我們要有意識地發(fā)展學(xué)生的系統(tǒng)化思維、數(shù)字化思維、算法思維、工程思維等，讓學(xué)生的計算思維能力得到不斷提高。