例析计算思维视域下开源硬件教学中的评估活动

摘要：教学过程中的评估活动对学生计算思维的发展具有重要意义，体现了信息科技的科学精神。本文以开源硬件的教学为例，探讨了多层次应用评估活动发展学生计算思维的教学思路，并进行了相应的经验总结。

关键词：信息科技;教学;评估;计算思维;开源硬件

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）19-0050-03

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）指出计算思维是运用计算机科学领域的思想方法解决问题的思维活动，而学界公认评估能力是衡量学生计算思维发展的重要维度之一。因此，本文以闽教版2020修订版八年级下册《体验开源硬件与编程工具应用》一课为例，尝试通过在教学中运用科学的评估活动，促进学生计算思维的发展。

● 有意识地发掘值得评估的教学素材

《体验开源硬件与编程工具应用》一课要求学生能利用micro：bit设计数字骰子，即micro：bit在每次受到振动之后，LED上都能随机显示一个1～6的随机整数。在本课的教学中，学生需要学习选取随机数的积木块，并将其显示在LED上。

学生通过编程实践初步体验了开源硬件程序设计中的算法思维，能够用相应的编程手段控制micro：bit开源硬件，设计出达成预期目标的作品。但是这个作品真的可以如预期设想的那样工作吗？大多数教师在教学活动中会让学生把这个代码上传到micro：bit，通过尝试振动两三次，观测是否可以显示不同的数字，以验证“选取随机数”是否正常工作。上述做法是一种“评估”测试开源硬件作品的方法，但这种做法只能证伪，不可以证真。也就是说如果通过两三次振动LED没有显示不同的数字，那么可以得出结论——这个数字骰子并没有正常工作，当前的设计是失败的（证伪）;但仅仅振动了两三次，并不能就此确信这个数字骰子是可以正常工作的（证真），因为在实际运作的过程中，设备存在多种非正常运作的可能。

课标提倡开展真实的学习，凸显学生的主体性，要求学生在教学活动中主动发现问题，在做中学、用中学、创中学。这既强调了学生在学习过程中的主体地位，也意指教师在教学活动中应启发学生深入思考，发现现存作品设计中的疑点和问题。

因此，在学生编写好代码之后，笔者有意识地引导学生思考两个问题：真实的骰子1～6的出现机会是均等的，你的数字骰子1～6的出现机会是均等的吗？通过振动两三次micro：bit看到不同的数字，就足够证明这点了吗？通过讨论，学生达成共识：①应对micro：bit数字骰子进行多次测试。②应记录每次测试的结果，便于观测1～6的整数是否“均匀地”出现，同时检查是否有超出1～6的情况。笔者带领学生设计了观测表，要求学生各自进行20次micro：bit振动测试，并利用观测表记录观测结果。这种评估活动不但锻炼了学生的计算思维，还培育了学生的科学精神，特别是问题意识、实证主义精神和严谨的求知态度。

● 在评估中体现科学精神

笔者发现，不少学生根据既有的数学知识，主观预判观测表的数中据，如果1～6出现次数较为平均，那么每个数字大约应出现20÷6=3.33次。有一部分学生在振动micro：bit进行评估的过程中发现2的出现次数特别多，在振动10次之后，2的出现次数已经达到了5～6次甚至更多。于是在接下来的评估中，他们不再将2填写到观测表中，而是重新振动micro：bit，直至晃出其他的数字再计入表中。

信息科技的课程性质之一就是培养科学精神和科技伦理，而科学精神的要素之一就是尊重事实与证据，有实证意识与严谨的求知态度。笔者针对这一现象进行了讲评，引导学生理解尊重实验评估的客观结果对科学探究本身的重要意义。学生也明白了如实记录评估实验数据的重要性：没有客观的数据记录，就无法得出科学的评估结果。

