基于開源硬件的項目式教學

劉佳宜 楊琳玲

【摘 要】本文以智能火情警報裝置的開發為例，闡述如何在初中信息技術課堂中開展項目式學習，利用開源硬件解決生活中實際問題，增強學生的計算思維。

【關鍵詞】計算思維;開源硬件;項目式教學;教學案例

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）01-054-03

《普通高中信息技術課程標準（2017版）》指出，信息技術課程要以提升學科核心素養為目標。計算思維是信息技術學科核心素養的重要方面。任友群教授建議采用基于項目的策略來提升學生的計算思維能力[1]。筆者參考北京市義務教育課程改革實驗教材《信息技術》第6冊第九章“智能處理與編程”第七節“分支結構”，設計了共2課時的微型項目式教學——“智能火情警報裝置的開發”。本文以項目第一課時教學為例，闡述在信息技術課堂中如何利用開源硬件解決生活實際問題，以培養學生的計算思維。

學情分析和教學目標

本項目授課對象為初一年級學生，他們正處于皮亞杰認知發展階段中具體運算向形式運算階段轉變的時期。學生可以嘗試有條理地表達一個過程或者規則，這為培養其計算思維創造了條件。學生曾體驗過連接micro：bit開發板和簡單傳感器（雙色LED燈、蜂鳴器等），同時也會使用micro：bit開發板的圖塊化編程平臺MakeCode。

本節課的教學目標既包括學生計算機科學概念掌握，也包括高階思維能力培養與德育教育。學生通過體驗智能火情警報裝置“創意→設計→制作→測試→運行”的迭代開發過程，理解分支結構的概念與組成，探究關系運算條件表達式及其圖塊化編程;學生小組合作抽象具體生活問題本質，借助計算機、傳感器技術生成自動化創意解決方案并產出項目成果，促進思維遷移，提升計算思維能力;在培養學生科學探究精神的同時，增強其安全用火、生命至上的意識。

教學重點是通過探究任務——“火焰傳感器的數值在不同環境狀態下的變化”，深化理解“關系運算條件表達式”。教學難點是動手搭建硬件，完成項目原型，這考驗了學生的知識運用與動手能力。

教學策略與支持資源

本節課主要采用基于項目的教學策略，強調以學生為主體的探究，學生在解決真實問題的過程中掌握知識、提升能力與思維品質，從做中學，突出學習的過程性和實踐性[2]。借助智能手機、希沃白板和極域等工具與技術完成課堂互動和生成性成果記錄;采取兩人一組的合作探究模式，并給予學習單支持。

教學過程

1.聚焦實際問題，激發學生興趣

播放火災給人民生命財產帶來威脅的視頻，啟發學生創意構思各種自動化解決方案來減少該類問題的發生。結合課堂環境，開發一款智能火情警報裝置。硬件上運用micro：bit開發板和傳感器，程序設計上使用三大程序結構之一的“分支結構”。項目來自實際問題，具有一定的復雜性和社會意義，由此激發學生創新思維和學習興趣，引出項目主題。

2.搭建硬件，突破難點

學生思考可用哪些傳感器，傳感器如何與micro：bit開發板相連。前測發現學生在連接硬件時有困難，于是采用同學互助、表格整理等策略直觀呈現硬件連接關系。學生在規定時間內，以小組為單位從材料包中尋找可用的硬件進行連接搭建。學生小組合作完成硬件搭建，為后續分支結構語句的學習做準備。

3.探究總結，突出重點

教師提出核心問題：火焰傳感器是怎樣知道外界有火的？學生已知火焰傳感器感知外界以數值0～1023為范圍。引出探究任務一：“探究火焰傳感器的數值在不同環境狀態下的變化”。探究過程提供學習單支持，學生控制室內燈光模擬無火情時環境的亮暗，安全使用打火機并調節火焰大小模擬火情大小;記錄并觀察不同情況下火焰傳感器的數值變化。發現火焰傳感器的數值隨環境變化的關系和規律：環境正常時，火焰傳感器的數值大;環境有火時，火焰傳感器的數值小;外界越暗，數值越大;外界越亮，數值越小。

探究與總結。教師引導學生發現火焰傳感器檢測到火情的臨界值范圍，得到結論：火焰傳感器的數值與臨界值的比較，使得火焰傳感器能夠識別外界是否有火。這可以用“關系運算”或者“邏輯運算”的表達式來表示。本例的關系運算條件表達式可以是：火焰傳感器的值是否小于臨界值。當外界有火時，判斷結果為True;無火時，結果為False。

在探究活動中，教師始終作為引導者為學生提供探究支架。而學生發揮學習的主體性，學生之間團隊高效合作，從現象中建構抽象的“關系運算”與“條件表達式”程序設計，這是培養學生計算思維的重要切入點。

4.實現編程，測試效果

運用關系運算條件表達式和分支語句，編程實現“遇到火情就發出警報”的效果，在MakeCode編程平臺搭建“單分支結構”代碼。下載測試發現預設問題：“遇到火情，警報響起卻無法停止”，由此引申到“雙分支結構”，賦予蜂鳴器“響起”“不響起”兩個分支狀態。啟發學生思考生活中哪些現象或問題可以用分支結構的程序設計思想來體現和解決。

平臺編程、測試完善，將抽象的程序設計知識落地，發現實際生活中問題的分支結構，運用信息技術解決生活實際問題，促進學生知識遷移，增強計算思維。

5.拓展能力，課堂總結

教師提出拓展問題：（1）蜂鳴器一直不響，就證明一定沒火？學生猜測可能蜂鳴器壞了，因此提出可以升級裝置的警報類型，如增加燈光、標志、圖案、文字等。（2）該設備適用的場景有哪些？還可以增加哪些更智能、更及時的功能？學生表示可以增加自動出水、出干粉等及時控制火情的功能。最后教師進行課堂總結，強調在“創意→設計→制作（硬件、程序）→測試→運行”的開源硬件項目開發過程中，要理解產品背后的計算機科學知識與算法原理。另外，還要強調安全用火。

拓展問題要引發學生討論，激發學生創意，為項目迭代提供思路，也為后來的分支結構的講解做鋪墊;點明用火安全的課堂德育點，增強“技術讓生活更美好”的理念。

教學效果評價

本節課的教學效果評價來自學生量表自評和教師他評兩方面。經統計，基本達成計算機科學學科概念掌握目標、思維能力和學習方法及德育等教育目標。

1.學生掌握計算機科學概念情況

計算機科學知識與概念的掌握是計算思維提升的基礎和載體。學生主動探究，充分理解關系運算及其條件表達式、分支結構等抽象概念，并與自動化火情警報裝置的運作原理結合，生成解決方案，產出項目成果，達到知識遷移。

2.學生思維能力與策略習得情況

學生發現生活中隱藏的“計算”問題，綜合運用計算概念和工具形成解決方案;小組合作動手搭建項目原型，促進學生交流協作與創新實踐能力;從確定項目主題到產出項目成果，再到項目測試迭代，體會“做中學”的學習方法。

3.學生情感道德教育情況

為減少人民群眾的財產損失而開展項目學習，學生在提升計算思維的同時，增強了社會責任感和參與感，體會了信息技術給人類帶來的便利和美好，打造了有溫度的課堂。

參考文獻

任友群，隋豐蔚，李鋒. 數字土著何以可能？——也談計算思維進入中小學信息技術教育的必要性和可能性[J]. 中國電化教育，2016（1）： 2-8.

周業虹. 實施項目式學習，發展學科核心素養[J]. 中小學教師培訓，2018（8）： 33-37.