基于S4A技術(shù)的中小學(xué)圖形化編程教育的方法策略

黃振余 唐路勝

編程技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)，近年來，也逐漸步入了中小學(xué)教育的視野。S4A是一種互動(dòng)媒體技術(shù)，它能把編程教育、真實(shí)環(huán)境、虛擬世界這三者有機(jī)地聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)如AR、VR般的虛實(shí)互動(dòng)的體驗(yàn)。在S4A環(huán)境中，學(xué)生通過測控板硬件與圖形化編程軟件的學(xué)習(xí)，初步實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)世界之間的互動(dòng)，體驗(yàn)人工智能編程技術(shù)的計(jì)算思維與表達(dá)方式。這種基于S4A的圖形化編程，同時(shí)融入智能傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡易的人工智能的交互效果，這是在中小學(xué)課堂中實(shí)現(xiàn)人工智能編程教育的有效途徑。

關(guān)于S4A互動(dòng)媒體技術(shù)

S4A是一款由西班牙的Citilab團(tuán)隊(duì)在Scratch基礎(chǔ)上開發(fā)的擁有極高“趣味性”的軟件。Scratch的優(yōu)勢在于免費(fèi)的軟件、廉價(jià)的開源硬件以及友好的編程模式，這也使得它從誕生的那一刻起，就成了編程教育與創(chuàng)客教育所關(guān)注的“香餑餑”。S4A是Scratch for Arduino的簡稱，是一款基于Arduino的圖形化編程軟件，采用積木式編程方式，學(xué)生如玩游戲一樣就可以進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖形化編程技術(shù)的優(yōu)勢在于它不需要糾結(jié)于某一個(gè)編程指令的語法與語義，或者是某個(gè)字符的錄入是否完全正確。學(xué)生只要會用鼠標(biāo)，就能通過鼠標(biāo)拖拽的方法來實(shí)現(xiàn)編程，大大簡化了學(xué)生編程的操作過程，可以釋放更多的精力在計(jì)算思維與邏輯關(guān)系的學(xué)習(xí)上。在S4A中，為Scratch編程平臺提供了一系列傳感器模塊與輸出模塊的腳本，通過對編程腳本的搭建，就能連接到外部Arduino硬件設(shè)備，對真實(shí)世界進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或表達(dá)執(zhí)行。

基于S4A技術(shù)的圖形化編程教育的方法與策略

通過S4A技術(shù)環(huán)境下的學(xué)習(xí)，既可以提升學(xué)生的編程思維能力，也可以鍛煉學(xué)生的跨學(xué)科解決問題的綜合能力。下面，筆者將使用基于Arduino UNO的測控板硬件與基于Scratch 3.0的Mind+圖形化編程軟件，以《神奇的吹牛大王》一課為例進(jìn)行分析與研究，探索在中小學(xué)常規(guī)課堂環(huán)境下的圖形化編程教育的方法與策略。

在《神奇的吹牛大王》課例（以下簡稱“課例”）中，主要使用聲音傳感器與LED燈硬件進(jìn)行課堂教學(xué)，學(xué)生通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)“吹牛飛上天”小游戲的創(chuàng)作：當(dāng)有人用嘴巴吹動(dòng)聲音傳感器時(shí)，板載的LED燈會亮起，計(jì)算機(jī)里的虛擬角色也逐漸向天空飛起。為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)，筆者根據(jù)S4A互動(dòng)媒體技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行了基于S4A技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐，將教學(xué)的主要過程歸納為“創(chuàng)境—學(xué)境—評境”的“三化式”教學(xué)方法。

1.創(chuàng)境——真實(shí)化教學(xué)情境，體驗(yàn)虛實(shí)互動(dòng)

