思維可視化在小學(xué)開(kāi)源硬件教學(xué)中的應(yīng)用

鄭莎

摘要：隨著人工智能的快速發(fā)展，創(chuàng)客教育在全國(guó)悄然興起，開(kāi)源硬件作為創(chuàng)客教育的技術(shù)核心，發(fā)揮著重要的作用。小學(xué)著重培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和綜合素質(zhì)，是開(kāi)源硬件課程開(kāi)展實(shí)施的沃土。但從實(shí)際開(kāi)展情況來(lái)看，開(kāi)源硬件教學(xué)目前仍然停留在“技術(shù)本位”為主的階段。技術(shù)只是工具，思維的培養(yǎng)才是核心。開(kāi)源硬件不僅是指硬件制作與開(kāi)放學(xué)習(xí)的課程，更強(qiáng)調(diào)的是創(chuàng)新思維與能力的培養(yǎng)，而技術(shù)本位的教學(xué)方式不能達(dá)成這一目標(biāo)。要解決這一問(wèn)題需要長(zhǎng)期的探索與實(shí)踐，教師需要在日常教學(xué)中轉(zhuǎn)變觀念，將思維培養(yǎng)放在核心地位逐步培養(yǎng)。思維可視化是將“只可意會(huì)不可言傳”的知識(shí)內(nèi)容、將看不見(jiàn)的思維過(guò)程和思維內(nèi)容用一系列的圖示技術(shù)呈現(xiàn)出來(lái)。思維可視化已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可，在教育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文作者通過(guò)課堂常規(guī)教學(xué)實(shí)例，介紹在開(kāi)源硬件教學(xué)中可以嘗試應(yīng)用的思維可視化工具與方法，并不斷探索與完善常規(guī)課教學(xué)的體系。

關(guān)鍵詞：思維可視化;開(kāi)源硬件;編程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2022）04-0101-04

● 問(wèn)題提出

隨著人工智能的快速發(fā)展，全國(guó)中小學(xué)大力推進(jìn)創(chuàng)客教育的發(fā)展，其中開(kāi)源硬件課程作為創(chuàng)客課程的一個(gè)有技術(shù)含量的項(xiàng)目，也在各地廣泛開(kāi)展與實(shí)施。王巍在關(guān)于開(kāi)源硬件的研究綜述中指出，開(kāi)源硬件教學(xué)目前仍然停留在“技術(shù)本位”為主的階段，較多學(xué)習(xí)技術(shù)方面的知識(shí)，包括對(duì)開(kāi)源硬件的結(jié)構(gòu)、傳感器的結(jié)構(gòu)和編程軟件功能的了解，最重要的是程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，而程序設(shè)計(jì)的核心是思維的培養(yǎng)，也就是提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，思維能力培養(yǎng)的匱乏是目前開(kāi)源硬件教學(xué)面臨的最大問(wèn)題。本類(lèi)課程在具體施教過(guò)程中的一般流程是，教師展示案例效果，學(xué)生跟隨教師一起分析完成程序編寫(xiě)，根據(jù)給定材料按步驟組裝外包裝。學(xué)生雖然能夠完整地體驗(yàn)作品制作的全過(guò)程，但在學(xué)習(xí)過(guò)程中思考的廣度較廣，深度不夠，無(wú)法培養(yǎng)和形成一套可復(fù)制的思維體系或流程，來(lái)幫助他們獨(dú)立地根據(jù)所面對(duì)問(wèn)題的情境，完成方案提出、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施并調(diào)試、作品展示與介紹這一流程。因此，教師需要在開(kāi)源硬件課程教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，以及方法的學(xué)習(xí)和養(yǎng)成，使學(xué)生明白技術(shù)只是工具，思維的培養(yǎng)才是核心。下面，筆者借助課堂實(shí)施的案例，具體闡述所在學(xué)校在小學(xué)開(kāi)源硬件教學(xué)中是如何培養(yǎng)思維可視化的。

● 概念界定

1.開(kāi)源硬件的概念及分類(lèi)

開(kāi)源硬件是指用與開(kāi)源軟件相同的方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。開(kāi)源硬件不僅包括軟件程序的開(kāi)放使用，還包括開(kāi)放的創(chuàng)新思維和理念的開(kāi)放。目前，常用的開(kāi)源硬件設(shè)備有Arduino、Micro-bit、掌控板、樹(shù)莓派等。本文后面論述的開(kāi)源硬件均以Micro-bit為例。開(kāi)源硬件自身的優(yōu)勢(shì)，可以更好地幫助開(kāi)展創(chuàng)客教育，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新問(wèn)題解決、批判性思維、設(shè)計(jì)思維、編程能力等多方面的能力。

2.思維可視化的概念

思維可視化是指借助圖表等顯性工具表達(dá)呈現(xiàn)隱形知識(shí)內(nèi)容的一種方法，其核心在于如何將頭腦中的方法以可以復(fù)制及模擬的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。而開(kāi)源硬件的教學(xué)屬于工學(xué)教育，需要提高學(xué)生分析解決復(fù)制工程問(wèn)題的能力，正好思維可視化起到重要作用。