● 观测评估记录，培养问题意识

学生在教师的指导下，重新进行了评估活动，但发现了新问题：1～6的数字出现并不“均匀”。于是，笔者以学生甲乙的评估观测为例，将他们的评估记录数据导入Excel表格（如图1）。从两位学生的评估测试数据来看，2的出现次数明显偏少，只有最大值的三分之一甚至五分之一，而1、5的出现次数明显偏多。学生丙测试了50次，得到了类似的结果：评估数据的最大最小值之间相差了4倍。于是，学生提出问题：为什么这里1～6的出现次数“不均匀”？是不是“选取随机数”积木并不那么“随机”呢？

● 改进评估方法，发展计算思维

笔者调整了教学计划和进度，引领学生探究“‘选取随机数’是不是真的随机”这一问题。上述评估所观测到的现象，存在两种可能的解释：①可能micro：bit所提供的“选取随机数”积木，并不是真的随机。它的随机数生成质量很低，所以导致评估数据的大范围波动。②可能产生的评估样本太少，20次和50次振动，并不能完全反映“选取随机数”积木产生随机数的真实状况。无论是哪种可能性，都需要学生增加评估的样本，扩大评估数据的规模，从而对“选取随机数”的效果进行科学的分析。

因此，学生提出将评估样本提高到1000次。但是，手动振动1000次并且记录评估结果，是不小的工程，而且人力记录还存在出错的可能。于是，笔者引导学生应用计算思维中的“分解”理念，将评估的过程分解成三个部分进行思考（如图2）。其中A、C在较少评估数据的情况下，是用人力完成的。为了准确记录大规模评估的数据，笔者启发学生对A、C进行了改进（如图3），学生使用的代码样例如图4所示，最终的可视化结果如下页图5所示。

通过以上数据可知，课堂上设计的评估手段是可行的，数据经过可视化手段印证了“选取随机数”积木满足预想中的随机能力。评估过程中学生的计算思维得到了充分发展，学生不仅学到了科学评估的手段和方法，同时也锻炼了对复杂系统进行分解思考、对开源硬件进行编程的能力。在评估过程中使用IoT物联网技术，锻炼了学生使用实验设备搭建物联网原型，并通过实验平台读取、发送、接收、汇集和分析数据的能力。

通过上面的实践，学生的思维得到了启发，有的学生提出将评估的规模提升到100万次。但是，依靠摇摆器振动产生数据的过程较慢，这使得学生不得不追求更先进的评估手段。学生发现，评估的是“选取随机数”积木，和是否产生振动输入没有直接关联，只需要让程序不停地“选取随机数”，同时搜集产生的数据，就可以评估“选取随机数”的效果，于是学生改进了代码（如图6），最终的可视化结果如图7所示。

综上所述，学生通过不同阶段逐渐提升的评估活动，锻炼了自己的计算思维，也认可了“选取随机数”积木的可靠性。

● 利用评估活动发展计算思维的教学经验

计算思维是信息科技课程的核心价值，但是评估对发展学生计算思维的价值，经常被教师低估。评估与传统意义上的课堂评价不同，评估是运用计算思维对复杂系统的运行效果、时间空间效率、精确性、可靠性等进行科学的评价和研判。评估的结果对系统的精度、可靠性、正确性都提供了翔实可靠的客观结论。科学的评估是计算思维的重要运用途径，也是衡量学生计算思维发展程度的重要指标。

在教学活动中，教师应深入思考教材案例，从中发掘值得评估的内容，引发学生的好奇心和想象力，促使学生产生问题意识，在发现问题、设计评估方案、搜集评估数据、分析评估结果的过程中，综合运用多种信息科技的手段和技能开展对作品的评估。在教学中有意识地引导学生设计并实施科学的评估活动，既能印证学生计算思维的发展水平，又能体现其科学精神，同时，也会让信息科技课程变得更有魅力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]Cynthia C. Selby. Computational Thinking： The Developing Definition[EB/OL].2021[2022-8-8].https：//www.eprints.soton.ac.uk/356481/1/Selby_Woollard_bg_soton_eprints.pdf.

[3]吴旭日.信息技术八年级下册（2020修订版）[M].福州：福建教育出版社，2020.

[4]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016（10）：1-3.

本文是福建省教育科学“十四五”规划2021年度课题“利用开源硬件发展初中生计算思维的行动研究”（FJJKZX21-483）的成果之一。