结合CS-Unplugged与树莓派学计算机原理

结合CS‐Unplugged与树莓派学习计算机工作原理

摘要

从一开始，计算机科学就受到一种观念的阻碍，即计算机科学仅仅专注于编程。这导致计算相关学习非常有限，并且很少教授给学生。信息与通信技术工具在间接学习中的广泛使用改变了学生与内容互动的方式。本文提出了一种不同的方法，在保持教师对课堂活动控制中心的同时，让学生有机会通过CS‐Unplugged和树莓派探索所学内容。该活动旨在提供有关计算机如何工作的基础知识。其中一项活动是通过CS Unplugged方法模拟并实验计算机的工作原理。从模拟中形成的基础知识随后被用作使用树莓派组装简单计算机的基础。根据观察和访谈的结果，CS Unplugged的应用提供了一种建立在计算机工作基本概念之上的学习体验。这体现在学生学习计算机工作原理时的学习动机和积极性有所提高。这种体验进而使学生能够轻松地开展各种使用树莓派的计算机组装实验。

1. 引言

从一开始，计算机科学就受到一种观念的阻碍，即认为计算机科学仅仅专注于编程。这导致计算相关学习非常有限，学生很少有机会接触到相关内容。另一方面，所教授的计算机科学知识似乎孤立存在，脱离了其与现实生活的联系以及解决日常问题的相关性 [1]。理想情况下，学生应当学习计算机科学的基本理解，这不仅能使学生成为技术的使用者，还能让他们参与到利用计算机创新以提升生活质量的努力中 [2]。这一点变得尤为重要，因为我们生活在数字时代，几乎所有事物都依赖于技术的存在。

但随后情况发生了变化。作为信息与通信技术（ICT）最小组成部分的计算机，已遍及全球，不仅深入介入教学角色，也渗透到人类生活的其他各个方面。计算机不仅在物质层面实现了自动化，还在解决许多生活问题方面优化了其作用。据伊斯坎达尼 [3],所述，尤其是在信息与通信技术（ICT）方面的技术突破，为全球各国经济带来了前所未有的益处。此外，信息与通信技术（ICT）对社会实践也产生了影响，特别是关于信息获取权力 [3]。在学习背景下，信息与通信技术（ICT）被视为学生发展认知推理和心理运动能力 [4] 所必需的工具。穆罕默德和巴卡尔 5, 、巴鲁丁等人 [6] 也指出，计算机技术是一项重要的教学领域中的重要工具，使用计算机技术被认为对学生 [7] 和教师都有益。从此时起，计算机素养的概念迅速发展，但仍存在许多尚未完全解决的问题，其中之一便是：应该如何呈现计算机学习？

有许多可用于课堂学习的教学方法。在计算机学习方面，最早与计算机学习相关的学习理论是 J.M. 卡罗尔 [8] 提出的极简主义理论。极简主义理论基于我们学习和与计算机交互的多种方式而发展起来，包括文字处理、数据库和编程应用 [8]。

信息与通信技术工具在间接学习中的广泛应用改变了学生与内容互动的方式 [9]。传统上，内容以口头方式传递给学生，同时学生更依赖以教师为中心的学习方法。本文提出了一种略有不同的方法，在保持教师对课堂活动控制中心地位的同时，让学生有机会通过角色扮演（CS‐Unplugged）和开展一系列实验（树莓派）来探索所要学习的内容。本研究选择的材料是计算机系统。该材料的一个重要要点是，学生必须能够理解计算机的工作过程，即计算机如何将数据转化为信息？

选择这一情境是为了解决一些学习中的问题：当在课堂上讲授教学内容时，学生往往显得无聊，因为他们只能被动地听教师使用讲授法进行讲解；此外，长时间的坐着听课也让部分学生感到厌倦。学生在学习过程中缺乏积极性，也影响了他们对所学内容的理解质量，再加上一些术语未能理解，抽象数据处理对学生而言仍然难以掌握。

一种可用于学习计算机科学的方法是CS‐Unplugged（计算机科学‐脱离计算机）方法。事实上，CS‐Unplugged提供并教授学生一种无需使用计算机即可接触计算机科学概念的方式 [10]。

CS‐Unplugged的设计使得学习过程不依赖于技术，即使低年级的学生也能轻松学习计算机科学 [11]。

CS‐Unplugged 一直是通过学生非常感兴趣的活动来教授计算机科学的成功范例。德国多特蒙德工业大学的雷娜特·蒂斯和扬·瓦伦霍尔德 [12] 调查了 CS‐Unplugged 活动在太空环境中应用的适用性，方法是教授一组学生。他们使用 CS‐Unplugged 活动来教授一部分学生，而对另一部分学生则使用其他替代媒介（非 CS‐Unplugged）。他们的研究结果表明，CS‐Unplugged 活动在知识传授方面同样有效，因为使用 CS‐Unplugged 活动学习的学生组与使用替代媒介学习的学生组之间在成绩上没有显著差异。此外，研究人员还探讨了在不同年级水平使用 CS‐Unplugged 活动的效果，发现这些活动在高中班级 [12,13] 中使用时具有显著的积极影响。