● 思維可視化應(yīng)用于小學(xué)開(kāi)源硬件教學(xué)的案例

1.在開(kāi)源硬件程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

趙國(guó)慶和趙姝將思維訓(xùn)練分成的三大階段——隱性思維顯性化、顯性思維工具化、高效思維自動(dòng)化。在工具指導(dǎo)和熟練的情況下，學(xué)生能夠逐漸學(xué)會(huì)進(jìn)行知識(shí)的遷移并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從隱形思維到顯性思維再到隱形思維的過(guò)程，即指學(xué)生能夠從問(wèn)題出發(fā)，根據(jù)程序需要實(shí)現(xiàn)的效果逐步分析并且編寫(xiě)程序，通過(guò)調(diào)試成功完成作品。下面，筆者以制作垃圾分類(lèi)游戲?yàn)槔?，談?wù)勗陂_(kāi)源硬件程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中是如何應(yīng)用思維可視化的。在編程思路分析與制作時(shí)，要圍繞what、when、what、how、why這幾個(gè)問(wèn)題展開(kāi)，層層遞進(jìn)，使學(xué)生每次都能夠依照框架進(jìn)行分析，也能清楚自己在哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題。

（1）激趣引入

教師在開(kāi)始編程項(xiàng)目前，將做好的案例效果（如圖1）發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生在試玩的過(guò)程中了解游戲規(guī)則。

（2）編程思路分析

①分析程序效果并對(duì)照表格用自然語(yǔ)言表述游戲規(guī)則。

教師帶領(lǐng)學(xué)生一起分析制作這個(gè)游戲的步驟，學(xué)生能夠說(shuō)出編程前的準(zhǔn)備工作，包括兩個(gè)步驟：新建背景和角色、編寫(xiě)角色垃圾的程序。關(guān)于具體編寫(xiě)程序的效果，可以發(fā)送思考任務(wù)表給學(xué)生（如表1），讓其用文字語(yǔ)言表述該過(guò)程。例如，如圖1所示，在玩垃圾分類(lèi)游戲時(shí)，學(xué)生體驗(yàn)用Micro-bit或者鍵盤(pán)來(lái)控制舞臺(tái)上的垃圾左右移動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)投放到不同的垃圾桶，學(xué)生能夠分析并組織語(yǔ)言表述本案例需要實(shí)現(xiàn)的效果是：當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊時(shí)（when），垃圾（who）首先出現(xiàn)在舞臺(tái)上的最上方，然后不停地往下掉落（what）;當(dāng)按下鍵盤(pán)上的左右按鍵（或者M(jìn)icro-bit的A、B按鍵）時(shí)（when），可以控制垃圾（who）向左向右移動(dòng)，從而掉到正確的垃圾桶內(nèi)（what）。

②將自然語(yǔ)言的步驟進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)理解的明確指令（how）。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)待解決的問(wèn)題（也就是what垃圾掉落下來(lái)），將問(wèn)題拆分為幾個(gè)步驟，之后將每個(gè)步驟的表述轉(zhuǎn)化為機(jī)器能懂的簡(jiǎn)潔指令（how，怎么做），如下頁(yè)圖2所示。首先，將第一步表述的自然語(yǔ)言按照表格拆分為幾個(gè)步驟;其次，將這些步驟聯(lián)系Mind+編程軟件，明確哪些表述可以通過(guò)編程軟件實(shí)現(xiàn)，并將它們按條理羅列出來(lái)。

③將指令逐條轉(zhuǎn)化為Mind+軟件中對(duì)應(yīng)的程序積木塊（why）。

本課的編程任務(wù)通過(guò)前面的分析已經(jīng)清晰，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)待解決的問(wèn)題（點(diǎn)擊綠旗后垃圾出現(xiàn)），將問(wèn)題拆分為幾個(gè)步驟，之后將每個(gè)步驟的表述轉(zhuǎn)化為機(jī)器能懂的簡(jiǎn)潔指令。教師帶領(lǐng)學(xué)生分析如何將“垃圾向下移動(dòng)一段距離”這句指令，轉(zhuǎn)化為機(jī)器能懂的更簡(jiǎn)潔的指令。按照位置發(fā)生變化→空間中位置如何表示→圖形化編程中位置如何表示→圖形化編程中位置變化用數(shù)值大小的變化來(lái)表示→將“向下移動(dòng)”轉(zhuǎn)化為“將Y坐標(biāo)減少”這個(gè)分析思路，讓學(xué)生逐漸理解為什么用“將Y坐標(biāo)增加”這個(gè)程序積木塊可以實(shí)現(xiàn)垃圾掉落的動(dòng)畫(huà)效果（why）。學(xué)生掌握了分析方法后，就可以自己根據(jù)效果使用程序積木塊，而不需要教師再按照傳統(tǒng)講授的方式逐一介紹應(yīng)該使用哪些程序積木塊。

