開源硬件在信息技術教學中的應用

湯向東

【摘 要】掌控板是國內一款專為編程教育而設計的開源硬件，是一款普及STEAM創客教育、人工智能教育、編程教育的開源智能硬件。本文對掌控板融入高中信息技術教學的方式進行探討，發揮信息技術課的教學環境優勢，提高學生利用信息技術解決問題的能力和意識。

【關鍵詞】掌控板;信息技術;開源硬件;編程

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）07-086-03

開源硬件及其特點

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由軟件、開源軟件相同的方式設計的計算機和電子硬件[1]。創客教育目前使用的開源硬件有 Arduino、Raspberry Pi、Micro.bit、Microduino、掌控板等。每一種開源硬件平臺都有自身的優勢，可滿足不同使用者的需求。開源硬件走進中小學課堂，有助于創客教育的開展，也促進了學生實踐、交流、創新等能力的發展。

掌控板和mPython

掌控板是由創客教育專家委員會提出和設計的用于普及STEAM創客教育、人工智能教育、編程教育的開源智能硬件，是一款專為編程教育而設計的開源硬件。掌控板支持圖形化及Python代碼編程，可實現智能機器人、智造創客作品等智能應用。

mPython是一款用于對掌控板編寫程序進而學習編程的軟件，支持從圖形化編程入手對掌控板編寫程序，進而掌握Python編程語言。

基于mPython的掌控板在教學中的應用

1.為什么選擇開源硬件掌控板

（1）開源硬件項目設計是新課程高中信息技術選擇性必修模塊6，但由于選擇性必修不是每個高中學生都必須學習，所以能夠參與開源硬件項目設計模塊學習的學生數量有限。

（2）高中必修模塊中有程序設計的內容，大部分學校選擇的程序設計語言是Python，使用掌控板能夠使Python程序運行結果更形象地呈現出來。

（3）在掌控板上集成了RGB燈、OLED顯示屏、加速度傳感器、光線傳感器、麥克風、蜂鳴器、按鍵開關、觸摸開關等。掌控板通過USB線連接計算機就能實現一些簡單功能，無需另外連接傳感器，避免了線路連接給初學者帶來的困擾，所以掌控板更適合學生入門使用。另外，掌控板拓展性能好，接上拓展板后可實現智能機器人、智造創客作品等。

（4）使用掌控板易于實現課程整合，如可以通過mPython編程在掌控板上繪制函數圖像，可以進行英語單詞拼讀糾錯等。另外掌控板作為學生創客大賽的設備，在信息技術教學中讓學生接觸掌控板，為學生參賽提供多一種選擇。

2.掌控板融入高中信息技術課的方式

（1）使用mPython的掌控板仿真功能。mPython有模塊化編程和代碼編程兩種模式，對于mPython的初學者，可以先使用模塊化編程，待熟悉時再使用代碼編程。學生編寫好程序后選擇掌控板仿真中的“運行”，讓程序虛擬在掌控板上運行并看到運行結果，使程序的運行結果清晰可見。大班教學時掌控板可能不是學生人手一個，在掌控板入門教學中，制作一個作品，使用仿真功能讓學生馬上能看到效果，提高學生的學習興趣。在學習掌控板文字顯示和基礎的內置圖像顯示時都可以采用仿真功能。

仿真還有助于課堂展示。如果沒有仿真功能，教師展示作品要通過手機、展臺等途徑拍攝展示給學生看，既麻煩又浪費課堂時間。如圖1所示，如果學生沒有掌控板，教師可以把教師機的屏幕用教學軟件全屏廣播給學生，通過仿真功能觀看程序繪制的曲線;如果連接掌控板，則可以下載程序在掌控板的OLED屏上看到繪制曲線。

