促进计算思维发展的初中开源硬件项目式教学实践

孔丽丽

摘要：本文在理解计算思维内涵和要素的基础上，通过分析开源硬件教学的特点，构建促进初中学生计算思维发展的开源硬件项目式教学模式，并以“植物监测仪”项目为例展开具体的阐述。

关键词：计算思维；开源硬件；项目式教学；教学模式

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）10-0042-03

初中开源硬件项目式教学模式设计

1.教学目标

Selby和Woollard博士认为，计算思维技能有五大核心要素，即分解、抽象、概括、算法和评估。[1]本文从计算思维的五大核心能力入手，通过构建开源硬件项目式教学模式发展学生的计算思维，具体达到的目标如表1所示。

2.教学模式

初中开源硬件项目的本质是在开源主控板的基础上搭配不同的传感器、执行器等，通过程序编写和硬件搭建，创作出具有一定智能的创意作品。其教学多以项目式教学的方式开展，即是以学生为主体，以小组合作为主要形式，通过完成一个完整的实践性项目而进行的教学活动。项目式教学流程一般包含选定项目、制订计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价等六个基本步骤[2]，笔者在开源硬件项目式教学的合适环节渗透计算思维要素，构建了促进计算思维发展的开源硬件项目式教学模式（如下图）。[3]

（1）“界定与分解问题”环节。①教师根据项目具体任务设置相应的现实问题情境，引导学生找出需要解决的问题。②学生根据教师创设的项目情境，发现并明确情境中需要解决的问题，将问题分解为几个便于解决的子问题。（发展分解思维）

（2）“制订方案和计划”环节。①学生根据上一环节对问题的分解，抽取出问题的本质，从信息科技的视角思考该问题如何解决，制订解决问题的方案。②在确定问题解决方案后，学生制订项目工作计划，确定完成项目需要经历的步骤、各自的分工及合作的形式（根据教师提供的时间要求和参考进度安排每节课的项目进度）。（发展抽象思维）

（3）“设计作品和算法”环节。①学生分工合作，设计作品的外形和功能结构。②在分析要解决问题的基础上，学生设计相应的算法，并用计算机程序语言编写对应的代码。（发展算法思维）

（4）“作品制作与调试”环节。①学生合作搭建作品外形，放置硬件，并将作品置于实际的运行环境，收集数据，执行指令。②根据反馈，不断修改、优化算法。

（5）“交流与评价”环节。①学生以小组为单位，上台展示作品。

②其他小组提出质疑或建议。活动评价一般包括教师评价、生生互评和自我评价。评价的内容包括学习内容的掌握情况、学生在小组学习中的表现、项目计划的合理性、项目成果的质量和成果展示表达等方面。（发展评估能力）

（6）“反思与迁移”环节。①引导学生回顾完成项目的过程，概括完成项目的整体流程，形成解决同类问题的通用思路。②教师提出与本项目类似的情境，学生通过设计解决类似问题的方案，完成算法的迁移与运用。（发展概括能力）

实践案例

1.案例说明

笔者参考教科版高中信息技术教材《选择性必修6 开源硬件项目设计》，将初中开源硬件项目分为实验模拟型、科学探究型和综合型三种项目类型。“植物监测仪”项目开展的目的是解决生活中人们无暇管理家中植物的问题，属于综合型项目。本项目使用图形化编程平台Mixly和Arduino开源硬件，搭配光线传感器、温湿度传感器、电机等，通过小组合作编程并搭建硬件，实现项目目标。在此之前，学生已经基本掌握了Arduino主控板和一些常见传感器的使用，会编写基本的程序语句。

2.教学实施

（1）界定与分解问题。首先，创设问题情境。教师提出问题：“很多养植物的人会因为出差、旅游或其他的原因，不能及时照料家中的植物，导致其枯萎、凋落甚至死亡。”学生通过讨论提出项目主题：制作一个植物监测仪，24小时全方位照料植物茁壮成长。

