思维可视化在小学开源硬件教学中的应用

郑莎

摘要：随着人工智能的快速发展，创客教育在全国悄然兴起，开源硬件作为创客教育的技术核心，发挥着重要的作用。小学着重培养学生综合能力和综合素质，是开源硬件课程开展实施的沃土。但从实际开展情况来看，开源硬件教学目前仍然停留在“技术本位”为主的阶段。技术只是工具，思维的培养才是核心。开源硬件不仅是指硬件制作与开放学习的课程，更强调的是创新思维与能力的培养，而技术本位的教学方式不能达成这一目标。要解决这一问题需要长期的探索与实践，教师需要在日常教学中转变观念，将思维培养放在核心地位逐步培养。思维可视化是将“只可意会不可言传”的知识内容、将看不见的思维过程和思维内容用一系列的图示技术呈现出来。思维可视化已经得到了普遍的认可，在教育领域有着广泛的应用。本文作者通过课堂常规教学实例，介绍在开源硬件教学中可以尝试应用的思维可视化工具与方法，并不断探索与完善常规课教学的体系。

关键词：思维可视化;开源硬件;编程教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）04-0101-04

● 问题提出

随着人工智能的快速发展，全国中小学大力推进创客教育的发展，其中开源硬件课程作为创客课程的一个有技术含量的项目，也在各地广泛开展与实施。王巍在关于开源硬件的研究综述中指出，开源硬件教学目前仍然停留在“技术本位”为主的阶段，较多学习技术方面的知识，包括对开源硬件的结构、传感器的结构和编程软件功能的了解，最重要的是程序设计能力的培养，而程序设计的核心是思维的培养，也就是提出问题、分析问题、解决问题的能力，思维能力培养的匮乏是目前开源硬件教学面临的最大问题。本类课程在具体施教过程中的一般流程是，教师展示案例效果，学生跟随教师一起分析完成程序编写，根据给定材料按步骤组装外包装。学生虽然能够完整地体验作品制作的全过程，但在学习过程中思考的广度较广，深度不够，无法培养和形成一套可复制的思维体系或流程，来帮助他们独立地根据所面对问题的情境，完成方案提出、方案设计、方案实施并调试、作品展示与介绍这一流程。因此，教师需要在开源硬件课程教学中加强对学生思维能力的培养，以及方法的学习和养成，使学生明白技术只是工具，思维的培养才是核心。下面，笔者借助课堂实施的案例，具体阐述所在学校在小学开源硬件教学中是如何培养思维可视化的。

● 概念界定

1.开源硬件的概念及分类

开源硬件是指用与开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件不仅包括软件程序的开放使用，还包括开放的创新思维和理念的开放。目前，常用的开源硬件设备有Arduino、Micro-bit、掌控板、树莓派等。本文后面论述的开源硬件均以Micro-bit为例。开源硬件自身的优势，可以更好地帮助开展创客教育，培养学生团队协作、创新问题解决、批判性思维、设计思维、编程能力等多方面的能力。

2.思维可视化的概念

思维可视化是指借助图表等显性工具表达呈现隐形知识内容的一种方法，其核心在于如何将头脑中的方法以可以复制及模拟的方式进行呈现。而开源硬件的教学属于工学教育，需要提高学生分析解决复制工程问题的能力，正好思维可视化起到重要作用。

● 思维可视化应用于小学开源硬件教學的案例

1.在开源硬件程序设计教学中的应用

赵国庆和赵姝将思维训练分成的三大阶段——隐性思维显性化、显性思维工具化、高效思维自动化。在工具指导和熟练的情况下，学生能够逐渐学会进行知识的迁移并且实现自动化，从隐形思维到显性思维再到隐形思维的过程，即指学生能够从问题出发，根据程序需要实现的效果逐步分析并且编写程序，通过调试成功完成作品。下面，笔者以制作垃圾分类游戏为例，谈谈在开源硬件程序设计课堂教学中是如何应用思维可视化的。在编程思路分析与制作时，要围绕what、when、what、how、why这几个问题展开，层层递进，使学生每次都能够依照框架进行分析，也能清楚自己在哪个环节出了问题。

（1）激趣引入

教师在开始编程项目前，将做好的案例效果（如图1）发给学生，让学生在试玩的过程中了解游戏规则。

（2）编程思路分析

①分析程序效果并对照表格用自然语言表述游戏规则。

教师带领学生一起分析制作这个游戏的步骤，学生能够说出编程前的准备工作，包括两个步骤：新建背景和角色、编写角色垃圾的程序。关于具体编写程序的效果，可以发送思考任务表给学生（如表1），让其用文字语言表述该过程。例如，如图1所示，在玩垃圾分类游戏时，学生体验用Micro-bit或者键盘来控制舞台上的垃圾左右移动进行分类投放到不同的垃圾桶，学生能够分析并组织语言表述本案例需要实现的效果是：当绿旗被点击时（when），垃圾（who）首先出现在舞台上的最上方，然后不停地往下掉落（what）;当按下键盘上的左右按键（或者Micro-bit的A、B按键）时（when），可以控制垃圾（who）向左向右移动，从而掉到正确的垃圾桶内（what）。

