PBL教学模式下分层导学的应用实践

张明

摘要：本文以教学实践为基础，阐述了如何通过项目推进，引导学生利用Scratch软件进行针对智能硬件的编程，实现诸如“节能智能灯”“温控自动风扇”等项目的创造，提高学生创新能力，使其体验成功的乐趣。

关键词：Scratch;开源智能硬件;分层导学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2019）06-0028-03

培养创新能力一直是新课标的重要理念，《小学信息技术新课程标准》中明确指出：要让学生具有应用信息技术的能力;要注重培养学生的创新精神和实践能力。引导学生发现生活中的问题，思考并寻找解决方法，使其以积极探索的态度，综合运用所学信息技术知识和能力，创造性地解决问题。

Scratch的模塊化编程教学引入小学信息技术教学，开拓了小学信息技术的新天地，使枯燥的编程教学变得生动有趣，一幅幅漂亮工艺画、一个个实用小程序、一个个趣味小游戏在学生的手中诞生，学生的创造性和想象力得到了很大提高。在此基础上，结合开源智能硬件，可以使学生的创造实体化、实用化、生活化，更好地发挥学生的创造性，以及解决实际问题的能力。

开源智能硬件与Scratch

开源智能硬件包含两个概念：开源硬件和智能硬件。开源硬件是继承开源软件的思想开发的，开源硬件的开发者将硬件所有资料包括原理图、零件列表等公开，任何人或组织都可以使用这些资料。而智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念，是指通过软硬件结合的方式，对传统设备进行改造，进而让其拥有智能化的功能。智能化之后，硬件具备连接的能力，实现互联网服务的加载，形成“云+端”的典型架构，具备了大数据等附加价值。简单来说，开源智能硬件就是可以依托软件开发系统进行编程，使之实现指定功能的智能化硬件产品。

Scratch软件是一款由麻省理工学院（MIT）设计开发的面向少年的简易编程工具。这款软件的特点是构成程序的命令和参数通过积木形状的模块来实现。其本身并不是开源硬件的软件开发工具。但是经过努力，结合自身产品，很多厂商都推出了带有硬件编程接口的Scratch软件定制版，这就为小学阶段实施基于Scratch的开源智能硬件编程打下了基础，也能为学生将来学习Arduino智能硬件编程做铺垫。

编程教学的实施

以“节能智能灯”项目为例，将整个教学活动分成如下页图1所示的五步。

1.合作讨论，提出项目

问题是开启任何一门科学的钥匙，恰当的问题是良好学习的开端。问题的发现要来源于生活，问题的存在本身就反映了生活中的某个需求。激活学生的问题细胞，让学生进入主动思考、发现问题的状态，激发学生的问题意识。

笔者在进行“节能智能灯”项目时，创设了“校长请大家帮忙解决学校用电比较浪费”的情境，引导学生观察学校里的灯具使用情况，小组讨论并思考，得出“设计一款可以人来亮、人走灭和白天灭、晚上亮的智能灯具”的项目设计思路（如图2）。

在整个项目的提出和设计的过程中，教师只是一个旁观者、引导者。观察、设计都由学生分组合作完成，培养学生的分析能力和项目设计能力。由于学生的能力不同，教师要对小组内成员进行合理分工，让他们分别负责如观察、讨论分析问题、设计图纸等不同任务。

2.依据实际，分析需求

在完成项目整体设计和流程图设计的基础上，教师要根据学校的开源智能硬件配备情况，进行需求分析，如采用怎样的智能硬件进行编程，可以实现项目设计时所要达成的功能。

本项目中，在学生完成项目设计和流程图设计后，根据需求，笔者决定以智能开发板为基础，综合利用光线感应器、人体红外感应器等智能硬件，来实现指定功能（如图3）。

在项目需求的分析中，教师的角色转变为“推销员”，介绍本校开源智能硬件的配备情况及其功能，由学生自主进行分析，哪些硬件可以实现本项目所需要的功能，如果编程，该怎样进行。经过这样的锻炼，学生的分析能力和利用资源解决实际问题的能力得到了培养。

3.自主编程，实施创作

软硬件都确定以后，接下来就可着手引导学生进行项目的实际编程。编程的过程分为两步，一是设计程序流程草图，确定程序的整体结构和需要用到的模块，二是据此进行实际模块化编程。由于学生的程序设计和理解能力差别较大，笔者在教学时采用了分层导学，对不同学生提出不同设计要求，力求实现所有人都有所收获、不同的人在学习中有不同的收获。

本项目中，学生先是进行了程序流程图设计，利用两次判断架构进行功能的实现，然后进行了实际的程序设计：当绿旗被点击—判断光线感应器值是否大于200—是（灯灭）—否（判断人体红外感应器的值是否大于200）—否（灯亮）—是（灯灭）—等待60秒—程序重复（如上页图4），学生程序作品如上页图5所示。

通过先设计后制作的编程过程，引导学生意识到凡事预则立不预则废，树立设计意识，为学生创造想象空间，有效提高学生的设计规划技术和实际编程能力。

4.回顾反思，优化产品

比尔·盖茨曾经说过，“没有什么东西比成功更能增加满足的感觉，也没有什么东西比成功更能鼓起进一步追求成功的努力”。当学生完成项目的程序设计以后，实际教学中不应满足于现状，而是应该将其作为拓展教学的契机，引导学生思考如何进行程序或产品的优化，来更好地解决生活中的实际问题。或者让学生互相进行讨论，提出对产品的意见或建议，拓宽学生的思路和设计理念。

本项目设计中，学生完成整体程序设计后，基本掌握了两次判断架构的程序设计和光线感应器、人体红外感应器的应用。在此基础上适当放手，给学生自由发挥的空间，引导学生举一反三，拓展能力，将知识迁移应用，运用已有知识结构优化或者开发新工具。例如，通过判断值的改变更精确地进行外界光线明暗和人体感应的判断，防止出现误触发;通过等待时间的精确设计实现不同地点亮灯时间的不同变化，更好地节约能源等。

通过分析，引导学生对解决问题过程中的思路和所使用的策略进行反思，通过不断的反思进行提炼整合，从而产生解决实际问题的有效策略，使方法实现最优化。而解决问题的教学不应把实现功能作为唯一教学目标，而应把眼光放在培养学生能力上，发展学生问题意识、策略水平和元认知水平，最终实现发展学生的创造力。

5.分享作品，享受成功

任何一个作品都是集体智慧的结晶，在完成作品的过程当中，学生们在物质上分享资源，在精神上分享知识和成功的喜悦。这种分享精神有助于培养学生的合作意识，有助于其以后更好地融入社会。

项目完成后，在教师的引导下，各小组之间进行了作品共享，学生互相欣赏作品，提出自己作品的设计思路，发现对方作品中的亮点，进一步思考如何优化自己的产品。互相的讨论迸发了智慧的火花，互相的欣赏使他们收获了成功的喜悦。

基于Scratch的开源智能硬件编程紧随最新的科技发展潮流，采用了最适合小学生学习的模块化编程学习法，经过一学年的教学，学生完成了多个用于解决实际问题的程序和硬件作品。接下来，笔者要将教学活动整理编撰，设计主题教学活动，力争实现教学内容科学化、实效化、教材化。

参考文献：

[1]浅谈Scratch平台下学生四个意识的培养[EB/OL].http：//www.docin.com/p-1396140035.html.

[2]廖巍.终于轮到开源硬件了[EB/OL].http：//www.docin.com/p-1136545648.html.