基于Arduino開源平臺的計算思維培養

范慧欣 韓清獻

【摘 要】本文結合高中課程標準，依托Arduino開源平臺，提出了基于任務驅動教學模式的計算思維培養模型，并以“利用按鍵控制LED”實驗為教學案例進行了基于任務驅動教學模式的教學設計，以期為中學生計算思維能力的培養提供參考。

【關鍵詞】Arduino;計算思維;培養模式

目前，中學信息技術課常用的開源平臺主要是Arduino、micro：bit等。Arduino是一款資源易獲取、開源性強、易操作的開源電子原型平臺。筆者將其作為培養和發展計算思維的主要工具，探究基于Arduino開源平臺的學生計算思維培養模式。

Arduino開源平臺簡介

2017年教育部頒布的《普通高中技術課程標準（2017年版）》分別將“人工智能初步”和“開源硬件項目設計”作為選擇性必修4和選擇性必修6模塊，機器人教育在普通高中技術課程標準中得到了很好的體現，為普通高中開展機器人教育提供了綱領性指導意見[1]。

開源硬件具備資源開放性和二次開發性的特點，且提供大量免費、可供大家持續改進的模塊，因此深受教育者的喜愛。中學信息技術課大多使用開源硬件如Arduino、micro：bit作為載體進行項目教學，本文選擇開源硬件Arduino作為教育工具，其具備以下優點：（1）資源易獲取。開發者可以在Arduino中文社區下載豐富的參考資料，滿足從基礎到高級的不同需求。（2）模塊可擴展。Arduino板接口豐富，可以連接多種多樣的擴展板，如電機擴展板、網絡擴展板等。（3）入門門檻低。Arduino軟件語言相對簡單，易上手，適合初學者學習。

基于任務驅動教學模式的計算思維培養模型

基于任務驅動教學模式的計算思維培養模型需要結合任務驅動模式的實施過程來確定，其模型可分為創設情境、任務分解、抽象、構建算法和程序、自動化及仿真化、測試、歸納與遷移等過程。

教師有組織地為學生創設特定的生活情境，可使用數字化工具進行展示，以吸引學生的注意力，激發學生學習興趣，使學生以最佳心理狀態進入學習，并順利引出本節課學生需要完成的任務。任務給出后，教師需要引導學生分析任務，并根據其目標功能拆分成若干個易于解決和實現的小任務。

抽象即為以抽象思維的方式，將現實中的問題轉換為計算機可以識別的模型化問題[2]。算法是求解問題的方法，是解決問題所使用的完整的、一步步的操作步驟或計算序列。構建算法和程序即依據任務設計的原則和目標，設計相應的操作步驟和流程，之后利用相關的軟件平臺將流程變為計算機指令（程序）。自動化即通過操作數字化工具，使相應的信息設備、信息系統或信息運算過程按照人的要求，執行算法。仿真化即通過可視化工具，對算法進行仿真試驗。測試即為將算法進行自動化和仿真化之后，對所出現的問題進行修改，最終完成任務目標。歸納與遷移即為將任務開發的方案泛化，并用于開發其他相關項目，此過程旨在培養學生的總結概括能力，學會舉一反三。

基于Arduino開源平臺的計算思維培養實踐

本文以Arduino開源平臺“利用按鍵控制LED”實驗為例進行講解，具體步驟如圖1所示。

1.創設情境

首先，教師以搶答器導入。在一場競賽中，選手通過按搶答器獲得回答問題的資格，搶答器的狀態會通過選手面前的LED燈展示出來。通過創設生活中的情境，激發學生的興趣，引出實驗任務——“利用按鍵控制LED”。

2.任務分解

首先分析Arduino實驗案例，確定實現的功能，在“利用按鍵控制LED”實驗中，可以按照功能將其分為：（1）按下按鍵，LED燈亮;（2）松開按鍵，LED燈滅。將分解后的任務模塊化，分為按鍵模塊（檢測按鍵按下/松起）、LED模塊（控制LED燈亮/暗）。通過任務分解，可以使復雜的任務簡單化，降低難度，增強學生解決問題的信心。

