基于Arduino创客项目的中学生计算思维的培养研究

肖卿浪

摘要：随着社会与科技发展，信息技术被应用于社会各个领域。目前，传统的高中信息技术课程已经无法满足新课程理念。近年来在国内外，创客教育发展得如火如荼，各个地区与学校都在积极地开展创客项目与信息技术课程结合的教育模式，如何利用Arduino开源硬件项目培养提升中学生计算机思维的问题成为研究热点。基于该背景，本文借鉴国内外经验的基础上，探究基于Arduino创客项目的中学生计算思维的培养路径，以期能够为广大信息技术教学工作者提供一些借鉴与参考价值。

关键词：Arduino;创客教育;计算思维

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）35-0087-02

计算思维一直以来都是人们所想要去描述与追求的一种能力。从中国古代的算盘、算筹到如今的图灵理论与图灵机，都涵盖了计算思维理念。美国卡内基·梅隆大学的计算机科学系主任周教授对计算思维的概念给出了权威的解释：“计算思维实际上指的就是运用计算机科学分析问题、解决问题、系统设计等涵盖计算机科学之广度的一个思考过程。”根据此概念，学者Selby等人提出将计算思维分为五个核心概念，即1）算法思想;2）评价;3）分解;4）抽象化;5）归纳。随着时代发展计算机思维渐渐地受到广泛的认可，备受国内外教育工作者关注，并且逐渐应用于信息技术课堂教学之中。

21世纪初，新课程改革下高中信息技术课程也随之变革，增加了实践性课程且减少了理论性课程的比重，计算思维逐渐成为信息技术课程的培养目标之一，而传统的填鸭式教学模式难以取得有效的教学效果与质量，长此以往，学生普遍对信息技术课程失去兴趣与积极性，导致教学效率低下、效果不尽人意。近年来，创客教育在国内外备受关注，创客教育实际上是创新教育理念的传承，致力于培养学生的创新意识与思维能力。

创客教育的引进打破了教学瓶颈能够起到有效的教学作用，我国更是积极出台政策鼓励广大师生积极开展创客教育工作，例如李克强总理提出的“大众创业万众创新”以及教育部提出的“探索创客教育的新模式”都映射了创客教育以及其背后的创客文化。在新的《高中信息技术课程标准》中，更是提出了在信息技术课程中实现STEAM教育的理想，利用开源硬件设计项目提升学生的计算思维。由此可知，刨客教育与信息技术课程的融合已成为一种发展趋势。目前，我国常用的开源平台主要是Arduino、App Inventor等，但由于Arduino作为一款开源电子原型平台，拥有易操作扩展性强、无须学生掌握复杂的编程语言即可上手、能够进行创新应用设计且价格低廉等特点，笔者将其作为创客教育开展的主要开发工具，在此基础上探究基于Arduino创客项目以培养中学生计算思维的教学模式。

1 基本概述

1.1创客教育

创客源自“Maker”这一英文单词，其最初的定义来自美国的克里斯，他在《创客：新工业革命》书中将创客定义为具备一定技术，将挑战与创新转变为现实的拥有创新、交流等意识的人。关于这一定义众说纷芸，事实上关于创客的可以从狭义和广义两个角度来看待，通常从狭义上说是指一些酷爱科技、热衷实践、乐于分享，努力将创意转化为现实的人，而从广义上看则指的是创新之人皆可称之为创客。而笔者认为创客不仅仅代指一类人，还代表着创新精神与创新文化，由创客一词衍生出来的创客教育实际上就是指融入创客文化，教育工作者依照学生们的兴趣爱好，借助项目驱动，有效地使用数字化工具，引导学生深入探析问题本质、积极参与项目研究，以达到培养学生创新能力、思维能力、操作能力等目标的一种教学方式。

1.2Arduino

基于信息技术课程下开展创客教育通常使用到Arduino、树莓派、App Inventor等工具，本文选择具有开源、简单易学的Arduino开源硬件作为创客教育工具。Arduino是在初中高中阶段被广泛使用的一个开源硬件平台。它有着价格低廉、简单易学、开发方便、开放拓展等特点，其背后所倡导的开源文化也很符合计算思维与创客教育的核心。基于Arduino創客项目培养中学生计算思维必须将创客文化与开源文化涵盖在教学设计中，真正地提高学生的综合素养。

2 基于Arduino创客项目培养中学生计算思维

笔者结合国内外先进研究成果以及实际工作经验，借助Arduino开源硬件平台开展创客教育，构建以“学——创——造”为导向的基于Arduino创客项目教学模式，在这个过程中潜移默化的培养中学生计算思维，采用信息技术理论知识学习到创设情境确立初步设计思路与方案再到根据方案制造出创客作品这三个循序渐进的教学流程，逐步引导学生不断地开拓探究。

2.1“学”

