基于计算思维培养的高中信息技术教学策略研究

周智敏

摘 要：计算思维作为高中信息技术学科的核心素养之一写入了《普通高中信息技术课程标准》（2017年版）中，彰显了培养发展计算思维的必要性和重要性。在信息技术新课程结构中选择性必修模块6设立了“开源硬件项目设计”，意在引入新的教学平台与载体，激发学生的创新意识和兴趣。本文以提升学生的计算思维为目标，通过“开源硬件项目”教学的实践，探索行之有效的教学策略，为高中信息技术教师开展相关的教学提供了一定的指导和借鉴。

关键词：计算思维;开源硬件;教学策略

在高中新课程标准颁布之后，作为信息技术学科核心素养之一的计算思维得到了空前的高度关注，信息技术课堂可以说是我国基础教育阶段培养学生计算思维的主阵地。除了常规的基础知识与操作技能的教学外，对学生计算思维的培养和发展可谓是重中之重。计算思维就是用计算机领域的思维方法来界定问题、抽象特征、建构模型和组织数据，运用计算思维解决一系列问题的过程和方法，并迁移到相关的其他问题解决中[1]。具备计算思维能力的学生在解决真实问题时，能运用信息技术学科的知识与方法去分析问题，查找问题根源，制订计划并解决问题。计算思维的培养不仅局限于解决问题的能力，它是在使用计算机解决问题的过程中形成的一种思维方式，是一种分析性思维，也是一种批判性思维、创造性思维。

信息技术发展的重要体现之一是近些年来涌现出一大批开源硬件。作为当下连接数据世界与现实世界载体之一的开源硬件在一定程度上突破了专业领域的围墙，人们可以基于开源硬件很方便地根据自己的设计制作出具备一定功能的信息系统。因此，“开源硬件项目”设计已被列为信息技术课程结构中选择性必修模块6，意在信息技术课程中融入新型的教育模式与平台，提高学生动手实践与创新的能力，体验开源硬件作品的创意、设计、制作、测试运行的完整过程，形成以信息技术学科的方法观察事物和问题求解的能力。通过开源硬件的学习有效激发学生创新的兴趣，不断在“设计→尝试→→验证→优化”的迭代过程中发展计算思维。本文以“开源硬件项目”为例，依托高中信息技术教学，旨在探索培养学生计算思维的有效教学策略。

一、高中信息技术教学中培养计算思维的重要性

随着现代科技的发展，信息技术也在飞速进展，人们面对的问题日趋多样性，这就对个人解决问题的能力提出更高的要求。作为一种思维方式，计算思维是帮助人们解决在现今社会求职工作、学习与生活中一些问题的重要手段，它运用崭新的视角来帮助人们前行。

由于学生的认知能力不同，信息技术教育教学的培养方式和内容标准也应有所不同。高中信息技术教学不能仅停留在简单的技能操作层面，需更多地关注学生在解决问题过程形成的思维方式。计算思维的提出对高中信息技术教学提出了全新的目标和要求，在素质教育深入发展的背景下，单纯的知识理解和技能操作已无法跟上时代的步伐。教师要更重视对学生进行思维能力的培养，帮助学生形成发现问题、创造性地思考问题，以及清晰地表达解决方案的能力。新课标中将培养学生的计算思维作为要求之一，无疑是计算思维越发受到高中信息技术教育关注和重视的一种体现。

作为一种行之有效的学习工具，计算思维能提高学生概括、掌握、灵活运用知识和择优解决问题的能力，是信息化时代人们必备的思维方式。计算思维的价值不仅体现在计算机科学学科之内，同时对其他学科学习乃至社会发展都具有普遍意义。培养计算思维无论对社会发展，还是对学科发展及个人发展都具有重要价值。

二、高中信息技术“开源硬件项目”教学设计——RCJ（RescueLine）

目前在众多开源硬件中，以Arduino、MicroBit、OpenMV和树莓派这四款最具代表性，这四款开源硬件都拥有良好的兼容性，支持丰富的控制器、传感器等其他外接元器件，集图形化编程、开发板实体操作于一体[2]。目前在国内外中小学中运用较为广泛的是Arduino系统，在教学过程中，其优点在于简单，易上手，为学生体验技术与设计带来快乐，培养其发现问题、分析问题、解决问题的能力。在“开源硬件项目”教学中学生不仅能够接触算法与程序的知识，发展计算思维能力，还能够触摸到程序运行的物化结果，避免了单纯的程序设计知识所带来的枯燥体验，有效调动了学生学习兴趣[3]。

