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基于S4A技术的中小学图形化编程教育的方法策略

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黄振余唐路胜

编程技术作为实现人工智能的基础，近年来，也逐渐步入了中小学教育的视野。S4A是一种互动媒体技术，它能把编程教育、真实环境、虚拟世界这三者有机地联系在一起，实现如AR、VR般的虚实互动的体验。在S4A环境中，学生通过测控板硬件与图形化编程软件的学习，初步实现虚拟与真实世界之间的互动，体验人工智能编程技术的计算思维与表达方式。这种基于S4A的图形化编程，同时融入智能传感器技术，实现简易的人工智能的交互效果，这是在中小学课堂中实现人工智能编程教育的有效途径。

关于S4A互动媒体技术

S4A是一款由西班牙的Citilab团队在Scratch基础上开发的拥有极高“趣味性”的软件。Scratch的优势在于免费的软件、廉价的开源硬件以及友好的编程模式，这也使得它从诞生的那一刻起，就成了编程教育与创客教育所关注的“香饽饽”。S4A是Scratch for Arduino的简称，是一款基于Arduino的图形化编程软件，采用积木式编程方式，学生如玩游戏一样就可以进行学习。

图形化编程技术的优势在于它不需要纠结于某一个编程指令的语法与语义，或者是某个字符的录入是否完全正確。学生只要会用鼠标，就能通过鼠标拖拽的方法来实现编程，大大简化了学生编程的操作过程，可以释放更多的精力在计算思维与逻辑关系的学习上。在S4A中，为Scratch编程平台提供了一系列传感器模块与输出模块的脚本，通过对编程脚本的搭建，就能连接到外部Arduino硬件设备，对真实世界进行数据采集或表达执行。

基于S4A技术的图形化编程教育的方法与策略

通过S4A技术环境下的学习，既可以提升学生的编程思维能力，也可以锻炼学生的跨学科解决问题的综合能力。下面，笔者将使用基于Arduino UNO的测控板硬件与基于Scratch 3.0的Mind+图形化编程软件，以《神奇的吹牛大王》一课为例进行分析与研究，探索在中小学常规课堂环境下的图形化编程教育的方法与策略。

在《神奇的吹牛大王》课例（以下简称“课例”）中，主要使用声音传感器与LED灯硬件进行课堂教学，学生通过编写程序实现“吹牛飞上天”小游戏的创作：当有人用嘴巴吹动声音传感器时，板载的LED灯会亮起，计算机里的虚拟角色也逐渐向天空飞起。为了实现教学任务，笔者根据S4A互动媒体技术的特点，进行了基于S4A技术的教学实践，将教学的主要过程归纳为“创境—学境—评境”的“三化式”教学方法。

1.创境——真实化教学情境，体验虚实互动

根据S4A技术的虚实性，学习的范围可以变得更加宽广，学习的方式、空间、时间也随之发生改变。在课堂教学中，可以创设出独特的教学情境，让学生在虚拟与真实世界中进行互动。在课例中，教师创设了“吹牛大王争霸赛”比赛活动的真实化教学情境，让学生在体验真实化的互动情境的魅力中，提高对学习的参与感与期待感，激发他们对课程的学习兴趣。课例硬件教具与软件界面如图1、图2所示。

学生在使用教具进行吹牛比赛的时候，就可以初步体验虚实世界之间互动的魅力，知道“虚拟”是计算机软件中的程序角色，“真实”是教具中隐藏的声音传感器。他们在吹动声音传感器时，经历了真实世界的数据采集以及将数据转化为信号的过程，再以测控板硬件为传输介质，通过编程技术对信号进行分析与思考并做出反映程序，如上升或者下移动作。在这个体验真实化教学情境的过程中，学生经历的可能仅仅是一个小游戏，但其背后蕴含的却是一个无比丰富的数据化世界，是虚拟世界对真实世界环境数据的计算与表达，是一场思考方式与表达思考方式的革命！学生在S4A技术的体验过程中，就自然地进入了人工智能编程技术的世界。