②将自然语言的步骤进行分解，转化为计算机理解的明确指令（how）。

教师引导学生根据待解决的问题（也就是what垃圾掉落下来），将问题拆分为几个步骤，之后将每个步骤的表述转化为机器能懂的简洁指令（how，怎么做），如下页图2所示。首先，将第一步表述的自然语言按照表格拆分为几个步骤;其次，将这些步骤联系Mind+编程软件，明确哪些表述可以通过编程软件实现，并将它们按条理罗列出来。

③将指令逐条转化为Mind+软件中对应的程序积木块（why）。

本课的编程任务通过前面的分析已经清晰，教师引导学生根据待解决的问题（点击绿旗后垃圾出现），将问题拆分为几个步骤，之后将每个步骤的表述转化为机器能懂的简洁指令。教师带领学生分析如何将“垃圾向下移动一段距离”这句指令，转化为机器能懂的更简洁的指令。按照位置发生变化→空间中位置如何表示→图形化编程中位置如何表示→图形化编程中位置变化用数值大小的变化来表示→将“向下移动”转化为“将Y坐标减少”这个分析思路，让学生逐渐理解为什么用“将Y坐标增加”这个程序积木块可以实现垃圾掉落的动画效果（why）。学生掌握了分析方法后，就可以自己根据效果使用程序积木块，而不需要教师再按照传统讲授的方式逐一介绍应该使用哪些程序积木块。

④将程序积木块按照一定的逻辑顺序进行拼接组合（流程图）。

学生找到对应的程序积木块后，编写程序，然后将它们按顺序进行组装。这时可以借助的最好的工具就是流程图。教师要培养学生养成用流程图梳理程序步骤的习惯，流程图就像是产品组装图，便于快速组装好程序积木块，在程序调试时找到错误。

⑤测试程序效果与调试。

学生在编写程序后，通过测试发现存在的问题，并且对照流程图定位到具体位置后进行修改。这时，可要求全班学生共同讨论，分析总结，以发现解决问题的不同方法。

⑥师生共同总结编程设计的思路。

如图3所示，师生共同分析与总结。第一步，发现待解决的编程问题;第二步，将问题进行分解;第三步，将每个步骤转化为图形化编程软件能读懂的指令并设计算法;第四步，在软件中找到对应的程序代码块;第五步，测试发现问题并进行修改。

2.在开源硬件理论教学中的应用

开源硬件的教学除了程序设计这个核心外，还包括理论知识和外包装的设计与制作。如果用传统的讲授模式，对于小学生而言非常枯燥无味，而且识记性不强。教师可以选择用画与写的方式，联系生活实际，使学生更容易理解且有趣味性。例如，为了让学生理解计算机输入输出处理的原理，可以设计绘制IPO模型的活动;为了让学生理解流程图，可以让他们在了解流程图基本知识后，绘制去游乐园游玩的指南、去医院就诊的流程等生活场景的流程图;为了让学生熟悉Mind+图形化编程的组合形式，可以开展“有话码上说”“新年码上说（贺卡）”“图形化表情包”等创作活动，让学生在创作中提升学习编程的兴趣。

3.在开源硬件作品外包装设计与制作中的应用

在设计开源硬件作品时，以往的教学都是给定一套外包装材料，学生参照安装说明将其拼装完成，虽然通过这个学习过程能体验完整的制作流程，但是缺乏设计思维的训练，学生无法根据自己的需求设计个性化作品。因此，在学生制作时，可提供一些可参照的范例和表格（如表2），最重要的是让学生学会将过程性的资料记录下来，这样在下次制作时就会提前设想相关问题。例如，在制作抽獎箱摇摇乐时，学生利用纸箱制作外壳，遇到了如纸箱材料准备太厚，不好切割;材料太薄一动就破，无法定型和固定Micro-bit主控板;纸箱在预留孔位设计上不精准，电子元件无法合适地安装在纸箱中;点阵屏无法完整显示图案，也不便于固定位置等问题。通过记录这些过程性资料，学生能形成先前经验，在下次设计和制作外包装前，就会吸取经验对自己的产品进行迭代更新。

● 展望及未来努力的方向

开源硬件教学属于新兴的学习内容，目前仍然缺乏很多成熟案例的支撑，需要更多教师投入到思维能力提升的研究中，形成更科学和体系化的思维培养方法及策略。另外，学生能从多个案例的学习中，不断掌握相关技能，所以教师可设计更多的案例集，并且对这些案例集进行分析，提取出它们在模式上的共同之处，以便于学生学习。

参考文献：

[1]刘杰，李金玲，陈星，等.思维可视化技术在程序设计教学中的应用研究[J].高教学刊，2020（20）.

[2]王巍.我国开源硬件教育应用研究综述[J].教学研究，2020（01）.

[3]廖承莎.团体辅导教学方式在高校职业生涯规划课程中的设计与使用[J].教育观察·上半月，2019（08）.

[4]彭学娟，曹建涛，杨越岚.《大学生职业生涯规划设计与创新创业》课程设置研究[J].中国校外教育·上旬刊，2019（09）：159-160.

[5]Open—sourcehardware[EB/0L].（2014-12-18）.http：//en.wikipedia.org/wiki/Opensource-hardware.

[6]雒亮，祝智庭.开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J].中国电化教育，2015（04）.

[7]左博文，周利君.我国思维可视化研究回顾与展望——基于中国知网2014-2019的论文分析[J].中国教育信息化，2020（13）.