RCJ全称RoboCupJunior，即青少年机器人世界杯。RescueLine项目要求自主设计一个智能设备，完成从巡线开始，到避开障碍物，直至营救人质的任务。显而易见，利用开源硬件和各类传感器组装一辆智能小车，完成各个子任务是最佳的选择。

教师引导学生设计并拼装智能小车，其主要部件有ArduinoMega2560主控板、電机、电机驱动、LED灯、四路巡线传感器、RBG颜色传感器、触碰传感器、8*8矩阵显示屏、按钮、开关、电池组等。通过实现各个子任务来使学生习得开源硬件及各种传感器的知识。经过一个学年的教学实践，已初步形成了基于开源硬件Arduino平台的RCJ（RescueLine）项目系列课程，并总结出一些行之有效的教学策略。

三、高中信息技术“开源硬件项目”教学策略

（一）创设项目问题情境

项目的设计，首先要有真实的问题情境。真实情境的创设说起来容易做起来难。比如，很多的问题对学生已有知识的掌握难度较高，这就需要教师剥离无关细节，提取教材中的重点内容，凸显情境要素，帮助学生在问题情境中发现、分析、解决问题[4]。

在决定用RCJ中的RescueLine项目设计开源硬件教学时，主要原因是RescueLine项目自带了真实的问题情境。RescueLine的含义为轨迹救援，问题情境是在一次救援任务中，由于救援人员无法到达救援现场，需要有一个能自主控制的智能设备，沿着轨迹进入救援现场，实现营救伤员的任务。在整个过程中，要实现多个子任务。

教师将解决方案进行了梳理和编排，融入了开源硬件设计和算法与程序实现的相关知识和技能，以项目化选修课程的形式呈现。第一阶段共4个单元：小车初始，小车运动，小车避障，小车识色。使学生能切身体验到硬件与软件的完美融合，享受解决真实问题、完成项目任务的成就感。

（二）提供项目指南支架

在项目的实施过程中，教师应为学生提供必要的项目指南与支架，包含项目的背景资料、学习资源等内容，也可以是辅助类型的教具。项目指南与支架的设计，首先要服务教学目标，重点解决教学过程中产生的问题，如流程图搭建教具。在设计算法阶段，流程图是展现学生思维的最佳工具，但流程图往往受限于绘制时间长、修改难、展示不便等缺陷，没有发挥出其应有的效果。因此，在开源硬件RCJ（RescueLine）项目任务的小车运动单元中，教师自制了流程图搭建教具，在一定程度上改善上述缺陷。流程图搭建教具，由磁性白板、磁条、空白流程图或内容已定的流程图（供学生选择，根据每一节的教学内容做相应的调整），以及部分固定流程图等组成，让学生在白板上根据自己的思维，迅速做出调整，准确高效地描述出自己设计的算法。既避免了徒手绘制的不便，又直观形象地呈现了学生的思维，同时还提高了课堂效率，让学生更专注于去分析问题，把问题抽象化、模型化，设计计算模型，最终通过算法与程序来解决问题。

其次，项目指南与支架的呈现要遵循科学和生动相结合的原则，体现知识的科学性与严谨性，避免给学生带来误解与肤浅的理解。要以学生认识特点和理解水平相匹配，对内容进行加工，要通俗易懂、生动有趣，激发和保持学生持久的兴趣和注意力，同时避免喧宾夺主。如，为避免过多底层编程和细节，使学生能够迅速便捷地写出对小车的控制程序，教师编写了基于此小车的底层库，其中包含一些基本方法，如motorrun（x，y）前进，（stopMotor）停车，（rotateL（x）原地左转，back（x）倒退等，学生只需在ArduinoIDE中调用这些基本方法即可。

指南与支架不应是知识点的“游乐场”，而应是各种案例和资料的聚集地。通过在指南与支架中预设相关内容，关注在学习过程中学生的思维是否被调动，注重学生在学习过程中能否积极调动思维，能否进行对问题的深入探究，使学生能在教师的启迪下完成对问题的抽象与建模。为培养计算思维能力迈出重要的一步。

在教学实践中发现，由于开源硬件的难度较高，部分能力较弱的学生游离在外，同时还存在“拿来主义”的现象，照搬他人的解决方案，缺少独立思考。针对这样的问题，建议采用小组合作竞争机制的教学策略。

