随着人工智能技术的快速发展，计算思维已成为智能化时代人才的重要能力基石。2017年7月8日，国务院正式颁布了《新一代人工智能发展规划》，明确将“人工智能”确立为国家信息科技领域的未来发展方向。这一战略决策不仅凸显了人工智能在国家科技战略中的重要地位，也强调了培养具备计算思维能力的未来人才的重要性。随后，教育部出台《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》
［1］，再次强调了“人工智能”在培养未来人才中的核心地位，并将“计算思维”作为中小学信息科技课程核心素养之一。
开源硬件，作为信息科技课程探索人工智能领域的启蒙之钥，已在众多中小学的土壤中生根发芽，为学生打开了通往智能化世界的大门。然而，在当前的教学实践中，一个不容忽视的问题是，教学往往过于侧重对开源硬件的模仿操作，而忽略了对学生计算思维能力提升的关注。这种教学模式虽然能够让学生在短时间内掌握一些基本的操作技能，但从长远来看，难以培养出具备创新能力和问题解决能力的未来人才。
义务教育阶段是个体奠定知识基础和形成良好学习习惯的黄金时期，同样是培养学生计算思维的黄金阶段。计算思维作为智能化时代的重要思维方式，不仅关乎学生能否有效地运用信息技术解决问题，更关系到他们能否在未来的社会竞争中占据优势地位。因此，我们亟须转变教学策略，从单纯的模仿操作转向更加注重思维培养的教学模式。
布鲁姆的教育目标分类理论指出，认知领域的目标从低到高分为知识、领会、应用、分析、综合和评价6个层次。在当前开源硬件的教学中，教师往往停留在知识、领会和应用这3个较低层次的目标上，而忽略了对分析、综合和评价等高层次目标的追求。为了培养学生的计算思维，教师需要引导学生亲历以计算机为工具解决实际问题的全过程，围绕问题的发现、分析到解决方案的设计、实施和优化，让学生在实践中不断锻炼和提升思维能力。
因此，教师需要重新审视和调整开源硬件的教学策略，以计算思维为核心，构建真实性教学模式，让学生在实践中深入思考、主动探索，从而真正掌握计算思维的精髓，为其未来的学习和生活奠定坚实的基础。
1 立足基础知识，培养计算概念：基于建构主义与问题解决理论的教学实践
以计算思维为核心的开源硬件真实性教学模式具体包括3个核心环节：基础知识学习，为学生搭建坚实的理论基石；项目创作，鼓励学生在实践中探索与创造；交流评价，促进学生间的思想碰撞与自我反思，共同促进计算思维的全面发展。同时，为更好地适用于实际教学，增强其可操作性，可将此流程细化为教师活动、学生活动和计算思维的培养3个维度，如
图1所示。
在计算思维培养的初级阶段，教师活动应紧密围绕基础知识展开，旨在通过合理情境的创设，引导学生开展有序且深入的研究性学习。此阶段的教学设计深受建构主义学习理论和问题解决理论的启发，具体分为“遴选实例，创设情境”与“分解任务、制定评价细则”两个关键环节。
建构主义理论强调学习者通过与环境互动，主动构建个人知识体系的过程。在“遴选实例，创设情境”环节，教师精心挑选贴近学生生活或兴趣点的实例，建构真实或模拟的问题情境，以此激发学生的探究欲望和学习兴趣。这一过程不仅为学生提供了丰富的感官刺激，还促进了学生将新信息与已有知识结构进行关联，为计算思维的培养奠定基础。
问题解决理论指出，有效的问题解决过程包括问题识别、问题分析、方案生成、方案执行及结果评估等阶段。在此框架下，学生的活动重点在于“发现问题、描述问题、建构模型、制订方案、交流分享、改进优化”6个环节，每个环节都直接关联到计算思维能力的培养。
1.1 发现问题与描述问题
此环节基于问题解决理论中的“问题识别”阶段，教师引导学生从情境中识别出关键问题，并通过精确描述问题，培养计算思维中的界定问题技能。这一过程鼓励学生将问题分类，运用迁移学习策略，将过往知识应用于新问题中，实现知识的有效应用与整合。