在其发展过程中，CSTA发布的计算机科学标准 [14,15] 以及CS‐Unplugged K‐12的出现表明，计算机学习不仅限于掌握和使用计算机应用程序的能力，还应从科学（science）的角度理解计算机。这种学习方法旨在训练学生在理解计算机基本概念和工作方式方面的认知思维能力。最重要的是，学生能够认识到计算机的基本概念并不总是与计算机的物理实体相关 [16]。

同时，重要的是要让学生明白，理解计算机的工作原理需要数学思维，并支持计算思维的发展 [16]。

树莓派本身实际上是一台信用卡大小的计算机，其设计和生产的初衷是为教育提供廉价计算设备 [17]。从一开始，树莓派的存在就是为了通过提供可访问且易于获取的硬件，激活并革新计算机科学教学 [18]。

树莓派由基于ARM的处理器提供支持，工作频率为700兆赫兹至1.2吉赫兹，内存为256 MB至1 GB，具体取决于所使用的型号或类型。主要组件包括高清多媒体接口、USB端口、以太网端口和SD卡。树莓派上的默认操作系统是 Raspbian系统，或基于 Debian 的 Linux 系统。除了主要组件外，树莓派还配备了多种接口，用于与小型电子设备进行交互。串行显示（DSI）接口可用于连接触摸屏；摄像头串行接口（CSI）可用于拍摄照片或视频；传感器和/或执行器可连接到通用输入/输出引脚（GPIO），以监测并响应环境变化。树莓派的优势在于它提供了一个通用的编程环境（例如，Linux），并允许通过接口直接控制硬件。

2. 学习方法

本学习活动旨在为学生提供关于计算机工作原理的基础知识。其中一项活动是通过非插电式角色扮演‐CS方法与使用树莓派组装简单计算机的结合，为学生提供模拟和实验计算机工作过程的机会。从非插电式角色扮演‐CS活动中形成的基础知识，随后被用作使用树莓派组装简单计算机的基础。学生通过非插电式角色扮演‐CS活动需要理解的一个重要观点是：计算机并不理解它正在执行的操作，它仅遵循计算机用户给出的指令。而通过使用树莓派进行简单计算机组装的活动，学生将能够在更简单的层面上更好地理解计算机架构，并能够根据各部件在计算机系统中的分工定义其作用。

学生成绩数据通过工作表进行收集。在简化的计算机工作过程模拟中，假设计算机由3个主要组件组成：
- CPU（中央处理器）这是计算机中负责管理指令顺序并将其转发给其他兼容组件的部分。扮演CPU的学生将获得一个程序来运行，并负责告诉其他组件需要执行的操作。
- ALU/内存 （算术/逻辑与存储单元）ALU是计算机中负责执行所有数学和逻辑运算的部件。扮演ALU/内存的学生需要记录当前的x和y值，并执行CPU请求的数学运算。同时，内存负责存储信息，以便日后调用。
- 显示器 显示器是计算机中负责呈现特定计算过程结果的部件。扮演显示器的学生将响应CPU的“绘图”命令，在显示网格（如图1所示）上绘制x和y值。

该学习活动的主要场景是：教师指派学生分别扮演计算机的各个组件，并给出一个简单的案例来完成。扮演中央处理器的学生按顺序处理每条指令，然后将需要执行的操作传递给扮演算术逻辑单元/内存和显示器的学生。

第一次活动之后，进行了使用树莓派组装简单计算机的实践，其主要目的是将理解计算机组件作用的经验映射到实际的计算机设备中。最终使学生能够区分哪些组件属于输入、处理、存储和输出组件。

3. 结果与讨论

该研究涉及88名学生，他们被分为4个班级。每个班级由22至24名学生组成，再进一步分为七个小组，每组三名学生。每个小组将任务和角色分配给中央处理器、算术逻辑单元和显示器，每人担任一个角色；如果小组有四人，则算术逻辑单元由两人担任。分配任务后，学生们按照各自的角色排成三行，分别为中央处理器、算术逻辑单元和显示器。每位学生根据所在行的名称领取相应的工作表，并整齐列队。

扮演中央处理器和算术逻辑单元的学生坐在一起，共同完成给定的作业或程序。算术逻辑单元完成程序中的所有指令后，将计算表交给显示器，然后显示器在提供的图像媒介上绘制出算术逻辑单元计算出的坐标点。

模拟活动持续进行2次，每次40分钟。从介绍性材料开始，讲解模拟的技术原理、如何进行计算、如何记录数据以及如何绘图。学生热情地选择分配的角色，学习通过扎实的活动展开，使学生无暇分心玩耍。由于所有学生都积极参与模拟，学习时间感觉短暂。一些学生表达了对这种新颖学习体验的愉悦感受，在信息与通信技术学习中，不再仅仅是听讲授课内容、听教程或练习使用应用程序。