2.学境——分解化编程任务，尝试互动媒体

将复杂的生活问题，分解成一个个相对独立而简单的问题是一种有效的解决问题的思维能力。学生在课例中要完成的任务包括连接硬件、开关LED灯、采集声音数据、电脑虚拟角色的移动等复杂的综合性作品。想要一蹴而就，一下子完成作品，是非常困难的。针对这种复杂的编程问题，可以采用分解化编程三步法：总任务—分任务—汇总任务。根据课程内容将总任务有机地拆分为多个相对独立而又相互联系的分任务，把分任务分别完成后，再进行任务的汇总与整合，完成复杂的综合性总任务。

在课例的设计学境环节，教师就采用了分解化任务的方法，把总任务分解为三个简单的分任务：①认识Mind+软件（开关LED灯）;②制作声控灯（采集声音数据）;③实现角色互动（汇总任务）。通过这种分解化编程任务的方法，就能把复杂的编程问题拆分成容易完成又相对简单的编程小问题。

3.评境——实体化评价过程，量化学习成果

基于S4A技术的课堂的特别之处在于课堂教学环境中会使用实体硬件，所以其评价方式也比普通课堂拥有更多的可能性，也可以在真实的情境中检测学生对知识的掌握程度。在课例中，教师就设计了三种不同形式、不同阶段的实体化评价方法。

（1）基于实体硬件闪灯的评价方法

学生在课堂中完成了测控板板载LED灯的闪烁任务后，就可以高举测控板模拟挥动荧光棒的真实情境。教师通过观察，可以很方便地对学生的实体闪灯数量进行量化与统计，能精确地知道学生的实际完成数量。这种简单地通过数数方式就能进行精确的量化评价的功能，也是S4A区别于其他课堂的优势。这种采用实体硬件互动的评价方法，既实现了活跃课堂氛围的功能，把学生带入真实互动情境，也让他们体验到用编程技术来影响生活的成功和喜悦。教师可以用轻松简单的方式掌握学生对学习任务的完成情况，为顺利开展下一步的教学工作提供了真实数据的支持。

（2）基于实体传感器互动的自评方法

在S4A教学中，当学生完成某个学习任务时，教师可以灵活组织学生进入自检程序的自评环节。例如，学生在完成声控灯的任务时，可以组织一场为自己鼓掌的活动，用声音传感器采集自己的掌声，然后检测是否实现了声控灯的教学任务。当全班学生鼓起掌的时候，学习的氛围与学生自评的专注度绝对会让我们感到欣慰与激动。在这种简单的鼓掌自评的体验方式中，学生也能再一次感受到用编程技术来影响生活的成功和喜悦。这既是学生为自己学习过程的鼓掌，也是为他们学习S4A技术的喝彩。通过这种实体传感器互动的方式，学生也实现了在自检中对自己的学习效果进行自我评价。S4A技术为课堂评价方式提供了更多的可能性，这种多元化的评价方式也是S4A课堂的魅力。

（3）基于实体硬件与编程的综合评价方法

基于S4A技术的编程课堂，还可以围绕它本身的软硬兼备的特征来进行特殊的综合评价。在课例中，教师设计了一张与虚实世界相结合的特殊学习任务卡，并将其作为综合评价的一种方式。与普通课堂的评价方式相比，这个任务卡增加了一种硬件调试类评价指标，学生可以先对照任务卡的任务说明，进行自主调试硬件活动，看是否达成指标要求，再进行自评打分。这种评价方式既是学习过程性的评价，也是学习成果的综合评价，学生在课堂中的任何时间节点都可以进行硬件调试和评价自身的学习进度。这是一种需要有外部硬件支撑才能进行的评价方式，而S4A技术在这方面也表现出了其优秀的能力。具体任务卡设计如图3所示。

S4A技术为中小学阶段开展编程教育提供了路径，如今，它已经逐渐成为人工智能编程教育的重要组成部分，它能拉近学生与人工智能的距离，激发学生的学习兴趣，让编程教育成为常态课。我们希望通过S4A互动媒体技术在中小学中实现编程教育的普及化，为祖国培养出更多符合人工智能时代特征的具有编程能力与创新精神的综合型人才。

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