基于Arduino开源平台的计算思维培养

范慧欣 韩清献

【摘 要】本文结合高中课程标准，依托Arduino开源平台，提出了基于任务驱动教学模式的计算思维培养模型，并以“利用按键控制LED”实验为教学案例进行了基于任务驱动教学模式的教学设计，以期为中学生计算思维能力的培养提供参考。

【关键词】Arduino;计算思维;培养模式

目前，中学信息技术课常用的开源平台主要是Arduino、micro：bit等。Arduino是一款资源易获取、开源性强、易操作的开源电子原型平台。笔者将其作为培养和发展计算思维的主要工具，探究基于Arduino开源平台的学生计算思维培养模式。

Arduino开源平台简介

2017年教育部颁布的《普通高中技术课程标准（2017年版）》分别将“人工智能初步”和“开源硬件项目设计”作为选择性必修4和选择性必修6模块，机器人教育在普通高中技术课程标准中得到了很好的体现，为普通高中开展机器人教育提供了纲领性指导意见[1]。

开源硬件具备资源开放性和二次开发性的特点，且提供大量免费、可供大家持续改进的模块，因此深受教育者的喜爱。中学信息技术课大多使用开源硬件如Arduino、micro：bit作为载体进行项目教学，本文选择开源硬件Arduino作为教育工具，其具备以下优点：（1）资源易获取。开发者可以在Arduino中文社区下载丰富的参考资料，满足从基础到高级的不同需求。（2）模块可扩展。Arduino板接口丰富，可以连接多种多样的扩展板，如电机扩展板、网络扩展板等。（3）入门门槛低。Arduino软件语言相对简单，易上手，适合初学者学习。

基于任务驱动教学模式的计算思维培养模型

基于任务驱动教学模式的计算思维培养模型需要结合任务驱动模式的实施过程来确定，其模型可分为创设情境、任务分解、抽象、构建算法和程序、自动化及仿真化、测试、归纳与迁移等过程。

教师有组织地为学生创设特定的生活情境，可使用数字化工具进行展示，以吸引学生的注意力，激发学生学习兴趣，使学生以最佳心理状态进入学习，并顺利引出本节课学生需要完成的任务。任务给出后，教师需要引导学生分析任务，并根据其目标功能拆分成若干个易于解决和实现的小任务。

抽象即为以抽象思维的方式，将现实中的问题转换为计算机可以识别的模型化问题[2]。算法是求解问题的方法，是解决问题所使用的完整的、一步步的操作步骤或计算序列。构建算法和程序即依据任务设计的原则和目标，设计相应的操作步骤和流程，之后利用相关的软件平台将流程变为计算机指令（程序）。自动化即通过操作数字化工具，使相应的信息设备、信息系统或信息运算过程按照人的要求，执行算法。仿真化即通过可视化工具，对算法进行仿真试验。测试即为将算法进行自动化和仿真化之后，对所出现的问题进行修改，最终完成任务目标。归纳与迁移即为将任务开发的方案泛化，并用于开发其他相关项目，此过程旨在培养学生的总结概括能力，学会举一反三。

基于Arduino开源平台的计算思维培养实践

本文以Arduino开源平台“利用按键控制LED”实验为例进行讲解，具体步骤如图1所示。

1.创设情境

首先，教师以抢答器导入。在一场竞赛中，选手通过按抢答器获得回答问题的资格，抢答器的状态会通过选手面前的LED灯展示出来。通过创设生活中的情境，激发学生的兴趣，引出实验任务——“利用按键控制LED”。

2.任务分解

首先分析Arduino实验案例，确定实现的功能，在“利用按键控制LED”实验中，可以按照功能将其分为：（1）按下按键，LED灯亮;（2）松开按键，LED灯灭。将分解后的任务模块化，分为按键模块（检测按键按下/松起）、LED模块（控制LED灯亮/暗）。通过任务分解，可以使复杂的任务简单化，降低难度，增强学生解决问题的信心。

