基于开源硬件的小学图形化编程教学策略研究

王东

摘要：基于开源硬件的小学图形化编程教学是信息科技核心素养在教学中达成的重要途径。作者以苏科版五年级《声音控制小猫动作》一课为例，以《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》为指导，在软硬件选择、教学内容处理、教学目标设定、过程设计、目标达成途径及教学注意事项等方面展开了实践研究，以期探索出类似内容的一般教学策略。

关键词：开源硬件；图形化编程；信息科技；新课标；声音传感器

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）10-0036-03

基于开源硬件的图形化编程属于《江苏省义务教育信息技术课程纲要（2017年修订）》“算法与程序设计”模块的内容。该内容在教学安排上是小学五年级的课程，是学生在图形化编程学习过程中接触开源硬件Arduino的升阶课程，也是六年级机器人等相关课程的衔接课程。在配套的教师用书中，江苏省中小学教学研究室建议教师在教学中，应注重计算思维方法的教授，注意模块对语言意义的解释，應结合生活实践，让学生建立完成任务之前必须有规划的意识，理解流程图在规划中的作用。基于此，笔者为更好地在小学信息科技教学中开展基于开源硬件的图形化编程教学，并将《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）落实到教学中，结合教学实践展开了教学策略研究，具体如下。

开源硬件与图形化编程软件的选择

在开源硬件方面，笔者选择的是所在地区所研发的编程测控板套装。它的优点是把教学中要用到的传感器集成在测控板上，且连接稳定。在图形化编程软件方面，笔者综合考虑了软硬件的兼容性、稳定性及后续学习的延续性，在实际教学中采用Mind+作为图形化编程平台。

图形化编程教学内容的处理

《声音控制小猫动作》是苏科版小学信息技术五年级第14课的内容。本课主要内容包含两个方面，一是认识开源硬件Arduino，二是学习使用声音传感器。利用声音传感器获取外界中的音量值，利用音量值来控制小猫的运动。当传感器获得的声音越大时，小猫的速度会越快。新课标指出，第三学段（5～6年级）学生在学习身边的算法时要借助学习与生活中的实例，体验身边的算法。为此，笔者设计了运用声音传感器给“青蛙王子”喊加油的学习任务情境，让学生在玩中学、学中研。

图形化编程教学目标的设定

信息意识：①了解Arduino硬件的结构，知道信息的获取方式；

②分析出动画中的角色及流程，培养信息意识。

计算思维：①掌握传感器数值的获取方法，并对数据进行转化，满足程序要求；②根据动画构建流程图，再通过搭建脚本的方式实现。

数字化学习：①阅读说明，按步骤实现Arduino测控板的软硬件连接；②合作学习，学会根据要求找到合适的控件实现功能。

信息社会责任：①通过学习，形成生活中的物体可以成为计算机输入设备的意识；②体验Arduino开源硬件的强大魅力，培养创新、创造能力。

教学重点：①能够将测控板与Mind+图形化编程软件连接起来；②掌握获取声音传感器值的方法。

教学难点：①分析动画，设计相应的算法，搭建分支流程；②将获取的传感器数值应用到程序中；③根据程序需要对声音传感器数据进行处理。

图形化编程教学过程的设计

笔者结合教学目标，在过程设计上采用了“提出问题—分析、解决问题—巩固拓展—课堂小结”的步骤。“提出问题”在情境导入环节，即给青蛙王子喊加油，体验应用声音传感器的程序效果。“分析、解决问题”环节按学生的思维发展过程分为基础和提高两部分。在基础部分学生要了解开源硬件、连接测控板、获取声音传感器的值、分析动画、绘制流程图、搭建脚本并调试；在提高部分学生调试脚本试错，发现声音传感器的值不符合程序要求，找原因，最终找到用除法运算等比例缩小，处理数据并运用到程序中去。在“巩固拓展”环节鼓励学生把声音传感器知识应用迁移到控制角色外观大小变化的程序中去，最终达到熟练使用声音传感器控制更多角色的目标。在“课堂小结”环节鼓励学生展示、互评，并根据学生思维发展用思维导图梳理课堂知识要点。具体流程如图1所示。

图形化编程教学目标的达成途径

1.信息意识目标的达成

学生在图形化编程中是第一次接触开源硬件，因此教师在课前先录制好一段介绍开源硬件Arduino、树莓派、微比特的视频，组织学生学习，提高其对原理和概念的学习效果和效率。在教学中，通过图文的方式组织学生了解声音传感器的工作原理，并出示测控板所有部件图，让学生通过找一找的方式来加深对声音传感器的认识。接着，通过比较LED灯、声音传感器的编号区别来认识数字端口和模拟端口，进而了解图形化编程软件Mind+通过测控板获取信息的方式。

