Scratch工程类教学的尝试性研究

芦斌

当前，许多大学生毕业即面临失业，追根究底，是我们的教育目标和内容脱离生产、生活所致。新课标越来越注重学生综合素养的培养，其实质就是要塑造能对社会生活有用的人。而“工程”，就是将自然科学原理应用到生产、生活中去。因此，适当地在小学技术类课程中引入“工程”活动内容，将给知识性教学以补充，也有助于培养学生的综合素养和实际应用能力，实现全面发展。Scratch的诞生，为中小学引入工程类教学提供了可能。

Scratch工程类教学适合引入课堂吗

近年来，Scratch已在数字技术、程序艺术教学中风生水起。随着wedo、picoboard、Arduino等配套硬件的出现，我们越来越注意到Scratch在另一个领域的拓展应用——数字工程科学中的教育意义。

1. 学生角度：符合心理认知特点

小学生具备一定的科学知识基础，有较强烈的自主开发的兴趣与自由发挥的动力，但缺乏动手实践能力，而Scratch及其外设硬件为学生开发与生产、生活相关的工具产品提供了可能。这得益于Scratch操作简捷、直观易懂，降低了开发难度，缩短了开发周期，使学生可以在轻松的环境中快速构建程序项目。

2. 技术角度：密切结合实际应用

Scratch及其硬件在功能模块、技术内涵上能够充分满足一些实用项目开发，例如，声音模块与控制模块组合，可以实现呼叫、警告、信号传递等功能；马达等外设输出模块与侦测模块组合，可以实现智能开关、引擎等功能；侦测模块与绘画技术组合，可以实现测绘、测量工程等。

3. 教育角度：促进教育理念变革

以Scratch为平台开展的工程类教学，不同于以往的程序教学，也不同于以往的项目开发。它既是一个知识性学习过程，又是一个技术应用的历练过程，也是对复杂事物统筹能力的培养过程。Scratch项目工程类教学，丰富了教学形式，革新了教育理念，在教学模式上，将更多元开放，在教育内容上，将更注重实用，在教育目标上，更侧重创新能力培养，为第四次工业技术革命播下火种。

可以开展哪些Scratch工程类教学

Scratch工程类教学一般以电子信息类、自动化以及衍生至各生产生活领域的智能化工程为主，从软硬件教学使用推广的难易度上划分为以下三种。

一是基于Scratch软件本身和计算机外设的一类应用，无硬件开发，适合初学者，易用性强但应用范围有限。

二是基于Scratch及开源硬件Arduino的一类应用。有了开源硬件Arduino的支持，学生的想象与开发空间被充分打开了，上至天文地理，下至农田厨房，身边的事物都可成为创意的项目工程。但这类教学对硬件基础以及学生动手能力要求较高，适合兴趣课、小范围综合课中进行。我们已开发的案例有智能风扇系统、自动灌溉系统、楼宇智能系统。

三是基于Scratch及原生硬件wedo及picoboard的一类应用。有现成的模块化硬件，能够半模拟、半真实地与生活实际相结合，简化了硬件搭建，能够模拟开发一些仿真小应用，器材简便，适宜大规模课堂教学，常见案例有智能门禁、雷达。

如何进行Scratch工程类教学

以《雷达系统》为例，在工程类教学中，如何让教师既快速有效地组织教学，又启发学生积极主动地参与到工程项目的开发活动中？

教学目标：（1）学会运用技术采集处理数据，构建虚实关联。（2）培养复杂系统的构建方法。（3）培养良好的科学素养与问题解决能力。

1. 实际入手 找准方向

教师引导学生讨论军事雷达功能及组成，出示雷达详解图。

师：通过观察图片，谁能说出雷达是由哪几部分构成的？

【设计意图】工程类教学虽涉及内容广泛且复杂，但教师仍可从生产生活中的点滴抓取素材，教学亦可从实际入手，找准问题核心确立总体目标，通过引导分析确定需要实现的功能效果。这在无形中渗透了项目需求分析理念。

