基于設計思維的高中開源硬件項目教學設計

摘要：隨著技術的極速迭代和STEAM教育等新型教育模式的應用，高中信息技術學科不僅需要關注學生對基本知識與技能的掌握，也應關注學生“數字化學習與創新”核心素養的培養，以激發學生的創新意識和跨學科解決問題的能力。本研究在新版普通高中信息技術課程標準選修模塊六《開源硬件項目設計》的基礎上，針對高中開源硬件課程教學中存在的問題，分析設計思維與開源硬件教學過程的適切點，將設計思維方法融人開源硬件項目式教學過程中，設計了《小e聲控燈》項目式教學案例。研究旨在培養高中學生“數字化學習與創新”的核心素養，以期為高中信息技術教師開展“開源硬件項目設計”模塊教學提供一定的參考與借鑒。

關鍵詞：設計思維;高中信息技術;開源硬件;數字化學習與創新

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0124-03

開放科學（資源服務）標識碼（ OSID）：

1 高中開源硬件項目式教學中存在的問題

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由及開源軟件相同的方式設計的計算機和電子硬件。[1]開源硬件課程教學大多是基于開源硬件開發平臺來進行，諸如Arduino、Micro： bit、Edison、Beagleboard、Raspberry Pi、LittleBits、mCookie、Galileo等，均是以學生（體驗者）為中心，實踐和行動為導向，以解決生活中遇到的實際問題為主。新版《普通高中信息技術課程標準》明確指出：“將開源硬件項目設計模塊納入高中信息技術課程標準的選擇性必修課中，學生要利用簡單的數字化工具開展協作學習，完成作品的設計與創作，形成個性化作品，培養利用信息技術解決問題和創新設計的意識與能力。”[2]目的在于強調體驗“創意、設計、制作、測試、運行的完整過程”[2]，發展學生的創造、協作溝通、跨學科解決問題等能力，同時也是在信息技術課程中實現STEAM教育的理想方法。

高中開源硬件項目設計模塊的課程教學目標不僅限于激發學生的創新興趣，更注重形成以信息技術學科方法觀察事物和將知識與技能遷移到解決實際問題之中的能力[3]，使創造性的教學活動逐漸取代重復性、模仿性的非創造性教學活動。[4]然而，目前高中開源硬件課程教學還存在以下問題：第一，高中開源硬件課程教學中學科核心素養的培養落實不到位，尤其是“數字化學習與創新”核心素養的培養不夠顯性化。這導致學生在利用開源硬件進行學習時缺乏同理心設計，且不能夠準確定義問題，導致作品的功能性和實用性不足。第二，高中開源硬件課程教學缺乏創新性的有效指導。教師過于重視知識的概念講授，忽略了學生知識的跨學科遷移與應用，致使學生的學習停留在模仿階段，難以創造性地解決實際問題。第三，高中開源硬件教學課程作為選修課程，課程資源匱乏，且缺乏系統、規范的教學流程和可借鑒的案例。這與開源硬件項目設計模塊的教學理念背道而馳，其受到設計思維的指引才能消除經驗性到規范性升華的阻礙，拓寬學生的思維寬度。

2 設計思維與開源硬件項目式教學過程的適切點

基于目前高中信息技術開源硬件課程教學中存在的問題，嘗試將設計思維的理念應用到開源硬件項目式教學過程中去，從對象、原則、目的、方法、技術側重、解決問題、價值觀過程和教學資源分析設計思維與開源硬件項目教學過程的適切點。具體如表1所示。

3《小e聲控燈》項目教學設計

3.1教學分析

1）教學內容分析

高中信息技術開源硬件選修課程的開設，是以培養學生的學科核心素養為主要目標，兼具理論學習與任務應用，鼓勵學生在信息化環境中創新與實踐。該項目是高中信息技術開源硬件選修內容，屬于綜合性項目。本課例的教學重點為多傳感器協同控制LED的亮滅，教學難點為串口監視器的應用查看及調取合適的傳感器的取值。

