基于计算思维培养的“编程实验教学”模式研究

摘要：编程实验教学在信息科技学科中具有举足轻重的地位，它不仅可以培养学生的计算思维和创新能力，还可以帮助学生适应未来职业发展的需求，提升学习兴趣和动力，促进跨学科学习。因此，本文以“人体感应行人自助过街红绿灯系统优化方案”为例展开编程实验教学模式探究，以期能够促使编程实验教学的开展和推广。

关键词：计算思维；编程教育；实验教学；自助红绿灯系统

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）08-0032-03

编程实验教学作为一种新型的教育方式，注重学生的实践和创新能力的培养，符合教育创新的需求。编程实验教学的模式研究在优化教学效果、适应学生需求、推动教育创新、提高教师素质以及促进跨学科整合等方面都具有重要的意义。因此，笔者通过基于人体感应行人自助过街红绿灯系统优化方案的实验研究，探索编程教育“实验教学”的模式，以期有效地提升学生的计算思维。

编程实验教学模式

编程实验教学模式的选择取决于教学目标、学生背景、可用资源及教师偏好。任务驱动模式、项目导向模式、案例教学模式、协作学习模式、翻转课堂模式是常见的编程实验教学模式。笔者结合教学实际选择了项目导向模式，该模式重视学生主动性、独立性和创造性的教学活动。具体流程为：确定项目目标和任务—制订项目计划—项目实施—项目评估与反馈—项目总结—项目归档。

编程实验教学实施

笔者以“人体感应行人自助过街红绿灯系统优化方案”为例进行编程实验模式实施的探究，并按照发现问题、分析问题、设计方案、实施方案、验证调试、优化方案、问题解决的思路和流程开展研究。

1.确定项目目标和任务

首先通过问卷调查发现问题，共回收228份问卷（其中包含纸质问卷20份），根据数据可知，78%的市民表示没见过自助式过街红绿灯，42%的市民不了解自助式红绿灯的用法，36%的人经历过或者见过没有按过街按钮而导致等了很长时间的过街红绿灯。通过调研，结果分析如下：①有很多市民，特别是老年人并不知道有过街红绿灯的存在。②有的市民过马路到一半，人行道就变红灯了，导致市民进退两难，只能停在中间路道等待。红绿灯的时间分配不合理。③有些市民知道过街红绿灯的存在，但由于双手提着东西，或者天气冷环境恶劣等原因导致不想去按按钮；还有一些市民骑电瓶车过街，不想下车去按按钮，觉得很麻烦，不方便。④有的市民反映路口没有提示牌和语音提醒，有些提示牌被树木遮挡，有些提示牌文字不显眼，晚上灯光很暗的时候看不见提示牌等。⑤有些城市的红绿灯过街按钮损坏，不能使用，形同虚设。

2.设计项目方案

（1）分析问题，确定方案。对调查中发现的问题进行深入分析，首先收集分析有用的建议，整合参考，设计自助过街红绿灯系统的优化方案。具体方案如下：①当行人等待区无人时，主干道车辆红绿灯始终为绿色，车辆正常通行。②当检测到等待区有人时，先语音提醒行人“请勿闯红灯”，主干道红绿灯开始绿灯9秒倒计时，保障车辆缓冲通行，然后3秒黄灯，然后再变红，同时，行人信号灯变绿，语音提醒行人“请快速通行”。③行人信号灯变绿的基础时间是24秒，如果检测到等待的人较多，或者检测到有老年人，会增加绿灯时间至30秒。④如果主干道车辆信号灯刚变成绿色，10秒之内不检测等待区是否有行人等待，10秒之后开始检测（保证每次循环车辆至少有10+10+3秒的通行时间）。优化后的系统流程如图1所示，图中右边框中内容为方案中待解决的难点问题。

（2）知识学习，攻克难点。针对方案中的难点问题，进行知识学习和实践探究。

①如何表示红绿的颜色变化——红绿灯会有三种颜色的变化，所以选用RGB多彩灯作为交通信号灯，电子元件图片及颜色编码如图2所示。

②如何发出语音提醒——发出语音提醒功能，可以选用“语音合成模块”电子元件（如图3）及使用相应教材。

③如何设置合理的等待区域——通过实地调研发现，安装自助过街红绿灯的路口，一般都是只有一条纵向道路，没有十字路口，行人等待过街的最安全区域设置在与绿化带齐平的位置。

