吹响信息科学技术基础教育改革的号角

（一）

信息科学技术是信息时代的标志性科学技术。信息科学技术在社会各个活动领域广泛而深入的应用，就是人们所熟知的信息化。信息化是21世纪最为重要的时代特征。作为信息时代的必然要求，它的经济、政治、文化、民生和安全都要接受信息化的洗礼。因此，生活在信息时代的人们应当具备信息科学的基本知识和应用信息技术的基础能力。

理论和实践表明，信息时代是一个优胜劣汰、激烈竞争的时代。谁先掌握了信息科学技术，谁就可能在激烈的竞争中赢得制胜的先机。因此，对于一个国家来说，信息科学技术教育的成败优劣，就成为关系国家兴衰和民族存亡的根本所在。

同其他学科的教育一样，信息科学技术的教育也包含基础教育和高等教育两个相互联系、相互作用、相辅相成的阶段。少年强则国强，少年智则国智。因此，信息科学技术的基础教育不仅具有基础性意义，而且具有全局性意义。

（二）

为了搞好信息科学技术的基础教育，首先需要明确: 什么是信息科学技术？信息科学技术在整个科学技术体系中处于什么地位？在此基础上，明确： 什么是基础教育阶段应当掌握的信息科学技术？

众所周知，人类一切活动的目的归根结底就是要通过认识世界和改造世界，不断地改善自身的生存环境和发展条件。为了认识世界，就必须获得世界（具体表现为外部世界存在的各种事物和问题）的信息，并把这些信息通过处理提炼成为相应的知识；为了改造世界（表现为变革各种具体的事物和解决各种具体的问题），就必须根据改善生存环境和发展条件的目的，利用所获得的信息和知识，制定能够解决问题的策略并把策略转换为可以实践的行为，通过行为解决问题、达到目的。

可见，在人类认识世界和改造世界的活动中，不断改善人类生存环境和发展条件这个目的是根本的出发点与归宿，获得信息是实现这个目的的基础和前提，处理信息、提炼知识和制定策略是实现目的的关键与核心，而把策略转换成行为则是解决问题、实现目的的最终手段。不难明白，认识世界所需要的知识、改造世界所需要的策略以及执行策略的行为是由信息加工分别提炼出来的产物。于是，确定目的、获得信息、处理信息、提炼知识、制定策略、执行策略、解决问题、实现目的，就自然地成为信息科学技术的基本任务。

这样，信息科学技术的基本内涵就应当包括： ①信息的概念和理论； ②信息的地位和序（1） Arduino与通用技术〖2〗〖2〗 〖1〗 作用，包括信息资源与物质资源的关系以及信息资源与人类社会的关系； ③信息运动的基本规律与原理，包括获得信息、传递信息、处理信息、提炼知识、制定策略、生成行为、解决问题、实现目的的规律和原理； ④利用上述规律构造认识世界和改造世界所需要的各种信息工具的原理和方法； ⑤信息科学技术特有的方法论。

鉴于信息科学技术在人类认识世界和改造世界活动中所扮演的主导角色，同时鉴于信息资源在人类认识世界和改造世界活动中所处的基础地位，信息科学技术在整个科学技术体系中显然应当处于主导与基础双重地位。信息科学技术与物质科学技术的关系，可以表现为信息科学工具与物质科学工具之间的关系： 一方面，信息科学工具与物质科学工具同样都是人类认识世界和改造世界的基本工具；另一方面，信息科学工具又是驾驭物质科学的工具。

参照信息科学技术的基本内涵，信息科学技术基础教育的内容可以归结为： ①信息的基本概念； ②信息的基本作用； ③信息运动规律的基本概念和可能的实现方法； ④构造各种简单信息工具的可能方法； ⑤信息工具在日常活动中的典型应用。

（三）

与信息科学技术基础教育内容同样重要甚至更为重要的问题是要研究： 怎样才能使中小学生真正喜爱并能够掌握基础信息科学技术？其实，这就是如何认识和实践信息科学技术基础教育的基本规律的问题。

