普通高中開源硬件項目設計教學實踐研究

沈榮斌 劉 園

(1.當涂縣教育局 2.當涂第二中學 安徽馬鞍山 243000)

一、提出問題的背景

當今社會，科學技術迅速發展、知識經濟和信息社會已經來臨，迫切需要高素質的、具有創造能力并全面發展的人才。教育部發布關于印發《教育信息化“十三五”規劃》明確提出，要“探索創客教育等新教育模式”，為創新教育的實施指明了方向。

普通高中信息技術最新課程標準，提出學科核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素組成。而在中小學開展開源硬件項目設計教學，可讓學生體驗研究和創造的樂趣，培養學生利用信息技術解決問題和創新設計的意識與能力。這既是國家對創新人才培養的要求，也是培養創新人才的有效途徑。

二、開源硬件項目設計教學的實踐

(一)初級階段，激發學習興趣和創造的熱情

1.學生學習主要所面臨的問題。對于開源硬件平臺我們選擇的是Arduino，之所以選擇它，因為這開源硬件價格實惠，大小適合、配件等唾手可得，非常有利于學校開展硬件項目設計的教學。對Arduino的學習主要分兩部分，硬件和軟件兩個方面。在學習的過程中需要對Arduino UNO 板、面包板、跳線、LED 燈，色環電阻、按鍵、有源蜂鳴器、超聲波等傳感器模塊進行學習。

在編程方面，現在有初中和小學在使用圖形化編程工具(如Scratch教學)，Scratch編程不失為低學齡階段編程教學的優秀教學工具，但是，模塊化編程學習終究并非編程的本質，編程最終還是需要回歸到代碼語言的編寫當中去。所以我們選擇的是集成開發環境(Arduino IDE),類似C、C++語言。

主要面臨的問題，一根據項目，需要選擇不同的硬件連接、組裝，這會使一些不愛動手的學生產生畏難情緒。二對于幾乎沒有涉足過編程的高中生而言，在學習過程會產生畏懼的心理，表示不喜歡代碼。因此，如果學生對Arduino的學習沒有興趣與熱情的支持，教學將難以為繼。

2．應對的教學策略。一要強調整體參與、小組合作學習，確保每位學生參與進來。Arduino 對學生而言是一個的挑戰，學生的電路組裝能力與編程的學習能力的差異，對學習的結果影響顯著。為了不讓學生在初級階段的學習產生明顯差異，在初級學習階段，要強調小組合作學習，教師課前要分好組、選好組長(建議3至4人每組)，在每節課中以共同的合作學習成果給全組評價。評價由教師和學生互評組成，全體成員都獲得同一個分數，用小組成績代替個人成績，促使小組成員的互幫互助，共同進步。

二要運用馬斯洛的需要層次理論，培養與維持學生學習與創造的熱情。1943年美國人本主義心理學家馬斯洛在《人的動機理論》一書中從人體心理結構的角度提出了需要層次理論。根據其理論，學生的學習必須要在滿足基本的生理、安全、自尊、愛的需要的同時，才會有強烈的學習需要。因此，基于這一理論，設計教學環節，以滿足學生需求，即尊重的需求。尊重需求既包括對成就或自我價值的個人感覺，也包括他人對自己的認可與尊重。

首先，每節課都要展示多件優秀的設計作品，對作品進行細致的評價，用夸張的言語表達我對作品的贊賞。特別是在編程方面和設計上表現出的獨特想法和創新的作品，進行毫不吝嗇的稱贊。在受到贊賞會產生一種潛在的快樂心情，這樣會維持學習熱情。

其次，在每節課的開始都對上一節的知識進行梳理，讓學生來充當老師的角色帶領全班同學對舊知識的復習,特別是分享自己的發現。這樣會最大限度地引導學生參與到教學活動中，極大地鼓舞了學生探索和學習的熱情，使學生在分享知識的過程中學會學習。

(二)中級階段，為學生的學習提供個性化支持與幫助

當完成初級階段學習后，學生已經掌握一些硬件基礎知識和編程的方法，但在這過程中小組之間的差異就更加明顯的表現出來了。盡管有小組之間的互助機制，但限于每個人的理解、接受能力不同，差異還明顯存在。學的快的同學想學更多的知識，學的慢的同學想減緩學習速度。這就需要按學生的認知水平,實施分層教學,因材施教。此時可以以學生自主學習為主，教師需要為學生構建自主學習的多維空間，具體做法可以是：

1.將階梯型的學習任務和學習資源呈現在微信公眾號平臺上。學生可根據自己的實際出發來進行相關內容的學習，做到循序漸進，層層深入。

2.將教學中的難點和重點制作成微課，發布在平臺上，學生根據自己的需要隨時觀看，反復鞏固學習的內容。使學習的自主性、靈活性、探究性增強。

3.利用專業的網絡社區(論壇，如：https://www.arduino.cn/)提供的資源來學習相關的內容和經典案例。也可以在論壇分享自己的作品和心得等。

這些方法解決了因學生的差異而帶來的問題，還使學生不僅能夠學習相關的知識，而且還能掌握獲取知識的途徑、方法，培養了學生的可持續發展能力。

(三)高級階段，通過實踐活動(解決生活中的問題為目的項目實踐)培養學生創新精神和實踐能力。

在完成Arduino 基礎學習，學生有了一定的Arduino 軟硬件基礎之后，以開展圍繞相關主題活動方式進行教學活動，如：開展“智慧家庭”、“智慧學校”、“智慧社區”等主題。以“智慧家庭”為例，引導學生圍繞“智慧家庭”主題提出研究課題(如“室內溫度自動控制系統”“室內環境監測系統”“智能窗戶”“智能晾衣架”“智能澆花系統”“智能寵物喂養系統”“智能安保系統”等)，實現對開源硬件平臺的學習，體驗項目流程。

進一步引導學生對日常生活的問題進行觀察和思考，發現適合的創客項目。在問題的解決過程中，學生需要調查研究、設計方案、動手制作、編寫程序、測試等過程，最終創作出有創意和思想內涵的作品，例如手勢控制LED燈、智能家居、懶人花架、學校廁所節水系統、踩踏鬧鐘、安全拖鞋、智能限高桿等學生創意作品，在項目實踐過程中，學生體驗學習過程的艱辛與樂趣，培養分析問題和解決問題的思想和方法，提升學生的計算思維與創新能力。

三、總結與反思

經過以上三個段的學習，學生已具備較強電子制作和編程的能力，可以制作一些有創意又能解決問題的作品。并在這學習的過程中得到了快樂。動手能力、思維能力和創新能力都得到了很大的發展。不過在教學中也出現了一些問題，如個別學生因學習的動力不足而導致基本任務都完成不了，以至隨后出現的負面問題，課時不足，器材損耗大等都是需要進一步進行研究解決。