根據(jù)S4A技術(shù)的虛實(shí)性，學(xué)習(xí)的范圍可以變得更加寬廣，學(xué)習(xí)的方式、空間、時(shí)間也隨之發(fā)生改變。在課堂教學(xué)中，可以創(chuàng)設(shè)出獨(dú)特的教學(xué)情境，讓學(xué)生在虛擬與真實(shí)世界中進(jìn)行互動(dòng)。在課例中，教師創(chuàng)設(shè)了“吹牛大王爭霸賽”比賽活動(dòng)的真實(shí)化教學(xué)情境，讓學(xué)生在體驗(yàn)真實(shí)化的互動(dòng)情境的魅力中，提高對學(xué)習(xí)的參與感與期待感，激發(fā)他們對課程的學(xué)習(xí)興趣。課例硬件教具與軟件界面如圖1、圖2所示。

學(xué)生在使用教具進(jìn)行吹牛比賽的時(shí)候，就可以初步體驗(yàn)虛實(shí)世界之間互動(dòng)的魅力，知道“虛擬”是計(jì)算機(jī)軟件中的程序角色，“真實(shí)”是教具中隱藏的聲音傳感器。他們在吹動(dòng)聲音傳感器時(shí)，經(jīng)歷了真實(shí)世界的數(shù)據(jù)采集以及將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信號的過程，再以測控板硬件為傳輸介質(zhì)，通過編程技術(shù)對信號進(jìn)行分析與思考并做出反映程序，如上升或者下移動(dòng)作。在這個(gè)體驗(yàn)真實(shí)化教學(xué)情境的過程中，學(xué)生經(jīng)歷的可能僅僅是一個(gè)小游戲，但其背后蘊(yùn)含的卻是一個(gè)無比豐富的數(shù)據(jù)化世界，是虛擬世界對真實(shí)世界環(huán)境數(shù)據(jù)的計(jì)算與表達(dá)，是一場思考方式與表達(dá)思考方式的革命！學(xué)生在S4A技術(shù)的體驗(yàn)過程中，就自然地進(jìn)入了人工智能編程技術(shù)的世界。

2.學(xué)境——分解化編程任務(wù)，嘗試互動(dòng)媒體

將復(fù)雜的生活問題，分解成一個(gè)個(gè)相對獨(dú)立而簡單的問題是一種有效的解決問題的思維能力。學(xué)生在課例中要完成的任務(wù)包括連接硬件、開關(guān)LED燈、采集聲音數(shù)據(jù)、電腦虛擬角色的移動(dòng)等復(fù)雜的綜合性作品。想要一蹴而就，一下子完成作品，是非常困難的。針對這種復(fù)雜的編程問題，可以采用分解化編程三步法：總?cè)蝿?wù)—分任務(wù)—匯總?cè)蝿?wù)。根據(jù)課程內(nèi)容將總?cè)蝿?wù)有機(jī)地拆分為多個(gè)相對獨(dú)立而又相互聯(lián)系的分任務(wù)，把分任務(wù)分別完成后，再進(jìn)行任務(wù)的匯總與整合，完成復(fù)雜的綜合性總?cè)蝿?wù)。

在課例的設(shè)計(jì)學(xué)境環(huán)節(jié)，教師就采用了分解化任務(wù)的方法，把總?cè)蝿?wù)分解為三個(gè)簡單的分任務(wù)：①認(rèn)識Mind+軟件（開關(guān)LED燈）;②制作聲控?zé)簦ú杉曇魯?shù)據(jù)）;③實(shí)現(xiàn)角色互動(dòng)（匯總?cè)蝿?wù)）。通過這種分解化編程任務(wù)的方法，就能把復(fù)雜的編程問題拆分成容易完成又相對簡單的編程小問題。

3.評境——實(shí)體化評價(jià)過程，量化學(xué)習(xí)成果

基于S4A技術(shù)的課堂的特別之處在于課堂教學(xué)環(huán)境中會使用實(shí)體硬件，所以其評價(jià)方式也比普通課堂擁有更多的可能性，也可以在真實(shí)的情境中檢測學(xué)生對知識的掌握程度。在課例中，教師就設(shè)計(jì)了三種不同形式、不同階段的實(shí)體化評價(jià)方法。