1.2 建构模型与制订方案
在此环节，学生需运用抽象化思维，将复杂问题简化，提炼出问题的核心要素，建构解决问题的模型。这一过程体现了计算思维中的抽象化能力，是问题解决过程中的关键步骤。通过模型建构，学生能够更清晰地理解问题，并设计出可行的解决方案。
1.3 交流分享与改进优化
最后两个环节强调知识共享与迭代优化，符合问题解决理论中的“方案执行与结果评估”阶段。通过小组讨论、班级分享等形式，学生不仅能够获得来自同伴的反馈，还能在互动中深化对问题的理解，对初步方案进行修正和完善，从而提升批判性思维和创新能力。
本阶段的教学设计不仅强化了学生对基础知识的掌握，更重要的是，通过建构主义与问题解决理论的指导，有效培养了学生的计算概念，提升了他们运用所学概念抽象概括问题、制订解决方案的能力，为后续的深入学习和创新实践奠定了坚实的基础。
1.4 “智能小车”项目实例
以“智能小车”项目的教学为例，通过动手实践，让学生在制作过程中学习编程、相关开源硬件认知及简单的机械原理，同时培养其计算思维和创新能力。在基础知识的学习阶段，教师可以首先展示一段不同类型的智能小车在赛道上自动行驶、避障的场景视频，以此激发学生对智能科技的兴趣和好奇心。随后，教师介绍智能小车的基本构造和工作原理，引导学生思考如何让小车“聪明”起来，自动完成特定任务。生动有趣的视频和讲解，能够创设一个贴近学生生活且富有挑战性的学习情境，激发学生的探究欲和学习动力。然后，教师将项目分解为几个子任务，如学习Arduino编程基础、组装小车结构、编写避障程序等，并明确每个任务的目标和评价标准。在学生分组后，每组领取任务单，讨论并制订小组工作计划。通过任务分解，帮助学生明确学习路径和阶段性目标，同时制订评价标准，促进学生自我评估和相互评价，增强学习的针对性和有效性。
学生在学习Arduino编程时，发现需要解决如何让小车根据传感器信号调整行进方向的问题。在小组讨论结束后，学生将问题描述为：“我们需要编写一个程序，让小车在检测到前方障碍物时能够自动转弯避障。”通过小组合作，培养学生发现和界定问题的能力，学会将实际问题转化为可操作的编程任务。
学生利用所学知识，将复杂的避障任务抽象化为一个简单的逻辑判断模型：当传感器检测到障碍物时，输出信号给Arduino板，Arduino板根据信号控制电机转向。小组讨论并制订编程方案，包括变量定义、条件判断、循环结构等。通过抽象化设计，培养学生的计算思维，特别是抽象化能力，使他们能够抓住问题的核心要点，建构解决问题的任务模型。最后各组展示自己的编程方案和初步测试结果，分享在编程过程中遇到的问题及解决方案。师生共同讨论，对各组方案提出改进建议，如优化算法、提高避障灵敏度等。学生根据反馈修改程序，并再次测试，直至达到满意效果。通过交流和分享，促进学生之间的知识共享和思维碰撞，同时根据反馈进行改进和优化，进一步提升学生的计算思维能力和创新能力。
通过“智能小车制作”这一开源教学实例，学生不仅掌握了编程和相关开源硬件的基础知识，更重要的是在实践中锻炼了计算思维和创新能力，为未来的学习和生活打下了坚实的基础。
2 开拓项目创作，培养计算实践能力：基于项目式学习与算法思维的理论实践
在这一阶段，教学活动深入项目创作的实践层面，旨在通过实际操作和问题解决，进一步培养学生的计算实践能力。这一过程深受项目式学习（Project-Based Learning，PBL）和算法思维（Algorithmic Thinking）理论的启发，形成了教师活动与学生活动相结合的综合性教学模式。项目式学习（PBL）强调学生在真实或模拟情境中，通过主动探索、合作与交流，完成一个具有挑战性和现实意义的项目。在本阶段，教师活动包括“提供资源，促进活动”和“评价活动，提出建议”两个环节，这正是PBL理念的具体体现。