信息科学技术基础教育的基本规律有很丰富的内容，其中有两个重要问题： 一是如何理解中小学生的一般认知规律；二是如何理解信息科学技术知识特有的认知规律和相应能力的形成规律。

在人类（包括中小学生）一般的认知规律中，有两个普遍的共识： 一是“兴趣决定取舍”；二是“方法决定成败”。前者表明，一个人如果对某种活动有了浓厚的兴趣和好奇心，就会主动、积极地探寻奥秘；如果没有兴趣，就会放弃或者消极应付。后者表明，即使有了浓厚的兴趣，如果方法不恰当，最终也会导致失败。所以，为了成功地培育人才，激发浓厚的兴趣和启示良好的方法都非常重要。

小学教育处于由学前的非正规、非系统教育转为正规的系统教育的阶段，原则上属于启蒙教育。在这个阶段，调动兴趣和激发好奇心理更加重要。中学教育的基本要求同样是要不断调动学生的学习兴趣和激发他们的好奇心理，但是这一阶段越来越重要的任务是要培养他们的科学思维方法。

与物质科学技术学科相比，信息科学技术学科的特点是比较抽象、比较新颖。因此，信息科学技术的基础教育还要特别重视人类认识活动的另一个重要规律： 人们的认识过程通常是由个别上升到一般，由直观上升到抽象，由简单上升到复杂。所以，从个别的、简单的、直观的学习内容开始，经过量变到质变的飞跃和升华，才能掌握一般的、抽象的、复杂的学习内容。其中，亲身实践是实现由直观到抽象过程的良好途径。

综合以上几方面的认知规律，小学的教育应当从个别的、简单的、直观的、实际的、有趣的学习内容开始，循序渐进，由此及彼，由表及里，由浅入深，边做边学，由低年级到高年级，由小学到中学，由初中到高中，逐步向一般的、抽象的、复杂的学习内容过渡。

（四）

我们欣喜地看到，在信息化需求的推动下，信息科学技术的基础教育已在我国众多的中小学校试行多年。感谢全国各中小学校的领导和教师的重视，特别感谢广大一线教师们坚持不懈的努力，克服了各种困难，展开了积极的探索，使我国信息科学技术的基础教育在摸索中不断前进，取得了不少可喜的成绩。

由于信息科学技术本身还在迅速发展，人们对它的认识还在不断深化。由于受“重书本”“重灌输”等传统教育思想和教学方法的影响，学生学习的主动性、积极性尚未得到充分发挥，加上部分学校的教学师资、教学设施和条件还不够充足，教学效果尚不能令人满意。总之，我国信息科学技术基础教育存在不少问题，亟须研究和解决。

针对这种情况，在教育部基础司的领导下，我国从事信息科学技术基础教育与研究的广大教育工作者正在积极探索解决这些问题的有效途径。与此同时，北京、上海、广东、浙江等省市的部分教师也在自下而上地联合起来，共同交流和梳理信息科学技术基础教育的知识体系与知识要点，编写新的教材。所有这些努力，都取得了积极的进展。

“青少年科技创新丛书”是这些努力的一个组成部分，也是这些努力的一个代表性成果。丛书的作者们是一批来自国内外大中学校的教师和教育产品创作者，他们怀着“让学生获得最好教育”的美好理想，本着“实践出兴趣，实践出真知，实践出才干”的清晰信念，利用国内外最新的信息科技资源和工具，精心编撰了这套重在培养学生动手能力与创新技能的丛书，希望为我国信息科学技术基础教育提供可资选用的教材和参考书，同时也为学生的科技活动提供可用的资源、工具和方法，以期激励学生学习信息科学技术的兴趣，启发他们创新的灵感。这套丛书突出体现了让学生动手和“做中学”的教学特点，而且大部分内容都是作者们所在学校开发的课程，经过了教学实践的检验，具有良好的效果。其中，也有引进的国外优秀课程，可以让学生直接接触世界先进的教育资源。

笔者看到，这套丛书给我国信息科学技术基础教育吹进了一股清风，开创了新的思路和风格。但愿这套丛书的出版成为一个号角，希望在它的鼓动下，有更多的仁人志士关注我国的信息科学技术基础教育的改革，提供更多优秀的作品和教学参考书，开创百花齐放、异彩纷呈的局面，为提高我国的信息科学技术基础教育水平作出更多、更好的贡献。