开展基于Arduino创客教育之前，必须有扎实的信息技术理论知识作为奠基。因此，教师应当合理配置学期课程时间，将一部分的课堂时间用来讲解理论知识并且对Arduino的使用方式等进行介绍，使得学生能够掌握一定的网络技术应用能力、编程能力以及一定的资源利用能力。在完成理论知识学习部分之后创客项目的开展，一方面使学生能够在项目构建的过程中对理论知识查缺补漏，另一方面提高学习效率与质量。在教学过程中教师应当根据教材内容融合计算思维，把握计算思维的核心，即运用一系列计算科学的办法（包括约简、转化、仿真、递归、关注分离、启发式推理等）把一个看似复杂的问题分解成一个个能被解决的小问题，通过对这些小问题求解的组合，达到完成复杂问题求解的目的。因此，在理论学习阶段，教师应适当的通过启发式教学引导学生利用计算思维对教材内容进行自主探究学习。另外，由于中学生阶段对于信息技术课程的重视程度远不如语数英等主修课程。教师在“学”阶段可以采用翻转课堂的教学模式，延伸课堂教学，弥补课堂时间不足的问题。

2.2“创”

1）创设情境

项目的开始往往是通过对问题的思考，在一系列思考问题的思维活动中最终获取解决问题的方案，拥有问题意识是计算思维的前提。因此，在信息技术教学中，教师要结合学生的经历与实际生活经验创设有效的问题情境，利用问题将学生拉入情境中，设身处地地思考问题，唤醒与激发学生的思维。例如，教师可以依据大部分学生所能接触到的事物来创设情境，譬如说家里散乱的东西怎么能自动归置整理？如果全家出去旅行，家里花草没人浇水怎么办？如果想要自动进行垃圾分类怎么办？这一系列贴近生活的情境，在创设的情境中教师可以引导学生进行思考，分组后在小组中进行头脑风暴，共同讨论问题的重点以及如何解决问题，最终初步确定创客项目的主题。而在这一系列的思考过程中，学生逐一进行发现问题——分析问题——解决问题的活动，从而能够潜移默化地提高计算思维，开拓创新意识。

2）创建项目方案

计划和方案是项目开展的基础，教师应当引导学生正确创建项目方案。首先学生根据自己的想法以及确立好的创客项目大致确定制作的创客项目须具备的相关特性。接着通过对作品是什么？做什么？有什么用？这三个问题的回答，确定作品应该达到的功能有哪些。教师可以设计相应的创客项目方案表（如表1），将表格分发给各小组填写，指引学生讨论分工、项目起止时间、分析项目特点、用途、确定使用材料，要求学生画出作品设计图初稿并提交给。在此过程中，教师要参与小组创建项目方案的过程，给出必要的指引，帮助小组细化方案和步骤。

2.3“造”

计算思维包括了算法思维、评估、分解、抽象、概括等多种思维方式。教师在进行信息技术教学时，针对计算思维某一方面或多方面的思维培养通过结合教学内容开展基于Arduino创客项目教学活动，通过学生在完成创客项目的过程中逐步提高学生利用信息技术解决问题的能力，发展计算思维。目前我国的创客教学资源十分匮乏，中小学的创客教育教材数量稀少，而且以电子元件的操作步骤为主的教学内容居多。在学生根据项目设计方案进行设计的过程中教师需对这类资源进行整合，为学生提供丰富的视频、图片、文档、课程、工具软件、创作平台等，引导学生对初步设计中作品的主要构成器件进行实验，了解项目构成元素，线路的连接方式，确保器件能够正常使用。实验完成之后根据实验现象总结完成初步实验报告，并在此基础上完成作品细化，细化的内容主要包括中器件之間引脚的连接方式。最终在开发板Arduino中载入详细设计中设计的代码，经过不断调试，完成原型的搭建。在这个过程中，学生通过小组学习讨论，利用计算思维将创客项目分解成一个个有序的、详细的步骤，通过这些步骤以及问题的解决最终完成创客项目。教师在这个过程中应转变角色，积极引导学生，培养学生的计算思维以及利用理论知识解决问题的能力。

3 结束语

随着新课程改革，高中信息技术教学不再仅限于了解书本上的知识，除此之外，还应当培养学生的实际操作能力以及计算思维。近年来，创客教育备受关注，创客文化与教育相融合顺应时代发展对教育的需求。在高中信息技术课程中开展基于Arduino创客项目能够在项目完成过程中悄然无息的培养学生的计算思维，作为教育工作者，我们应该致力于将计算思维转换成学生的一种受益终生的能力，不断传播计算机科学的快乐、崇高和力量。

参考文献：

[1]王丹丹.Arduino创客项目计算思维特征研究[J].上海师范大学硕士论文，2016-05-22.

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[4]姜正梅.基于计算思维培养的高中信息技术教学策略[J].科学咨询（教育科研），2018.

[5]杨丽彬，项目教学法在创客教育中的应用——以Arduino创客教学为例[J].教育信息技术，2019.

【通联编辑：李雅琪】

收稿日期：2019-10-11

基金项目：运用“开源硬件项目设计”的中学生计算思维培养研究（项目编号：2018-G-1-1944）