2.1 提供资源，促进活动
教师为学生提供必要的资源、工具和指导，以支持他们进行项目创作。这些资源可能包括技术工具、参考文献、专家讲座等，旨在促进学生的自主学习和合作探究。
2.2 评价活动，提出建议
在项目实施过程中，教师对学生的表现进行持续性的评价，并提供针对性的建议。这种评价不仅关注项目成果的质量，还重视学生在项目过程中的学习态度和技能发展。算法思维是指运用逻辑思维和数学方法，将复杂问题分解为一系列明确步骤，并寻求最优解的能力。在本阶段，学生活动多采用小组合作探究学习的方式，包括“设计算法、原型制作、测试检验、调试迭代、交流分享、改进优化”6个环节，这些环节正是算法思维培养的关键步骤。
2.3 设计算法与原型制作
学生运用流程图、思维导图等辅助工具，将项目构思转化为具体的算法设计。这一过程培养了学生的概括能力和设计能力，使他们能够清晰地表达问题解决的思路和方法。
2.4 测试检验与调试迭代
通过实际测试，学生验证算法的有效性和可靠性，并根据测试结果进行调试和改进。这一过程不仅培养了学生的问题解决能力，还锻炼了他们面对非预设问题的应变能力和反馈机制。采用“头脑风暴法”模拟解决方案，在多次迭代中寻找最优解，正是算法思维中优化策略的具体应用。
2.5 交流分享与改进优化
通过小组合作学习和交流分享，学生能够从不同角度审视问题，集思广益，使问题解决方案得到优化完善。这一过程培养了学生的团队合作能力和批判性思维能力，使他们能够在集体智慧中不断成长和进步。
本阶段的教学活动不仅强化了学生对计算实践的理解和应用能力，还通过项目式学习和算法思维的结合，培养他们综合运用算法思维、批判性思维等综合思维进行计算实践的能力。在面对不同问题时，学生能够快速找到多种解决方案，并采用最高效的方式找到问题最优解，为未来的学习和工作奠定坚实的基础。
2.6 “智能楼道灯”项目实例
在“智能楼道灯”项目的创作教学中，教师首先向学生展示红外线传感器的基本原理和智能楼道灯的工作视频，以此激发学生对项目的兴趣。随后，教师提供Arduino开发板、红外线传感器、LED灯等必要的硬件材料，以及编程环境（如Scratch for Arduino）和软件教程作为学习资源。同时，教师组织学生分组，确保每组都能覆盖到不同的技能和兴趣点，为学生提供丰富的学习环境和必要的资源支持，促进他们积极参与项目活动，为后续的学习活动奠定良好的基础。在项目进行过程中，教师定期巡视各小组的工作情况，了解他们的设计思路、算法实现和原型制作等环节。在“测试检验”和“调试迭代”阶段，教师特别关注学生的问题解决能力和应变能力，鼓励他们采用“头脑风暴法”寻找解决方案。在项目展示中，教师认真听取各小组的汇报，并给予具体的反馈和建议，帮助他们进一步优化作品。通过教师的评价和指导，促进学生的自我反思和持续改进。教师的反馈和建议能够帮助学生认识到自己的优点和不足，明确下一步的改进方向。同时，教师的鼓励和认可也能够增强学生的自信心和学习动力。
各小组在教师的引导下，首先讨论智能楼道灯的基本功能需求，即实现“人来灯亮，人走灯灭”的自动化控制。随后，利用流程图的形式表现系统的算法逻辑，包括红外线传感器的检测、信号处理和LED灯的控制等步骤。在此基础之上，学生利用Arduino开发板和红外线传感器等硬件材料搭建出智能楼道灯的原型，并进行初步的编程调试。通过讨论和规划算法逻辑，学生学会将复杂问题分解为可管理的子问题，并设计出解决问题的方案。流程图和思维导图等辅助工具能帮助学生清晰地表达设计思路，同时鼓励他们根据自己的实际水平选择合适的可视化表达方式。