2）學情分析

本項目式課例的教學對象是高二年級開源硬件選修班的學生，他們通過前期項目的學習已經了解開源硬件的基礎知識和基本原理，但對有關元件調用的實際操作和程序設計的掌握較為薄弱，有必要在此基礎上加深對開源硬件功能與函數調用的理解，培養學生創造性解決問題，形成創新作品的能力。

3）教學目標分析

知識與技能目標：認識Arduino UNO、10擴展板、LED燈、聲音傳感器、環境光線傳感器的特點;理解布爾運算的操作與應用;掌握多傳感器協同控制LED的亮滅;掌握邏輯判斷以及對LED狀態效果的影響;掌握串口監視器的應用查看及調取合適的傳感器的取值。

過程與方法目標：按照教學模式設計并開展教學活動，采用針對設計思維培養的教學策略，創設貼近學生生活的情境，讓學生在問題的引導下產生同理心設計的意識，教師講解輸入輸出控制（數字輸入輸出、模擬信號的輸入和PWM信號輸出）、程序邏輯實現方法（數學運算、循環、分支、布爾等）和效果演示，培養學生的學習興趣，激發學生的探索精神;學生根據手中的傳感器，自行完成程序的編寫，上傳查看效果，創作作品，體驗創意、設計、制作、測試、運行的完整過程;通過個人探究和小組合作，提高學生創作能力，培養團隊合作精神;通過作品評審標準，對作品進行鑒賞和評價，培養鑒賞能力與評價能力。

情感態度與價值觀目標：體驗使用開源硬件進行創作的樂趣和成就感，貫徹研究精神，培養學生的探究能力與跨學科解決問題的能力;通過欣賞和評價作品，提升學生的審美觀，培養學生的設計思維和批判性思維;鼓勵學生運用信息技術優勢，聯系生活自覺踐行開源的理念與知識分享的精神。

3.2 教學過程設計

1）創設情境，引出想法

教師作為引導者將課例主題以情境的方式引入：“請同學們結合自己在校園中真實的生活體驗展開聯想，常見的樓道聲控燈的實現方法有哪些？請同學們仔細思考。”學生針對教師提出的問題展開激烈的討論，此后教師播放精心準備的微視頻，輔助學生進行思維發散產生更深層次的共情，發現燈在哪些方面可以體現智能化。其間，有同學便發現了問題：“校園中燈光可以根據自然光線進行自動調節，回答“常見樓道聲控燈”的實現方法：有聲控、聲光等。教師幫助學生了解課程目標，引入《小e聲控燈》課題，激發學生學習興趣，引出學生對挑戰任務的想法，并鼓勵學生發言。之后教師做出總結，提出有關《小e聲控燈》項目的兩大挑戰：聲控、聲光。隨后教師將學生平均分成四個小組，并確定組長，明確分工職責。

2）頭腦風暴，明確任務

教師為每組提供了種類齊全且組件完整的開源硬件套件，帶學生熟悉套件的功能，然后為了讓所有學生都有機會分享自己的想法，給定3分鐘讓學生從作品的功能性和實用性進行頭腦風暴。教師闡述更為明確的任務：制作《小e聲控燈》項目，實現晚上有聲音燈亮3s熄滅，白天不亮。之后，教師引導學生理解教師拋出的任務挑戰，小組間交流談論，識別本組需求，隨教師講解認識并整理元器件，進行要點聚焦，發掘洞察。同時，學生將現有的思維發散節點與之前小組成員的想法清單建立聯系，鼓勵學生打破常規，選擇恰當的開源硬件為工具進行設計。這時，學生不僅要評估哪些想法是行之有效的，還要分析個中原因，考慮開源硬件套件功能的限制，將想法去粗取精，反復補充細節與整合想法。在明確開源硬件各組成成分的調用關系后，各組所需元件為：Arduino UNO;10擴展板;LED模塊;聲音傳感器;環境光線傳感器。各小組逐步開始設計基于開源硬件的作品設計方案。