其次，引导学生分析问题，并给出问题分析表格。教师提问：“在进行项目制作之前，首先想一想做植物监测仪的目的是什么？它应该具有哪些功能？”学生分析情境描述，进行头脑风暴，得出情境中的核心问题：制作一个可以监测植物生长环境并能做出反应，使得环境始终处于适合植物生长状态的植物监测仪。该核心问题可以分解成如下几个子问题：①需要监测植物生长的哪些环境数据？②这些环境数据分别使用什么传感器来获取？

③植物的适宜生长环境是什么范围？

④当环境不适宜时，执行器等要做什么反应？

（2）制订方案和计划。①制订解决问题的方案。学生以小组为单位进行讨论，思考本组的植物监测仪可以具备哪些功能，并填入下页表2中。教师引导学生思考，利用学过的开源硬件的相关知识，制作一个有“智慧”的自动化控制系统，需要哪些传感器、执行器和驅动器等（对于不太清楚如何实现的功能，请学生上网查阅相关资料；对于无法决定的问题，可以询问教师，并完成如下页表2所示的植物监测仪设计表）。②学生制订项目计划。该项目的完成需要4个课时，每个课时学生都需要完成推进项目进展的阶段性成果。学生根据教师提供的时间和任务要求，在项目规划表（如下页表3）中记录每节课的项目进度、出现的问题及解决方法。

（3）设计作品与算法。①设计作品。学生分工合作，设计植物监测仪的外形和功能结构。画出植物监测仪外形的三维或平面设计图（标注尺寸及电子元器件的安装位置），并设想使用什么材料制作监测仪的外形。②设计算法。用流程图或者自然语言描述本小组预期实现植物监测仪功能的设计步骤。教师对学生设计的外形和算法进行评价与指导。

（4）作品制作与调试。①制作作品。作品的制作包括编写程序和制作外形两部分。根据前述设计的算法，连接电子元器件，编写程序上传到主控板。根据作品设计思路，使用合适的材料（如泡沫板、瓦楞纸等）拼装外形，并将已上传程序的硬件安装在外形的合适位置。教师呈现作品评价指标，学生对照指标在制作过程中不断调整作品。

②调试修改。学生收集一周内植物的生活环境数据，运行相应的指令，并根据反馈，修改和优化算法，调整相关参数。

（5）交流与评价。首先，学生以小组为单位，上台展示作品：①说明本组成员的分工；②解释设计思路；③说明制作过程；④展示植物监测仪的功能。其次，教师对学生的学习情况进行评价，同时各小组学生进行自评、互评。

（6）反思与迁移。学生完成反思报告：①概括完成植物监测仪项目的整体流程；②在完成的过程中，有哪些分工和流程可以改进；③作品效果如何，如何进一步完善；④小组的合作情况；⑤有哪些知识和能力上的收获。同时，教师提出“智慧大棚”的情境，要求学生设计解决问题的方案，迁移运用所学知识。

结语

本文以开源硬件教学为内容载体，从计算思维要素的角度，分析了如何促进学生计算思维的发展；在开源硬件项目式教学的合适环节渗透计算思维的五大核心能力要素，构建了教学模式，并在教学中应用。然而，计算思维核心素养的发展是一个长期积累的过程，因此，未来还需进行更多的教学实践。

参考文献：

[1]唐瑞，刘向永.英国中小学计算思维教育评介[J].中国信息技术教育，2015（23）：17-21.

[2]刘景福，钟志贤.基于项目的学习（PBL）模式研究[J].外国教育研究，2002（11）：18-22.

[3]闵芳芳，刘敏.我国计算思维教育的现状及启示[J].中国教育信息化，2021（17）：16-22.

基金项目：江苏省教育科学“十四五”规划2021年度青年教师专项重点课题“面向计算思维培养的开源编程项目式教学设计研究”（项目编号：C-b/2021/02/61）。