随后，学生将智能楼道灯原型放置在实际教学环境中进行测试，观察并记录其在不同情况下的表现。在测试过程中，教师发现系统在某些情况下无法准确判断人体移动的情况，导致灯光误触发或延迟触发。于是，小组学生采用“头脑风暴法”讨论问题的解决方案，如调节红外线传感器的灵敏度、增加延时判断机制等，并通过多次迭代调试优化系统性能。通过实际测试，学生能够发现系统设计中的不足，并学会运用批判性思维分析问题。“头脑风暴法”鼓励学生提出多种解决方案，并在实践中不断试错和调整，从而找到最优方法。这一过程不仅锻炼了学生的问题解决能力，还培养了他们有耐心、有毅力的品质。
在项目接近尾声时，各小组可以轮流展示他们的智能楼道灯作品，分享设计思路、测试经验和改进过程。其他小组成员认真听取并提出建设性意见。例如，有小组建议增加声音检测功能，以应对特殊情况；有小组则提出优化用户界面，以提高用户体验度。根据这些反馈和建议，小组学生进一步改进和优化了他们的作品。通过交流分享，学生不仅能够展示自己的成果和收获，还能从他人身上学到新的知识和方法。同时，集思广益的过程有助于发现作品设计中可能存在的盲点，从而推动作品的进一步完善和优化。这种合作与分享的精神也是计算思维中不可或缺的一部分。
3 共享交流评价，培养计算观念：基于反思性学习与同伴评价的理论视角
在这一阶段，教学活动聚焦于共享交流评价，旨在通过作品展示、反馈分析和持续改进，培养学生的计算观念。这一过程深受反思性学习（Reflective Learning）和同伴评价（Peer Assessment）理论的启发，形成了教师活动与学生活动相结合的综合性评价机制。
反思性学习强调学习者在学习过程中对自己的认知、行为和结果进行审视和评估，从而调整学习策略，促进深度学习的发生。在本阶段，教师活动“总结提升，鼓励实践”正是反思性学习理念的具体体现。教师通过总结项目过程中的经验教训，引导学生思考如何将所学知识应用于实际问题解决中，并鼓励他们进行更多的实践探索。
3.1 作品展示与巩固强化
学生展示自己的项目作品，并在此过程中回顾和巩固所学知识和技能。这一环节不仅是对项目成果的展示，更是对计算观念和思维方式的展示。通过作品展示，学生可以清晰地看到自己在学习过程中的成长和进步。
3.2 迁移升华与反复迭代
在分析反馈和改进作品的过程中，学生需要运用迁移能力，将所学知识迁移到新的情境中，解决新的问题。这种迁移不仅是对知识的应用，更是对计算观念的深化和升华。同时，通过反复迭代作品，学生不断优化和完善自己的创意，体现了计算观念的持续发展和提升。
同伴评价是指在学习过程中，学生之间相互评价对方的学习成果和表现，从而提供反馈和建议，促进彼此的学习和发展。在本阶段，学生活动包括“作品展示、巩固强化、迁移升华、反复迭代”4个环节，其中组间互评是同伴评价的重要形式。
3.3 组间互评与教师评价
在作品交流展示完成后，学生通过组间互评和教师评价的方式，获取来自不同角度的反馈和建议。这些反馈不仅指出了作品中存在的问题和不足，还提供了改进的方向和方法。通过借鉴别人的观念和创意，学生可以丰富和完善自己的计算观念。
3.4 思维迁移与拓展能力
在不断交流评价中，学生需要运用思维迁移和拓展能力，将所学知识与技能应用于新的情境中，解决新的问题。这种能力不仅是对知识的灵活运用，更是对计算观念的深化和拓展。通过同伴评价，学生可以更加清晰地认识到自己的优势和不足，从而调整学习策略，促进深度学习。
本阶段的教学活动不仅强化了学生对计算观念的理解和应用能力，还通过反思性学习和同伴评价的结合，培养了他们的思维迁移和拓展能力。在不断交流评价中，学生能够发现存在的问题，借鉴别人的观念优化创意作品，从而丰富和完善自身的计算观念。这一环节是学生计算观念的重要体现，也是他们未来学习和工作中不可或缺的重要能力。