3）探究設計，優化方案

小組學生對問題進行需求分析，引起更深層次的共情，并用5分鐘的時間思考從同伴那里獲得的信息與靈感，總結歸納收集到的評價與反饋。經過小組成員換位思考或角色扮演后，各組對產生的需求進行新的創意，聚焦問題解決的關鍵點。隨后，小組成員撰寫設計方案，主要包括問題清單、功能分解、所需元件、程序設計、構造外觀、所需耗材和小組評價與反思。其間，每個小組的程序反復理清思路，教師給出建議并從旁指導。最終四個小組以設計為中心不斷完善修改，優化設計方案。

4）制作原型，測試功能

在學生完善設計方案后，將所需元件與開源硬件進行連接，編寫各小組設計方案中的程序，在此過程中A組同學率先完成。B組、c組和D組均由于程序設計出錯而導致元件測試失敗，從而重新回歸問題，修改設計方案與程序。待元件測試與程序設計無誤后，各小組著手開始原型制作。所提供的工具與材料有：彩色卡紙、雙面膠、剪刀等。四組學生均對原型設計與制作產生了濃厚的興趣，對原型不斷地進行了功能性審視與色彩微調。在原型測試過程中，D組由于程序的缺陷，只能實現一次成功測試：在光線亮或暗的情況下蜂鳴器都會發出聲響。D組同學舉手示意，教師上前提示：“距離的值是主要因素，再對數值進行適當調整。”隨后，D組通過距離的改變與程序數值的相互計算與調整實現了作品的功能。

5）分享作品，再次迭代

小組的作品完成之后，學生對作品進行展示分享。四個小組的組員依次上臺，每個人介紹自己的團隊分工，由小組長匯報項目背景和產品功能，另一名學生配合小組長進行演示，作品展示。教師在每組匯報之后，對每個小組設計過程的協作性和交互性、設計結果的內容性、技術性、藝術性和創造性等作出評價并提出建議。每個小組相互觀看其他小組的作品，得到思維轉變后的啟示與收獲，并進行作品的二次迭代與優化。在整個項目設計與實施的過程中，學生不僅熟練開源硬件項目設計的相關知識，更重要的是能利用設計思維方法主動對用戶需求的分析，進行移情、要點聚焦、跨學科解決問題、批判性思考和原型迭代，從而達到“數字化培養與創新”等核心素養的培養。

4 結束語

設計思維的本質是思維的發散與聚斂，注重培養學生的同理心設計、原型迭代，敢于試錯和跨學科解決問題的能力等。其間，學生方案優化與作品迭代的過程至關重要，需要全神貫注的根據事物的特點進行一定的抽象，從抽象到具體再到抽象，利用開源硬件的設計工具與編程語言實現外部數據的輸入，再通過輸出數據驅動符合事物特性的系統裝置運行，得出最終滿意的作品。當前，對于開源硬件課程優化的研究還需進一步深化，要將設計思維引入具有跨學科特征的STEAM教育或創客教育中不斷完善教學流程，在實踐中構建開源硬件課程教學的評價體系，為高中開源硬件課程培養學生的創新能力與數字化學習能力提供有益參考。

參考文獻：

[1] Open-source hardware[EB/OL]. http：//en. wikipedia. org/wiki/Open-source hardware.2014- 12-18.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]祝智庭，李鋒，面向學科思維的信息技術課程設計：以高中信息技術課程為例[J].電化教育研究，2015，36（1）：83-88.

[4]伍立峰.教學設計創新與設計思維能力的培養[J].裝飾，2007（1）：47-48.

【通聯編輯：張薇】

作者簡介：盧雅（1996-），女，山西長治人，碩士，主要從事STEAM教育、設計思維、創客教育等研究。

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