例談開源硬件項目在高中編程教學中的應用與實踐

秦維超 戴曉芬 林松娟

摘要：作者將Python教學的知識點融合到一個個Arduino開源硬件真情實景的項目設計之中，寓教于樂，使學生在Python編程學習中經歷發現問題、分析問題、分解問題、轉化問題、解決問題、總結問題的全過程，以期能夠全面提升學生解決問題的能力。

關鍵詞：Python編程;開源硬件;項目教學

中圖分類號：TP309? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）08-0046-02

2018年，教育部公布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》正式將“開源硬件項”劃入新課標。從課時上看，開源硬件所占課時并不多，但這些開源硬件項目有益于培養學生的綜合實踐能力，激發學生創新的能力，并提升其對編程的興趣。

● 開源硬件在編程學習中的優勢

第一，能夠降低學生理解Python相關知識的難度，同時為學生的編程提供更為廣闊的應用場景。

第二，其作為項目教學的載體平臺，讓學習在活動、實踐、項目中真實發生。

第三，將傳統編程的知識點呈現變為直觀的生活化應用，調動學生多感官參與學習，深化對編程技能與思維的理解。

● 在課堂中引入開源硬件——以開源電子鬧鐘項目為例

1.確定項目探究的主題

鬧鐘是學生十分熟悉的電子產品，筆者在課堂上展示了一款借助開源硬件設計的插卡式創意鬧鐘，經過頭腦風暴后，學生發現這款開源電子鬧鐘稍加改造就可以用做聽力播放器、門鈴、語音提示器等，用途相當廣泛。鬧鐘的工作原理學生都清楚，但深入分析鬧鐘的工作機制卻不容易，因此筆者將創意鬧鐘項目作為學習內容。在這個過程中，學生既可以系統學習到鬧鐘的原理知識，又能夠接觸開源軟件平臺的軟、硬件。

2.組建鬧鐘項目小組

教學采用項目小組的學習模式，以項目小組為單位制作鬧鐘項目，全班共分10組，每組4人。項目小組是在學生自由組合的基礎上組成，并且明確小組每個成員的分工。

3.制訂項目探究方案，確定步驟

①先確定總體方案，如下頁圖1所示。②根據方案確定設計步驟：創意方案設計、結構設計、電子線路連接、編寫程序作品、作品調試。

4.實施項目

①在項目驅動下，各小組展開準備工作。在整個項目式教學中，教師將花費更多的時間思考如何啟發學生、如何調動學生的積極性、如何幫助小組調整項目方案、如何管理小組等問題。②根據方案，確定線路連接。③編寫項目程序。項目關鍵點在于Python程序的編寫，筆者給出了基本參考程序（如下頁圖2）。學生在此基礎上先完成基礎部分，然后各個小組再自行創意設計。

5.項目展示與評價

在鬧鐘項目中，學生在教師的引導下探究項目、設計作品并展示成果，這樣做充分體現了學生的主體作用，既能及時反饋學習效果，強化學生對所學知識的理解，也能培養學生溝通交流的能力。因此，在評價時，教師除了根據作品的結果進行評判，還需要對學生在項目小組中的表現提出建議。

● 開源硬件項目教學的幾點體會

1.探究鬧鐘工作的機制和原理

教學中，學生雖然按照方案將作品線路連接好并組裝完成，但發現鬧鐘不能工作。這時，教師引導學生思考其中的原因是什么，進而引出Python編程的作用和意義。

2.借助Python編程將鬧鐘各控制單元有機整合

引導學生分析傳統鬧鐘控制方式的技術原理，并對比利用開源硬件Arduino的控制和管理方式，通過鬧鐘中斷以后下次能接著播放，說明通過Python編程可以幫助記錄斷點的功能。

3.開源硬件鬧鐘的各項功能與Python編程的關系

引導學生創新設計鬧鐘的控制方式，如手勢控制、定時控制、人體感應控制等，并分析這些控制方式的工作原理，同時揭示這些功能的本質是Python編程對傳感器數據進行處理、分析、加工的結果，進而達到培養學生創新思維的目的。

● 結束語

開源硬件編程教學實踐面向核心素養和學生未來發展，通過項目實踐，學生會認識到在信息技術課上學到的知識是有價值的，進而提高學習信息技術的興趣，培養創新精神和實踐能力。

參考文獻：

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