小学Arduino教学中培养学生计算思维的实践研究

严明岗

摘要：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，是信息技术教学中需要培养的核心素养之一。笔者以《智能电动车停车场》为例，在本文中探讨了小学Arduino教学培养策略及其带来的成效，并进行了反思与展望。

关键词：计算思维;Arduino教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）S2-0041-04

课题研究的背景

1.课题的缘起

案例：笔者在Arduino课程《点亮LED》的教学中发现，当教师教学了点亮一个LED后，学生基本都学会了。但当笔者请学生同时点亮两个LED的时候，很多学生都一片茫然，不知道如何下手。他们不知道怎么连接硬件，更不要说进行编程了。

这种情况在小学Arduino教学中经常发生，学生在教师的指导下，跟着教师操作很快就学会了，但让他们去自主探究尝试制作往往效果不佳。可见，在Arduino教学中，学生自主学习的能力有待提高。

2.现象透视

从2016年至今，笔者所在学校作为区机器人试点学校开展Arduino机器人教学已有多年。如何让孩子们在有限的课堂上，学到更多的知识，掌握更多的技能，一直是笔者苦苦思考的问题。但事实上，像上面案例所说的一样，很多时候学生掌握的知识只在表面，碰到一点点困难，他们就望而却步，不肯深入地去学习。在小学Arduino教学中，笔者主要发现了以下几个现象：一是学生的学习兴趣不高;二是学生的学习耐心有待提高;三是教师对课堂教学的认识不足。

从以上三种现象可以看出，要提高学生的自主学习能力，必须寻找一种非常有利的教学策略。

3.计算思维的重要性

计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动，它是一种解决问题的方法，这种思维是将一个看起来困难的问题分解成一个个简单、具体的问题，并且利用所掌握的计算知识找出解决问题的办法。它与“信息意识”“数字化学习与创新”及“信息社会责任”等共同属于中小学信息技术学科核心素养的核心内容。

在学校启发潜能教育理念的指导下，学校将Arduino教学引入到信息技术课程体系中，作为培养和发展学生计算思维的主要落脚点。为了提升学生的计算思维能力，本课题以Arduino教学为平台，开展基于计算思维的培养策略研究，以期改善Arduino教学中教师对学生计算思维培养不到位、学生计算思维发展有限的现状，为提升学生的思维能力提供可借鉴的实践策略。

课题研究的设计

1.研究目标

学生目标：通过培养和提高学生的兴趣、意识和能力，提高学习效率，全面提高学生的信息素养;关注学生的学习，发展学生立体空间思维，激发学生充分发挥想象力、创造力，培养学生的计算思维。

教师目标：解决教师在Arduino教学中遇到的问题，改进教师的教学方法，践行有效课堂，提升课堂教学效率;拓展教师的研究平台，提升信息技术教研层次，提高教师教育科研能力，带动并促进教师个人教学风格的形成，引领教师的专业化发展。

2.研究过程

本研究以小学Arduino教学为依托，在项目式学习和计算思维的相关理论基础上，结合项目式学习的特点和计算思维的培养目标，提出培养策略，构建了面向计算思维培养的项目式学习活动设计方案，再将该设计应用到小学Arduino教学实践中，验证其教学效果。

本文采用教育实验法、访谈法、调查研究等方法进行实验研究，通过教师访谈和信息技术水平调查来分析现状，以便较好地开展教学实践活动。之后通过测试题和作品分析等了解学生知识学习、解决实际问题和创造力、协作能力等学习情况和教学效果。

面向计算思维培养的项目式学习既能够保证学习者掌握计算概念知识，还可以培养学生运用计算思维方法解决课程问题和生活实际问题，培养学科观念、计算思维态度，最后将这种综合思维能力迁移到更广的领域。

课题研究的策略

在Arduino教学中，需要以“人的需求”为中心创设真实的问题情境，以学生参与为主要的活动形式，教师需要帮助学生掌握“做”的过程中一些必备的探索工具，培养学生用计算思维解决和处理问题。

1.调查研究，激发思维

学习源于生活，学习也是为了让生活更美好。Arduino教学必须运用生活中的現实情境，让学生有更大的成就感。因此，笔者让学生寻找身边的问题，从解决问题入手，开展Arduino教学。

例如，学生发现在一些商场、地铁站附近的电动车停车场里，车辆的乱停乱放严重影响了市容市貌。电动车停车场里经常是处于超负荷运转，明明只能停100辆左右的电动车，却偏偏停了150辆左右，很多车都是挡住了其他的车辆。到了需要开走电动车的时候，车主是苦不堪言。特别是一些女生，力气小更加不容易推动电动车，这样的现象屡见不鲜。

如何解决这个问题，学生从汽车停车场得到启示，策划了“智能电动车停车场”项目。也许，有人会觉得这样的项目没有新意，纯粹时模仿，但笔者认为，模仿是创新的基础，学会了模仿，才会有创新。

2.分析项目，分层思维

在笔者的引导下，学生思考以下问题：怎样制作这样一个项目？整个项目可以分成几个部分？每个部分中包含什么？它们之间有什么样的联系？

例如，在“智能电动车停车场”中（如图1），学生认为首先要寻找合适的硬件，进行连接，再进行编程和调试，最后成型。这样的思路的确是很清晰的，学生也知道了需要使用的一些硬件（如图2）。