（1）基于實(shí)體硬件閃燈的評價(jià)方法

學(xué)生在課堂中完成了測控板板載LED燈的閃爍任務(wù)后，就可以高舉測控板模擬揮動(dòng)熒光棒的真實(shí)情境。教師通過觀察，可以很方便地對學(xué)生的實(shí)體閃燈數(shù)量進(jìn)行量化與統(tǒng)計(jì)，能精確地知道學(xué)生的實(shí)際完成數(shù)量。這種簡單地通過數(shù)數(shù)方式就能進(jìn)行精確的量化評價(jià)的功能，也是S4A區(qū)別于其他課堂的優(yōu)勢。這種采用實(shí)體硬件互動(dòng)的評價(jià)方法，既實(shí)現(xiàn)了活躍課堂氛圍的功能，把學(xué)生帶入真實(shí)互動(dòng)情境，也讓他們體驗(yàn)到用編程技術(shù)來影響生活的成功和喜悅。教師可以用輕松簡單的方式掌握學(xué)生對學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況，為順利開展下一步的教學(xué)工作提供了真實(shí)數(shù)據(jù)的支持。

（2）基于實(shí)體傳感器互動(dòng)的自評方法

在S4A教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生完成某個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，教師可以靈活組織學(xué)生進(jìn)入自檢程序的自評環(huán)節(jié)。例如，學(xué)生在完成聲控?zé)舻娜蝿?wù)時(shí)，可以組織一場為自己鼓掌的活動(dòng)，用聲音傳感器采集自己的掌聲，然后檢測是否實(shí)現(xiàn)了聲控?zé)舻慕虒W(xué)任務(wù)。當(dāng)全班學(xué)生鼓起掌的時(shí)候，學(xué)習(xí)的氛圍與學(xué)生自評的專注度絕對會讓我們感到欣慰與激動(dòng)。在這種簡單的鼓掌自評的體驗(yàn)方式中，學(xué)生也能再一次感受到用編程技術(shù)來影響生活的成功和喜悅。這既是學(xué)生為自己學(xué)習(xí)過程的鼓掌，也是為他們學(xué)習(xí)S4A技術(shù)的喝彩。通過這種實(shí)體傳感器互動(dòng)的方式，學(xué)生也實(shí)現(xiàn)了在自檢中對自己的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行自我評價(jià)。S4A技術(shù)為課堂評價(jià)方式提供了更多的可能性，這種多元化的評價(jià)方式也是S4A課堂的魅力。

（3）基于實(shí)體硬件與編程的綜合評價(jià)方法

基于S4A技術(shù)的編程課堂，還可以圍繞它本身的軟硬兼?zhèn)涞奶卣鱽磉M(jìn)行特殊的綜合評價(jià)。在課例中，教師設(shè)計(jì)了一張與虛實(shí)世界相結(jié)合的特殊學(xué)習(xí)任務(wù)卡，并將其作為綜合評價(jià)的一種方式。與普通課堂的評價(jià)方式相比，這個(gè)任務(wù)卡增加了一種硬件調(diào)試類評價(jià)指標(biāo)，學(xué)生可以先對照任務(wù)卡的任務(wù)說明，進(jìn)行自主調(diào)試硬件活動(dòng)，看是否達(dá)成指標(biāo)要求，再進(jìn)行自評打分。這種評價(jià)方式既是學(xué)習(xí)過程性的評價(jià)，也是學(xué)習(xí)成果的綜合評價(jià)，學(xué)生在課堂中的任何時(shí)間節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行硬件調(diào)試和評價(jià)自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度。這是一種需要有外部硬件支撐才能進(jìn)行的評價(jià)方式，而S4A技術(shù)在這方面也表現(xiàn)出了其優(yōu)秀的能力。具體任務(wù)卡設(shè)計(jì)如圖3所示。

S4A技術(shù)為中小學(xué)階段開展編程教育提供了路徑，如今，它已經(jīng)逐漸成為人工智能編程教育的重要組成部分，它能拉近學(xué)生與人工智能的距離，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓編程教育成為常態(tài)課。我們希望通過S4A互動(dòng)媒體技術(shù)在中小學(xué)中實(shí)現(xiàn)編程教育的普及化，為祖國培養(yǎng)出更多符合人工智能時(shí)代特征的具有編程能力與創(chuàng)新精神的綜合型人才。