3.抽象

通过抽象的方法，将现实世界中的对象转换为计算机可以处理的对象，转变为计算机可以处理的问题，把生活中的数字语言抽象为符号语言，比如变量的设定、变量类型的选择。Arduino项目包含硬件和软件两部分，因此在抽象时要考虑到电路的连接和元件的物理性质。教师需要先为学生讲解电路的物理知识，在“利用按键控制LED”实验中，按照模块，Arduino Uno开发板需连接按键和LED灯。按键的本质是开关，按键按下时，开关闭合，电路闭合，产生电流;按键松开时，开关断开。Arduino Uno开发板内部集成电路中有上拉电阻（P2接口），当P2管脚处于悬空状态时，其为高电平，因此，我们将按键的一端其中一个接口连接P2，另一端的其中一个接口连接GND，按键未按下时，P2引脚将为高电平，按键按下P2引脚为低电平。在计算机语言中，用HIGH（1）来表示高电平，LOW（0）表示低电平。通过建立现实世界和计算机世界之间的映射关系（表1），使学生更好地理解物理知识。

LED灯的特性是当正负极产生压降时，灯亮，否则，灯灭。黄色发光二极管的压降为1.8～2.0V，红色发光二极管压降是2.0～2.2V，绿色发光二极管的压降为3.0～3.2V。在本实验中选择红色发光二极管进行操作。

因此实现灯的亮暗有两种方式（表2）：方式1是正极接控制端，负极接GND（0V）;方式2是正极接VCC（3.3V），负极接控制端。两种方式均需要在电路中连接限流电阻，防止导通时工作电流过大，损坏发光二极管或单片机。

4.构建算法和程序

学生将任务分解和抽象之后，要对任务进行算法和程序的构建。在这个过程中，教师引导学生回顾之前所学的程序逻辑结构：顺序结构、分支结构、循环结构、模块化程序结构，促进学生完成知识的建构。“利用按键控制LED”实验中，学生使用流程图梳理思路，培养逻辑思维。

按照算法在Arduino IDE 平台编写相关的程序，这时需要确定控制LED灯亮暗的方式，在这里我们选择方式1，正极接控制端，负极接GND（0V），当控制端给出高电平时，LED灯亮，反之，LED灯灭。

5.自动化及仿真化

在程序编译无误后，在教师的指导下学生使用Tinkercad在线仿真平台进行仿真，有条件的学校也可以使用Arduino Uno开发板。在Arduino IDE平台编写相关的程序后，设置“工具”—“开发板”—“Arduino Uno”连接到开发板，将所需要的原件：按键、LED灯、电阻通过杜邦线连接到对应的端口。通过USB线将开发板连接至电脑，上传（烧录）程序，执行按键按下和松开的操作，观察效果。

6.测试与调试

对Arduino实验来说，测试和调试是必不可少的。区别于一般的程序调试，Arduino实验由软件和硬件部分组成，因此在分析错误的原因时应考虑两方面的因素。学生在仿真平台或实际开发板上上传（烧录）程序，执行按键按下和松开的操作，观察效果。如未达到预期的效果，记录错误的现象，分析错误的原因，修改程序或硬件，完成后重新烧录，观察和记录修改后的现象。在“利用按键控制LED”实验中，可能出现的错误现象是LED的引脚连反，导致实际效果与我们的目标效果不同，即无论按键按下与否，LED灯均不亮，此时需要调整引脚，以期达到目标效果。学生在优化程序和硬件电路的过程中，可以巩固知識，培养纠错能力和批判性思维。

7.归纳与迁移

教师引导学生总结归纳Arduino实验操作的方法，并鼓励学生开拓思路，将方法迁移到生活的问题情境中。教师可提供一些半成品，让学生在此基础上开展独立思考，完善作品功能。也可引导学生从生活与学习的实际需求出发，开发创新项目，培养学生的创新思维。如学生完成“利用按键控制LED”实验后，可以引导学生实现“按下按键LED灯亮，再按按键LED灯灭”的实验效果。

在科技高速发展的今天，人才成长离不开计算思维的发展。以开源硬件为载体的机器人教育是培养学生计算思维的重要形式。本文基于任务驱动教学模式的计算思维培养模型，使学生在任务的引导下，在学习的过程中掌握计算思维的方法，有助于发展创新思维。

杨晋，傅胤荣，李梦军等. 2019 中小学机器人教育调研报告[R]. 北京： 中国电子学会普及工作委员会，2019.

解月光，杨鑫，付海东. 高中学生信息技术学科核心素养的描述与分级[J]. 中国电化教育，2017（5）.