④如何检测等待区内是否有人——用红外激光测距传感器检测，检测是否有人，如需要估算人数，在等待区地面铺设压力传感器进行辅助。

⑤如何显示倒计时——用数码管搭配Arduino Uno版可以完成倒计时的显示。

⑥如何设置车辆通行时间——在纵向道路上车辆正常通行时，如果检测到有行人需要通过，纵向的红灯不能立马变绿，需要留出一段缓冲时间。根据调研发现，9秒时间是最佳缓冲时间。

⑦如何设置行人的通行时间——优化后的行人通行的基础时间是24秒，这是综合考虑行人流量、道路情况、安全因素、车辆流量等几个方面得出的。

3.项目实施

本环节是对制作过程进行梳理，完成作品制作。

（1）设计图纸。场景设计，对道路场景进行等比例还原，设置合理的“过街等待区”。

（2）准备器材，成品展示。

（3）完善作品，培养思维缜密性。在对方案进行建模时，关注学生对作品结构、功能逻辑性的思考是否完整。在设计方案描述时，学生注意细节，善于观察，积极参与到小组活动中发表自己的观点，各成员在这种氛围下，取长补短，每位学生的思维全面性、细致性得到提升。

（4）推进学生主动反思，提高自身效能感。在学生作品创作的过程中，设计思维贯穿于每个环节，教师要鼓励学生大胆提出自己的设计想法，引导学生主动对自己的方案进行反思，学生的反思活动根据需要在设计方案、功能实现、优化评价等作品设计的整个过程中重复进行。

4.项目评估与反馈

总体来说，优化后的自助式过街红绿灯系统，体现了更加智能化和自动化的发展方向，提升了交通通行效率，同时也保障了市民的交通安全。

5.项目总结与归档

本环节是回顾项目的整个过程，总结经验教训，并将项目的相关资料和成果进行整理和保存。通过编程教学实践，笔者发现项目导向教学模式能锻炼学生的问题解决能力、团结合作能力，但是在编程实验教学中实施仍然存在一定的困难，主要有以下几个方面：①学生编程基础薄弱。部分学生没有编程基础或者编程基础较差，导致在编程实验教学中难以理解和掌握相关知识和技能。②实验条件有限。一些学校可能缺乏先进的编程实验设备和环境，或者实验设备的数量不足以满足所有学生的需求，这会影响实验教学的效果。③教学内容难度高。编程实验教学的内容可能涉及一些复杂的编程概念和技术，对于部分学生来说难以理解和掌握。

为了解决这些困难，笔者认为教师可以采取以下措施：①夯实学生编程基础。在编程实验教学之前，安排一些编程基础课程，帮助学生夯实编程基础，为后续的实验教学做好准备。②改善实验条件。学校可以加大对编程实验教学的投入，购买更先进的编程实验设备，或者增加实验设备的数量，以满足更多学生的需求。③优化教学内容。教师根据学生的实际情况和需求，优化教学内容，将复杂的概念和技术进行分解和简化，使其更易于理解和掌握。④引入案例和实践。在编程实验教学中，引入一些实际案例和实践项目，让学生在实际操作中掌握编程知识和技能，提高实验教学的效率。⑤加强师生互动。教师应加强与学生的互动，及时了解学生的学习情况和反馈，针对学生的问题和需求进行个性化的指导和帮助。

结语

总之，解决编程实验教学存在的困难需要从多方面努力，包括夯实学生编程基础、改善实验条件、优化教学内容、引入案例和实践以及加强师生互动等。这些措施可以帮助学生更好地理解和掌握编程知识和技能，提高实验教学的效率。

参考文献：

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[3]谢忠新，曹杨璐.中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法[J].中国电化教育，2015（11）：116-120.

本文系2022年度安徽省教育信息技术研究立项项目“基于计算思维培养的编程教育‘实验教学’模式研究”（课题立项号：AH2022073）的研究成果。