通过将一个整体程序拆分成多个小的模块，让学生在分解的过程中逐步渗透分层思维能力。

3.分析实例，具化思维

笔者根据项目，让学生通过小组讨论的方式用自己的语言描述动作，找到相对应的动作指令，学生通过这一系列的动作分析能初步掌握要实现功能该怎样搭建硬件。

4.作品搭建，培养思维

在学生已经了解设计思路的基础上，笔者尝试让学生把整个作品设计更加清晰地展现出来，这样，学生再去搭建脚本的时候不仅能够轻松地实现各硬件的动作，而且能快速理清各硬件之间的联系怎么实现。例如，在操作入口和出口的舵机时，明显是不同的，出口的舵机头朝外，入口的舵机头朝里。根据不同的需求，来连接硬件，合理地放置舵机的方向，以实现我们需要達到的目的。通过这样的方式，学生的思维得到了有效培养，学生的执行能力也得到了提升。

5.分解对比，优化思维

通过对教师提供的实例进行模仿，在改进的过程中他们会发现不同的脚本积木搭建的角色效果会不同，通过这样的思考、搭建过程，渗透算法。

通过调整脚本积木的搭建顺序，学生知道脚本积木顺序不同则角色的运动过程也不同。

例如，从上述案例中，我们可以发现优化后车辆的数量会随着车辆的进入而改变，当数量达到饱和状态时，车辆就不能够进入停车场，车辆的数量也不会随着车辆的全部离开变成负数，从而实现了控制车辆的目的。

在学生掌握了基本的脚本积木后，让学生通过展示、交流发现哪种方法更合理，从而对编程的优化思想有进一步的认识。

研究的成效

1.提升了课堂效率

很多时候，教师非常希望通过拓展性课程，让每一位学生都得到成长，基于计算思维的小学Arduino教学，很好地解决了教师在Arduino教学中遇到的问题，改进了教师的教学方法，提升了课堂教学效率。

2.优化了计算思维

关注了学生的学习，发展学生立体空间思维，激发学生充分发挥想象力、创造力，培养学生的计算思维。很多时候，学生是不知道怎么去做的，或者说怎么做才能做的更好，通过教师一系列的学习安排和引导，他们对计算思维的理解有了一定的提高，并且知道了计算思维与生活是息息相关的，可以运用计算思维帮助我们更好地生活。

学生知道了计算思维不仅仅是计算那么简单，学习计算思维是为了更好地处理生活中碰到的问题。在学习过程中，学生很有成就感，觉得这可是自己亲手设计出来的作品，非同一般。

反思与展望

Arduino教学是信息技术课程的拓展，在不断的摸索学习过程中，既给了学生新的体验，也让笔者看出了教学环节也有设计不当的地方。

1.打好基础，必不可少

学生对每个积木件的功能都已经知道了，但是对积木件的灵活运用还不够，运用能力还有待提高，在平时的教学中要引导学生灵活运用，这样学生在设计新作品的时候，操作起来就灵活有余了。

2.策略运用，迫在眉睫

教师对学生计算思维的培养策略运用不自如，因此在教学时不能很好地把握好“度”，即在运用计算思维培养时，不能很好地顾及“点”和“面”。有时一整堂课的某一个教学片断，渗透了计算思维的多个培养方法，有点顾此失彼的感觉，这就提醒我们，作为教师应对教学环节和计算思维方法有足够的把握。这是我们目前遇到的最大的困难。

3.培养思维，由点带面

计算机解决问题的过程和人类解决问题的过程最大的区别在于，人类有大量的包含个人禁言在内的隐性知识，而计算机在解决问题时，要求有清晰的问题定义和描述，通过对问题的层层抽象，将学生的隐性知识显性化，将思维过程可视化，只有不断对计算机思维能力进行强化和训练，思维能力才能得到提升。

4.奖励评价，势在必行

奖励是特殊的评价，它对学生的学习动机起到鼓励作用，恰当地使用奖励，能提高学生内部学习动机。对表现优秀的学生进行表扬和奖励，能在很大程度上培养优秀学生的成就动机，对表现一般的学生进行表扬和奖励，能提高和改善他们的成就动机。

5.创新立意，亟须加强

学生在创作作品时虽然有创新的成分存在，但大部分还停留在对传统的改进过程中，他们并没有将编程与实际生活联系起来进行创作，也就是说学生的思维没有分散开来，这是我们在今后教学中应加强培养的方面。

学生计算思维的培养是一项需要长期坚持的工作，我们应不断地改善教学策略，提高学生学习的热情和积极性，让每一位学生学会创造性地思考，从而达到更好地培养学生计算思维的目的。

参考文献：

[1]张伟.基于机器人教学培养初中生计算思维的作用探究[J].课程教育研究，2019（07）.

[2]王琦.中小学生计算思维能力的培养策略[J].科教导刊（下旬），2019（07）.

[3]李丰叶.例谈面向计算思维的小学信息技术教学策略[J].中国信息技术教育，2019（08）.