在模拟活动的第一阶段，需要注意以下几个方面：（a）学生的反应开始显现，因为学习需要肢体活动和小组协作，因此学生在学习活动中会出现走动和讨论的情况。（b）教师不再作为主要讲解者，而是发挥引导作用，指导学生的行为符合正在进行的角色扮演模拟的要求。（c）学生仍然倾向于害怕选择任务较重的角色，即担任算术逻辑单元，因为他们需要进行计算。（d）仍有一些学生不了解如何计算程序，导致计算结果出现负数（‐）。（e）学生重复记录结果，导致计算得出的坐标点数量多于可用的指令数量。（f）模拟所需的时间实际上较多，尤其是在讲解如何计算时，因此在会议结束时用于学习反思的时间非常少，效果不佳。

根据这些记录，进行了几项改进。在此阶段的学习中，学习活动首先由三名学生分别扮演中央处理器、算术逻辑单元和显示器，并在班级面前进行模拟。被其他学生观察。充当中央处理器的学生在班级前面大声朗读程序，以便充当算术逻辑单元和显示器的学生能够听到，同时让作为观众的学生也能听到；作为观众的学生还可以模拟算术逻辑单元和显示器的行为。

模拟活动按照每条指令依次进行，中央处理器读取命令，算术逻辑单元进行计算，然后显示器立即绘制坐标点，接着进入下一条指令（如图2所示）。如此反复，直到所有指令执行完毕。模拟活动完成后，学生和教师共同反思计算机中与中央处理器、算术逻辑单元和显示器作用相关的数据处理内容。通过观看关于基本计算机组件的视频展示，学生进一步加深了对计算机系统中硬件与软件知识及其相互关系的理解。本次学习的最后一项活动是口头测验，问题包括学生从视频展示中获取的有关计算机系统、计算机硬件和软件设备的信息，以及关于计算机硬件的名称和功能的问题。

根据访谈结果，大多数学生喜欢以模拟形式进行学习，原因是这种方式更加轻松，不会一直过于严肃和紧张；同时由于是直接实践而不仅仅是听讲，因此更容易记住。然而，也有一些需要改进的学习情况，包括部分学生难以跟上模拟的节奏，导致跟不上课堂活动。这主要是因为学习模式发生了变化，更注重激发学生主动构建学习材料的初步概念。在学习结束时进行的笔试显示，在88名学生中有67人成绩超过了最低要求值75分。大多数低于最低分数阈值的学生反映他们在计算和绘图方面感到困惑，因为本次学习中的绘图方式与数学课上所学的不同——数学课从左下角开始绘图，而本次学习是从左上角开始。其中有24人的得分为> 90。在理解计算机系统中CPU、算术逻辑单元和显示器功能之间关系的能力方面，有46名学生取得了良好成绩，其中24人获得了满分100分。在计算和绘制坐标点的能力方面，有40名学生的得分达到100分。而在使用树莓派进行的简易计算机组装实践活动中，数据显示88名学生中有83人成绩超过了最低要求值，其中甚至有55人获得了> 90分。在确定树莓派设备各组件及其功能方面的表现中，有70名学生取得了良好成绩，其中37人获得了满分100分。根据所获得的数据，73名学生能够复述计算机系统的组件，并能在不同的计算机单元中举例说明各个组件。这表明学生在教学活动中的动机、积极性和反应程度的提升与他们的理解水平之间存在正相关关系。

对多名学生进行的访谈表明，活动表带来的价值获取方面的变化是学习习惯化所致，进而在学生在解决问题时的心态产生了影响。当被问及CS‐Unplugged以及树莓派在学习中的作用时，一些学生表示：“CS‐Unplugged帮助我理解计算机的工作原理”；“CS‐Unplugged使基础计算机学习变得更加有趣⋯⋯特别是使用树莓派组装计算机时”。甚至有学生表示，这种学习方式并不像一般的学习，而更像是在玩耍，非常令人兴奋。

4. 结论

通过结合CS‐Unplugged和树莓派进行“计算机如何工作”的基础计算机系统学习过程，影响了学生对材料的理解能力。从研究结果可以看出，学习动机与学生理解能力的提升之间存在联系。提高学习动机可以增强学生对正在教授或学习的计算机科学理论材料的理解能力。

根据我们开展的研究，我们了解到教师在将教学内容转化为多种教学材料以帮助学生学习方面所发挥的作用和创造力，在学习过程中至关重要。CS‐Unplugged 与树莓派的引入被证实能够有效提升学生对学习计算机基础知识的兴趣和热情。我们在学习过程中所做的观察也表明，学生的计算思维得到了成长与发展。一些学生认为，如果将相同的学习模式应用于其他学科，必然会产生相当积极的影响。