（三）建立合作竞争机制

分组活动竞争，方便教师因材施教，也有利于学生的交流合作。通过合理的小组分配，能帮助学生提高组织管理及表达能力，同时在解决问题方面做到集思广益，并在良性竞争的环境下，强化个人的学习动机，有效提高教学活动效率。

在RCJ（RescueLine）的挑战任务中，任务要求：实现智能小车从起点拼块出发，逆时针或逆时针巡黑线一圈（随机），途中绕过障碍物，回到终点拼块，原地停车。每2位同学为一组，设计并分享你们的解决方案，先分享的小组对此方案拥有使用权，其他小组未获得同意不能使用此方案解决。如此设定的目的是防止“拿来主义”，当然若某小组有多种解决方案的情况下，也保留了分享使用的可能性。

通过之前的课程学习，学生都已明白，解决方案的关键之处就是如何判断智能小车是顺时针还是逆时针巡线。此时便能够检验出学生的计算思维素养如何了，能不能灵活运用之前所学的计算机学科领域的知识和方法，通过把问题特征抽象化、解决方案模型化、算法程序自动化来实现问题的解决[5]。

高中学生已经有了一定的合作竞争意识，教师可以设计一些适合分组的任务，将学生分成不同的小组，将教师指导、交流讨论与学生自学有机结合。在小组讨论过程中，不同学生的奇思妙想相互交织在一起，形成一种崭新的思维，使学生从各自意想不到的角度重新审视所讨论的命题。组内搭配合作，既能保持个人敢为人先、不甘落后的进取精神，又能树立集体协作、团结合作的观念，促使组内成员面对同一目标互帮互助，共同促进，达到珠联璧合、相辅相成的目的。分组后组间自动会形成竞争机制，在组间相互竞争的過程中学生会形成强烈的集体意识，为荣誉而“战”，形成良性竞争，提高学习热情。

采用了小组合作竞争机制的教学策略后，使得原来游离于外的学生也回归到课堂中来，与同组的学生共同商讨解决方案。即使其思路、想法有些偏离也没有关系。每个小组都在想方设法地寻找与他人不一样的解决方案，这样使得课堂中的“拿来主义”减少，课堂中充满了计算思维的“味道”。通过小组之间的良性竞争，激励学生在有限的时间内集中精力完成活动问题的解决，并分享解决问题的思路和方法，教学氛围非常活跃，课堂实践效果比较好。共7个小组的课堂，最终呈现出了8种不同的解决方案。

（四）积极反馈提升自信

通过对教学实践进行观察与分析，发现当任务难度有所增加，部分学生遇到无法解决的问题时，通常会产生畏难的情绪，变得急躁或放任自流，失去原有对答案的探索之心。面对这样的学生，爱默生说过，自信是成功的第一秘诀。教师应以激励的方式让学生树立自信，以自身的信任促进学生自信，以科学合理且积极的评价增长学生的自信。拥有自信的学生，面对困难，不畏艰险，勇于探索，有助于提升学生学习的积极性，提高解题能力。

在教学实践之前，大多数学生对陌生的开源硬件有着恐惧心理，但是通过RCJ（RescueLine）项目的学习，学生表示开源硬件没有想象中那么难，并且想要继续深入学习。在遇到问题时，有了分析问题、抽象模型的意识，使学生的计算思维得到了发展和培养。

结束语

通过创设项目问题情境，提供项目指南支架，建立合作竞争机制，积极反馈提升自信等教学策略，使课堂变得多姿多彩，充满生机，每一位学生都能在其中吸取营养，得到成长。在发现问题、分析问题、解决问题等环节逐步发展和培养学生的计算思维。当然，在实际的教学过程中，还需根据教学内容、教学环境、学生的具体情况等因素综合考虑，选择适当的教学策略，真正做到因材施教，因生施教。只有合适的，才是最好的。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社：6.

[2]刘莹昕，牛宝裕，石伟，等.基于计算思维培养的中小学开源硬件课程开发探究[J].中国教育信息化，2020（18）：75-79.

[3]刘伟善.Arduino开源硬件在高中信息技术教学中的应用[J].教育信息技术，2019（4）：11-13.

[4]赵福生，刘力.基于谷歌计算思维课程的中学生计算思维培养策略[J].现代计算机，2020（33）：104-108.

[5]张立国，王国华.计算思维：信息技术学科核心素养培养的核心议题[J].电化教育研究，2018，39（5）：115-121.