④將程序積木塊按照一定的邏輯順序進(jìn)行拼接組合（流程圖）。

學(xué)生找到對(duì)應(yīng)的程序積木塊后，編寫(xiě)程序，然后將它們按順序進(jìn)行組裝。這時(shí)可以借助的最好的工具就是流程圖。教師要培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成用流程圖梳理程序步驟的習(xí)慣，流程圖就像是產(chǎn)品組裝圖，便于快速組裝好程序積木塊，在程序調(diào)試時(shí)找到錯(cuò)誤。

⑤測(cè)試程序效果與調(diào)試。

學(xué)生在編寫(xiě)程序后，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，并且對(duì)照流程圖定位到具體位置后進(jìn)行修改。這時(shí)，可要求全班學(xué)生共同討論，分析總結(jié)，以發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的不同方法。

⑥師生共同總結(jié)編程設(shè)計(jì)的思路。

如圖3所示，師生共同分析與總結(jié)。第一步，發(fā)現(xiàn)待解決的編程問(wèn)題;第二步，將問(wèn)題進(jìn)行分解;第三步，將每個(gè)步驟轉(zhuǎn)化為圖形化編程軟件能讀懂的指令并設(shè)計(jì)算法;第四步，在軟件中找到對(duì)應(yīng)的程序代碼塊;第五步，測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行修改。

2.在開(kāi)源硬件理論教學(xué)中的應(yīng)用

開(kāi)源硬件的教學(xué)除了程序設(shè)計(jì)這個(gè)核心外，還包括理論知識(shí)和外包裝的設(shè)計(jì)與制作。如果用傳統(tǒng)的講授模式，對(duì)于小學(xué)生而言非?？菰餆o(wú)味，而且識(shí)記性不強(qiáng)。教師可以選擇用畫(huà)與寫(xiě)的方式，聯(lián)系生活實(shí)際，使學(xué)生更容易理解且有趣味性。例如，為了讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)輸入輸出處理的原理，可以設(shè)計(jì)繪制IPO模型的活動(dòng);為了讓學(xué)生理解流程圖，可以讓他們?cè)诹私饬鞒虉D基本知識(shí)后，繪制去游樂(lè)園游玩的指南、去醫(yī)院就診的流程等生活場(chǎng)景的流程圖;為了讓學(xué)生熟悉Mind+圖形化編程的組合形式，可以開(kāi)展“有話碼上說(shuō)”“新年碼上說(shuō)（賀卡）”“圖形化表情包”等創(chuàng)作活動(dòng)，讓學(xué)生在創(chuàng)作中提升學(xué)習(xí)編程的興趣。

3.在開(kāi)源硬件作品外包裝設(shè)計(jì)與制作中的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)開(kāi)源硬件作品時(shí)，以往的教學(xué)都是給定一套外包裝材料，學(xué)生參照安裝說(shuō)明將其拼裝完成，雖然通過(guò)這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程能體驗(yàn)完整的制作流程，但是缺乏設(shè)計(jì)思維的訓(xùn)練，學(xué)生無(wú)法根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)個(gè)性化作品。因此，在學(xué)生制作時(shí)，可提供一些可參照的范例和表格（如表2），最重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)將過(guò)程性的資料記錄下來(lái)，這樣在下次制作時(shí)就會(huì)提前設(shè)想相關(guān)問(wèn)題。例如，在制作抽獎(jiǎng)箱搖搖樂(lè)時(shí)，學(xué)生利用紙箱制作外殼，遇到了如紙箱材料準(zhǔn)備太厚，不好切割;材料太薄一動(dòng)就破，無(wú)法定型和固定Micro-bit主控板;紙箱在預(yù)留孔位設(shè)計(jì)上不精準(zhǔn)，電子元件無(wú)法合適地安裝在紙箱中;點(diǎn)陣屏無(wú)法完整顯示圖案，也不便于固定位置等問(wèn)題。通過(guò)記錄這些過(guò)程性資料，學(xué)生能形成先前經(jīng)驗(yàn)，在下次設(shè)計(jì)和制作外包裝前，就會(huì)吸取經(jīng)驗(yàn)對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行迭代更新。

● 展望及未來(lái)努力的方向

開(kāi)源硬件教學(xué)屬于新興的學(xué)習(xí)內(nèi)容，目前仍然缺乏很多成熟案例的支撐，需要更多教師投入到思維能力提升的研究中，形成更科學(xué)和體系化的思維培養(yǎng)方法及策略。另外，學(xué)生能從多個(gè)案例的學(xué)習(xí)中，不斷掌握相關(guān)技能，所以教師可設(shè)計(jì)更多的案例集，并且對(duì)這些案例集進(jìn)行分析，提取出它們?cè)谀Ｊ缴系墓餐帲员阌趯W(xué)生學(xué)習(xí)。

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