2.计算思维目标的达成

在教学中，教师从分析实例出发，先用自然语言描述角色流程，再在互动授课平台上自主构建流程图，接着用思维导图来探究程序结构和算法来培养学生的计算思维。具体设计如下：

根据新课标计算思维学段目标，引导学生观看青蛙王子追赶公主，听到加油声加速追赶的视频，分析青蛙王子角色的“初始化角色”“重复执行”“移动追赶”“听到声音加速追赶”等关键环节，再应用互动授课平台的“知识配对”课堂活动，让学生构建流程图（如图2），完成任务规划。

引导学生学会获取声音传感器的值，并能将它运用到程序中既是本案例的重点也是难点。在接下来的环节中，教师采用互动授课平台的思维导图，按照学生的认知规律，引导探究得出要实现“声音输入移动加速”需解决两个问题，第一个是听到声音，第二个是加速移动。

问题一——听到声音。读取声音传感器的值，新建变量，把声音传感器的值赋值给变量，循环检测。在思维导图中，教师使用遮罩功能，根据学生思维顺序，随机出示相关项，以保护学生的自主探究。

问题二——加速移动。这里也使用遮罩功能，先让学生尝试直接使用声音传感器的值，发现给小青蛙一喊加油，则追赶速度太快，不符合程序需要，再引导学生用运算控件如除法，把声音传感器的值等比例缩小，之后再用到程序中。在学生掌握了图形化编程中声音传感器使用的一般方法后，再展示青蛙王子听到加油声，角色变大并加速追赶的视频，引导学生分析角色变化，仍用思维导图的方式引导学生探究，并找到解决办法，最后搭建脚本并调试。

在这个环节中，仍先让学生尝试在“将大小设为”控件中直接使用声音变量。学生在调试过程中发现，当没有加油声时青蛙王子角色由于声音变量值为0，在舞台上会小到看不见，由此再引导学生用运算控件给青蛙王子大小一个初始值，以保证程序运行效果。

在本课的拓展巩固环节，教师先让学生观看视频，视频中的白马、风车、跳舞的小女孩在声音传感器的控制下分别展现出各种动作变化。然后，引导学生用本课所学知识发挥创意，运用各类控件和声音传感器创作自己的个性作品。接着通过小组互评，选出优秀作品在课堂上展示并交流制作心得，让学生体会成功的快乐。

在课堂回顾环节还是运用互动授课平台的思维导图帮助学生梳理所学知识。通过逐级出示，让一堂课的知识要点条分缕析，加强学生知识体系的构建。

3.数字化学习目标的达成

数字化学习在本课中第一个方面是：阅读说明，按步骤实现Arduino测控板的软硬件连接。在教学过程中，教师采用了图文出示、教师演示、学生尝试的方式组织学生学习。数字化学习在本课中第二个方面是：本课是开源硬件Arduino第一课，主要任务是学会在图形化编程中使用开源硬件的一般方法——获取声音传感器的值，将获取的值通过运算得到合适的值，并运用到程序中去。对于部分接受新知慢的学生，教师在课堂组织形式上采用了小组合作，四人一小组，组内两两合作，记录和操作分工，简单问题组内讨论、交流。

4.信息社会责任学习目标的达成

在课堂回顾环节，引导学生寻找生活中声音传感器的应用实例，理论联系实际，增强学生的学习记忆，进一步激发学生的学习兴趣，并鼓励学生以本课为起点，深入学习、研究。

反思

1.紧抓本课学习重点

经过简化，让学生清楚地知道了在图形化编程中怎样使用声音传感器，再通过思维导图对“声音输入加速移动”进行探究，牢牢抓住了教学的重点，开展了扎实的教学。

2.充分让学生试错，引导学生探究

在学习过程中先让学生试错，发现问题，小组探讨、寻找解决问题的办法，再去验证实施，最后交流巩固。例如，在图形化编程中使用声音传感器的值时，可以先让学生去应用，使其发现直接使用获得的值不符合程序需要，再引导学生去探讨，得出要用运算控件对获得的值进行处理，缩小一定的倍数，才能在程序中使用。

3.用模块化思维进行教学设计，培养学生的编程思维

在基于测控板的图形化编程中，也可以用模块化相对独立的功能脚本来培养学生的模块化思维。例如，对传感器值的检测在搭建脚本的时候可搭建独立的脚本模块，这样一方面便于学生精准理解传感器使用的一般方法，让程序运行更高效，另一方面也可以让搭建的腳本更简单明了，便于学生理解。