钟义信2013年冬于北京

探索的动力来自对所学内容的兴趣，这是古今中外之共识。正如爱因斯坦所说： 一头贪婪的狮子，如果被人们强迫不断进食，也会失去对食物贪婪的本性。学习本应源于天性，而不是强迫地灌输。但是，当我们环顾目前教育的现状，却深感沮丧与悲哀： 学生太累，压力太大，以至于使他们失去了对周围探索的兴趣。在很多学生的眼中，已经看不到对学习的渴望，他们无法享受学习带来的乐趣。

在传统的教育方式下，通常由教师设计各种实验让学生进行验证，这种方式与科学发现的过程相违背。那种从概念、公式、定理以及脱离实际的抽象符号中学习的过程，极易导致学生机械地记忆科学知识，不利于培养学生的科学兴趣、科学精神、科学技能，以及运用科学知识解决实际问题的能力，不能满足学生自身发展的需要和社会发展对创新人才的需求。

美国教育家杜威指出： 成年人的认识成果是儿童学习的终点。儿童学习的起点是经验，“学与做相结合的教育将会取代传授他人学问的被动的教育”。如何开发学生潜在的创造力，使他们对世界充满好奇心，充满探索的欲望，是每一位教师都应该思考的问题，也是教育可否获得成功的关键。令人感到欣慰的是，新技术的发展使这一切成为可能。如今，我们正处在科技日新月异的时代，新产品、新技术不仅改变我们的生活，而且让我们的视野与前人迥然不同。我们可以有更多的途径接触新的信息、新的材料，同时在工作中也易于获得新的工具和方法，这正是当今时代有别于其他时代的特征。

当今时代，学生获得新知识的来源已经不再局限于书本，他们每天面对大量的信息，这些信息可以来自网络，也可以来自生活的各个方面，如手机、iPad、智能玩具等。新材料、新工具和新技术已经渗透到学生的生活中，这也为教育提供了新的机遇与挑战。

将新的材料、工具和方法介绍给学生，不仅可以改变传统的教育内容与教育方式，而且将为学生提供一个实现创新梦想的舞台，教师在教学中可以更好地观察和了解学生的爱好、个性特点，更好地引导他们，更深入地挖掘他们的潜力，使他们具有更为广阔的视野、能力和责任。

本套丛书的作者大多是来自知名大学、知名中学的教师和教育产品的科研人员，他们在多年的实践中积累了丰富的经验，并在教学中形成了相关的课程，共同的理想让我们走到了一起，“让学生获得最好的教育”是我们共同的愿望。本套丛书可以作为各校选修课程或必修课程的教材，同时也希望借此为学生提供一些科技创新的材料、工具和方法，让学生通过本套丛书获得对科技的兴趣，产生创新与发明的动力。

丛书编委会2013年10月8日序 Arduino与通用技术〖2〗〖2〗 〖1〗 

学生喜欢到通用教室“玩”，喜欢去“创作”一些“作品”，但都不太喜欢上通用技术课。这也是当前通用技术课程所面临的尴尬局面。同样，这一问题也出现在了信息技术课堂上。虽然通用技术和信息技术这两门课都有技术，但这两门课中所涉及的技术却未能让学生“买账”。造成这种现象的根本原因在于教材。现实生活中一方面是层出不穷的新技术，另一方面是教材中提及的一些“基本”技术。用现在时髦的话说，这些技术不够“高、大、上”。那么通用教材中的技术是不是就要全盘否定呢？当然不是，现行教材中的技术是实施制作的基础，有一定的普及性和通用性。

针对以上问题，我们始终在思考解决问题的出路，直到遇到了Arduino，并和朋友、同事进行了“基于Arduino平台的普通高中通用技术课程开发”课题研究。

在目前国内的基础教育技术课程体系中，同时涉及软硬件的综合性技术课程几乎是空白。而与当前通用技术课程能够结合起来使用的几乎为零。本书正是基于此现状而撰写。在使用本书的过程中，学生需要掌握电子硬件设备的连接，熟悉程序的编写，同时也需要运用通用技术课程的知识来完成作品的创作。