3.抽象

通過抽象的方法，將現實世界中的對象轉換為計算機可以處理的對象，轉變為計算機可以處理的問題，把生活中的數字語言抽象為符號語言，比如變量的設定、變量類型的選擇。Arduino項目包含硬件和軟件兩部分，因此在抽象時要考慮到電路的連接和元件的物理性質。教師需要先為學生講解電路的物理知識，在“利用按鍵控制LED”實驗中，按照模塊，Arduino Uno開發板需連接按鍵和LED燈。按鍵的本質是開關，按鍵按下時，開關閉合，電路閉合，產生電流;按鍵松開時，開關斷開。Arduino Uno開發板內部集成電路中有上拉電阻（P2接口），當P2管腳處于懸空狀態時，其為高電平，因此，我們將按鍵的一端其中一個接口連接P2，另一端的其中一個接口連接GND，按鍵未按下時，P2引腳將為高電平，按鍵按下P2引腳為低電平。在計算機語言中，用HIGH（1）來表示高電平，LOW（0）表示低電平。通過建立現實世界和計算機世界之間的映射關系（表1），使學生更好地理解物理知識。

LED燈的特性是當正負極產生壓降時，燈亮，否則，燈滅。黃色發光二極管的壓降為1.8～2.0V，紅色發光二極管壓降是2.0～2.2V，綠色發光二極管的壓降為3.0～3.2V。在本實驗中選擇紅色發光二極管進行操作。

因此實現燈的亮暗有兩種方式（表2）：方式1是正極接控制端，負極接GND（0V）;方式2是正極接VCC（3.3V），負極接控制端。兩種方式均需要在電路中連接限流電阻，防止導通時工作電流過大，損壞發光二極管或單片機。

4.構建算法和程序

學生將任務分解和抽象之后，要對任務進行算法和程序的構建。在這個過程中，教師引導學生回顧之前所學的程序邏輯結構：順序結構、分支結構、循環結構、模塊化程序結構，促進學生完成知識的建構?！袄冒存I控制LED”實驗中，學生使用流程圖梳理思路，培養邏輯思維。

按照算法在Arduino IDE 平臺編寫相關的程序，這時需要確定控制LED燈亮暗的方式，在這里我們選擇方式1，正極接控制端，負極接GND（0V），當控制端給出高電平時，LED燈亮，反之，LED燈滅。

5.自動化及仿真化

在程序編譯無誤后，在教師的指導下學生使用Tinkercad在線仿真平臺進行仿真，有條件的學校也可以使用Arduino Uno開發板。在Arduino IDE平臺編寫相關的程序后，設置“工具”—“開發板”—“Arduino Uno”連接到開發板，將所需要的原件：按鍵、LED燈、電阻通過杜邦線連接到對應的端口。通過USB線將開發板連接至電腦，上傳（燒錄）程序，執行按鍵按下和松開的操作，觀察效果。

6.測試與調試

對Arduino實驗來說，測試和調試是必不可少的。區別于一般的程序調試，Arduino實驗由軟件和硬件部分組成，因此在分析錯誤的原因時應考慮兩方面的因素。學生在仿真平臺或實際開發板上上傳（燒錄）程序，執行按鍵按下和松開的操作，觀察效果。如未達到預期的效果，記錄錯誤的現象，分析錯誤的原因，修改程序或硬件，完成后重新燒錄，觀察和記錄修改后的現象。在“利用按鍵控制LED”實驗中，可能出現的錯誤現象是LED的引腳連反，導致實際效果與我們的目標效果不同，即無論按鍵按下與否，LED燈均不亮，此時需要調整引腳，以期達到目標效果。學生在優化程序和硬件電路的過程中，可以鞏固知識，培養糾錯能力和批判性思維。

7.歸納與遷移

教師引導學生總結歸納Arduino實驗操作的方法，并鼓勵學生開拓思路，將方法遷移到生活的問題情境中。教師可提供一些半成品，讓學生在此基礎上開展獨立思考，完善作品功能。也可引導學生從生活與學習的實際需求出發，開發創新項目，培養學生的創新思維。如學生完成“利用按鍵控制LED”實驗后，可以引導學生實現“按下按鍵LED燈亮，再按按鍵LED燈滅”的實驗效果。

在科技高速發展的今天，人才成長離不開計算思維的發展。以開源硬件為載體的機器人教育是培養學生計算思維的重要形式。本文基于任務驅動教學模式的計算思維培養模型，使學生在任務的引導下，在學習的過程中掌握計算思維的方法，有助于發展創新思維。

楊晉，傅胤榮，李夢軍等. 2019 中小學機器人教育調研報告[R]. 北京： 中國電子學會普及工作委員會，2019.

解月光，楊鑫，付海東. 高中學生信息技術學科核心素養的描述與分級[J]. 中國電化教育，2017（5）.