3.5 “温度感应风扇”项目实例
以“温度感应风扇”的教学项目为例，教师首先可以带领学生回顾整个项目的学习过程，强调温度传感器在自动化控制中的重要作用，以及如何通过编程实现风扇转速随温度变化而自动调节的功能。接着，教师对学生的表现给予肯定，特别表扬那些在项目中展现出创新思维和良好团队合作精神的学生。最后，教师鼓励学生将所学知识应用到日常生活中，思考更多利用传感器技术的创意项目。通过总结回顾，学生能够更加清晰地认识到自己在项目中的成长和进步，增强自信心和学习动力。同时，教师的鼓励和引导能够激发学生的创造力和想象力，促使他们不断探索新的科技领域。
学生可以小组轮流上台展示他们的温度感应风扇作品，详细介绍设计思路、制作过程和实验效果。有的小组采用LED灯带显示当前温度，有的小组则通过声音提示温度变化，还有的小组设计了多种风速挡位以适应不同温度环境。通过作品展示，学生能够展示自己的创意和才华，增强自信心和成就感。同时，其他学生也能从中学到新的设计思路和实现方法，拓宽视野和思路。
在作品展示后，教师引导学生对所学知识进行巩固和强化。通过提问、讨论和练习等方式，帮助学生加深对温度传感器工作原理、编程逻辑和调试技巧的理解。同时，教师还应鼓励学生提出在项目中遇到的问题和困惑，并一起探讨解决方案。通过提问和讨论，教师能够及时了解学生的学习情况，发现存在的问题并给予针对性的指导。同时，学生的积极参与能够促进课堂氛围的活跃。
在巩固强化阶段之后，教师还要引导学生思考如何将所学知识迁移到其他领域或项目中。例如，讨论如何利用其他类型的传感器（如湿度传感器、光敏传感器等）实现更复杂的自动化控制；或者探讨如何将温度感应风扇的设计思路应用到智能家居系统中。通过引导，学生将所学知识应用到新的情境和问题中，而教师能够帮助学生形成更加全面和深入的理解。同时，这种迁移和拓展的过程能够激发学生的创造力和想象力，促进他们的创新思维发展。
在项目结束后，教师更要鼓励学生根据评价反馈对作品进行反复迭代和优化。学生可以根据自评、组间互评和教师评价的结果，针对存在的问题进行改进和完善。例如，调节温度传感器的灵敏度、优化编程逻辑、改进外观设计等。同时，教师也为学生提供必要的支持和指导，确保他们能够顺利完成迭代过程。通过不断改进和完善作品，学生能够更加深入地理解所学知识与技能的应用场景和限制条件。同时，这种迭代过程能够帮助学生形成更加严谨和细致的工作态度与方法论基础。
以上3个阶段为以计算思维为核心的开源硬件真实性教学模式构建的一般流程，该流程包含计算思维关键能力要素的贯穿和思维内容的嵌入。培养流程各环节均包含了计算概念、计算实践、计算观念3个维度，你中有我，我中有你。此教学模式也是江苏省教育科学“十四五”规划2021年度立项课题“基于开源硬件的区域创客教育实践研究”的成果之一。
4 结语
以计算思维为核心的开源硬件真实性教学模式的构建与探索在真实性教学的前提下，通过开源硬件课程教学内容的完成，把计算思维能力的培养贯穿于整个教学过程始终。明确教师活动和学生活动各环节的教学部署和衔接，使整个教学过程环节清晰、目标明确，教师可操作性强，学生计算思维能力明显提升，实际教学效果显著。当然，此教学模式还应在更多的实际教学中不断完善和优化，以便更好地为提升学生计算思维能力、为信息科技的高效课堂教学添砖加瓦。
江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题“基于开源硬件的区域创客教育实践研究”(C-c/2021/02/227)
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