2. 统筹管理 形成习惯

师：请具体分析雷达各部分功能，并梳理出这个系统的各模块及模块间的关系。

生：包括实体监测和画面呈现两大系统。实体监测又可分转动系统和传感侦测系统。画面呈现系统根据反馈数据在画面上标注对应物体位置，转动系统的实物转动与呈现系统的指针转动相一致。

师：下面，我们来规划设计这个雷达系统。

教师要求学生根据规划设计来确定小组分工，讨论合理的分工模式。

【设计意图】在项目开发中有一样东西是学生会受用终生的，那就是统筹规划。在项目教学中，必须慢慢渗透其中。一是通过讨论工程框架或者思考工程开展的顺序，让学生初步形成对工序流程的规划意识。二是利用组内协作进行分工管理能力的培养。小组协作前必须进行有效分工，教师可以通过点评各小组的分工策略，提升学生的统筹规划能力。

3. 规划雏形 实现基本

学生搭建雷达并编制程序，初步实现雷达转动效果。

第一步：确定元素，搭建结构。让学生自主探究，根据模块功能实现制动系统、侦测系统的硬件搭建。在计算机画面上初步构建雷达扫描的基本图形元素。

第二步：根据运动，编制程序。根据各系统元素所需的运动方式，进行初步编程，以实现雷达转动，画面指针转动的效果。

第三步：初步调试，同步转动。完善结构、调试程序实现雷达与指针同时启动转动的效果。

【设计意图】面对复杂系统，初次接触的学生往往会束手无策。而教师的作用就是要帮助学生剥离基本雏形，并和他们一起规划雏形。不必追求完美，可将基本功能提炼而出，让学生快速尝试实现。不管效果如何，只要基本实现，就达到了“第一步成功”，这种成功会给学生以极大的激励，也是整个项目完成的关键。

4. 由简到繁 训练思维

师：雷达和画面上的指针有什么关系？

生：同步。

教师引导学生分析如何实现两个系统的同步。

学生通过讨论得出结论：将虚实雷达转动系统的转速及定位方向一致起来，实现同时启动、同步转动的效果。

师：那如何确定测得实际物体的距离呢？请先观察超声波传感器数据。

教师引导学生讨论这个位置和哪两个因素有关（距离和方向）。

师：用什么方式在画面上绘制侦测物体位置？

生：根据传感器的数值，确定画面绘制点离中心点的距离，同时以指针方向确定物体的方向，可实现监测效果。

【设计意图】人的思维过程是由简到繁的，即先从一个最简单的问题入手，当发现问题需要优化时再不断思考如何完善。因此，不应该剥夺学生这个由简到繁的思维过程，只有将它还给学生，他们才能真正地从工程的开发中培养出更好的能力素养与思维习惯。

5. 反复调试 磨练意志

师生观察讨论现有系统有哪些不合理之处。

（1）马达转速过快不稳，转动多误差大。（参考：减速箱）

（2）马达旋转受接线影响，不能转太多圈。（参考：运动方式改为正反交替转）

……

学生通过自主尝试找到优化解决方案，教师也提供一些参考方案予以指导。

【设计意图】一个适用于实际的作品必然要经历现实环境的考验。纠错优化的过程等同于科学家的思考研究过程。成功前的问题障碍，会引起学生极大兴趣，通过研究-学习-试验，反复磨练，不仅在知识、技能上会有精进，在意志品质上更会有所提升。教师给予的应是方法指导，像如何找到出错问题的关键，如何排除干扰影响等。

6. 启发引导 拓宽思路

教师总结有规律地运动的传感能实现对某事物的扫描这一规律。

师：若改变运动或传感，还能做什么？

生：地形扫描、3D扫描、人体扫描、纸张扫描等。

【设计意图】创新不能拘于定式。学生能够完成基本，而教师则要通过问题启发学生进一步改造功能，展示个性特色，拓宽创新思路。

您愿意加入Scratch工程类教学的行列吗

如今，全国各地近千所学校开展了Scratch教学，又有众多教师已着手其软硬结合的尝试性教学，望本文抛砖引玉，让更多有志教师开发出更优秀的工程类教学案例，启发更多优秀人才推动第四次工业技术革命。

（作者单位：江苏苏州市平江实验学校）