1. 本书的特色

目前国内外有关Arduino的教程很多，有基础的、高级的，有关于机器人制作的，也有关于物联网制作的……但这些教程有一个“软肋”——对阅读对象要求较高，对电子类的技术要求较高。目前国内外关于Arduino教程的面向对象多以电子发烧友、高校大学生等为主，可以说对于基础教育领域显得有些“不接地气”。本书的特色如下。

(1) 多元结合、综合实践。Arduino编程建立于硬件基础和数字电路设计基础之上，这就要求我们的学生能够熟练使用一些简单的电子元器件，并能够为它们设计合理的电子电路，最后通过程序编写实现设计目标。在这个过程中，学生需要具备信息技术、通用技术等多方面的知识。基于Arduino编程只是这些多元知识的融合点。

(2) 来源生活、服务生活。教学案例难度适中，同时与现实生活紧密联系。通过课程学习，可以了解原理、完成制作、创新设计，让更多的学生愿意学、喜欢学，如声控灯、温度报警装置等。

(3) 立足技术、实现整合。将Arduino教学与技术课程结合起来，既使得Arduino走进日常教学的课堂，也弥补了技术课程缺少相关配套试验的缺憾。从而最终实现技术课堂的大整合。

(4) 学习制作、学习创作。我们在技术课程中会经常提及学习制作，学生在学习一段时间后，可自己根据所学内容进行学习制作，完成课程中规定的任务。在本书中，学生要实现从学习制作到学习创作的改变，在每个课时结束后，自己进行设计，利用所学知识完成设计任务。

2. 课程实施应注意的问题

相对于VB、VC等可视化编程软件来说，Arduino没有所见即所得的程序设计界面，多出来的是“简单”电路设计，但就是这些基于硬件的电路设计，让程序的功能从虚拟世界跨入现实世界，并实现了两者的互通。另外，与传统的程序设计教学不同，Arduino的教学要从简单的电路设计开始，而不是从数据结构、程序语法讲授开始。因为Arduino编程更注重的是硬件的控制，所以传统编程类软件课程的设计思路不适合Arduino。具体从以下几个主要方面考虑。

(1) 了解电子控制系统的基本组成，认识常见的电子元器件，看懂相关技术指标参数。Arduino编程建立在一定硬件基础之上，如果对硬件知识知之甚少，想完成Arduino作品的设计应该说是有困难的。

(2) 熟悉数字电路设计，Arduino编程是基于硬件设备正确的电路连接的，如果程序编写没有问题，而电路连接错误，同样无法实现设计所要实现的目标。因此，在教学中对数字电路的学习，可以说是实现Arduino编程的前提，应给予充分重视。

(3) 教学案例应尽量选择与现实生活中紧密联系、贴近学生生活实际的，如声控灯、温度报警装置等。

3. 本书的意义

(1) 从电子技术的角度看， Arduino控制板可连接丰富的、不同类型的电子模块，可以让学习者在连接与制作过程中体会到电子元器件、传感器级别的技术，只有这样才能使课程更接近“真正”的计算机技术。

(2) 从程序的角度看，使用S4A、IDE编程对于编程教学来说非常重要，完成了从易到难的课程内容序列、从单一方向向综合发展的学习序列、从技术工具到生活应用的实践序列。

(3) 从学生发展的角度看，Arduino控制板配上相应的编程语言，既能通过简单的设计完成任务，也能够将更多的应用与生活中的实际问题结合起来。有了Arduino这个开源软硬件平台，可在生活情境中强调应用，在应用中强调创新。

(4) 从技术学科的角度看，不管是信息技术还是通用技术，在很多学校都是由一些非专业的教师来授课，长此以往，学校、家长、社会形成一种共识: 技术课谁都可以带、谁都能带好。技术教师与其他教师得不到应有的尊重与重视，技术教师的专业性更得不到体现。因此，从提升技术学科的专业性角度出发，使技术课程教师更加专业化。

由于编者水平所限，书中难免存在疏漏和不足，敬请广大读者批评指正。