（2）在課堂中以小組合作的方式來完成項目。“基于物聯網的信息系統”是高中信息技術必修2模塊“信息系統與社會”的內容，這節課的目標是通過分析物聯網應用實例了解常見的傳感與控制機制，知道信息系統與外部世界的連接方式。在教學中，可以讓學生使用掌控板完成一個“基于掌控板的小型信息系統”。以“使用掌控板監測和控制聲音”項目為例，教師在課前制作好半成品終端程序，程序留空幾處，學生補充程序達到掌控板作為終端實現聲音監測，并使用物聯網進行聲音控制的效果。在這個項目中需要教師先搭建好網絡平臺（并給出訪問網址），制作好控制端App程序（安裝在手機上），并做好半成品掌控板終端程序，上課時把半成品程序發給學生。學生先讀懂程序，了解掌控板是物聯網中的一個結點，然后準確設置IP 地址及自己手中掌控板的結點名稱，使掌控板可以連上網。通過在mPython中修改半成品程序，使用掌控板獲取聲音值并可將這個聲音值傳到控制端，在控制端設置好范圍值，當聲音值超出范圍時，在手機（或網頁）控制端可以看到是哪一個結點聲音值超標，然后通過控制端發信息給相應的掌控板（如在掌控板上亮燈、發出警報聲等）。程序做少許修改，就可以獲取光線值，并可實現通過控制端調節光線的功能。教師通過一塊小小的掌控板，就可以在課堂上實現物聯網，讓學生真實體驗物聯網項目。這既增加了課程的趣味性，也提高了課程的實用性，做到學以致用。

（3）在校本選修課中開設掌控板課程，讓學生系統學習掌控板編程的知識。為了讓部分對掌控板有濃厚興趣的學生系統學習掌控板知識，教師可以編寫掌控板校本課程，在學校的校本選修課中開設掌控板課程。開源硬件應用教學以項目為主體，以任務為驅動，以體驗為促進，在相互交流合作中完成項目[2]。掌控板校本選修課采用項目學習的方法，分為“情境導入—項目分析—項目實現—測試與優化—拓展與應用—評價與總結”六個環節，具體如圖2所示。

以案例“雙向開關燈”為例，課堂教學操作流程如下。

環節1：情境導入

教師活動：播放“雙向開關燈”的演示視頻。

學生活動：觀看演示視頻并思考雙向開關燈如何實現。

教學意圖：引入新課，明確主題。

環節2：項目分析

學生活動：說出雙向開關燈功能如何實現。

教師活動：使用PPT進行歸納（按下掌控板A，B鍵控制板載RGB燈切換狀態）。

學生活動：完成任務1，將雙向開關燈的功能分解為任務，通過流程分析雙向開關燈功能如何實現（畫出任務流程圖）。

教學意圖：學生思考雙向開關燈的功能及實現方法。

環節3：項目實現

教師活動：在學生完成任務1的基礎上總結出雙向開關燈的流程圖（圖3）。

圖3? 雙向開關燈流程圖

學生活動：聽講，思考。

教學意圖：用流程圖的方法描述雙向開關燈的實現方法。

教師活動：講授實現雙向開關燈的方法。①了解位運算符的按位異或運算符“^”;②使用板載A，B鍵控制板載RGB燈的亮滅。

學生活動：聽講，思考。

教學意圖：學習新知。

學生活動：完成任務2，在mPython中編程實現雙向開關燈。

教師活動：巡視指導，及時了解學生的練習情況，對集中出現的問題進行講解。

教學意圖：編程實現雙向開關燈。

環節4：測試和優化

學生活動：①將編寫的mPython程序下載到掌控板測試雙向開關燈是否實現;②思考程序如何優化。

教師活動：巡視指導，觀察學生練習的情況，及時進行指導。

教學意圖：測試程序。

環節5：拓展與應用

教師活動：提問“雙向開關燈有哪些改進的方法”。

學生活動：完成任務3“雙向開關燈功能的改進”。①根據實際情況，思考雙向開關燈有哪些改進的方法，如更改燈的顏色、更改顯示的文本、設置程序加載時是關燈狀態等;②嘗試修改程序實現拓展功能。

教學意圖：思考程序如何優化及嘗試實現。

環節6：評價與總結

學生活動：①提交作業; ②學生展示并講解自己的作品。

教師活動：①進行教學評價（對學生作品進行點評）;②本節課總結（歸納重難點）。

教學意圖：進行作品評價和課堂總結。

本節課的亮點在于遵循了“做中學、學中做”教學理念，讓學生先觀看視頻體驗范例，根據體驗分析范例的功能，在教師引導下分析出流程圖;再讓學生在輔助文檔的引導下自主學習，完成作品制作，先學后教，做中學，學中做，在制作過程中理解其基本原理;通過優秀作品的展示讓學生演示和分析其基本原理，再點撥重難點;通過拓展設計讓學生學以致用;最后是優秀作品的演示，讓學生開拓思路并總結本節所學知識。

在信息技術課堂中引入掌控板，既發揮了信息技術課程的教學環境優勢，引導學生了解常用的開源硬件，初步學會開源硬件的基本使用方法;同時也讓學生體會到創造的樂趣，培養學生利用信息技術解決問題的能力和創新設計的意識，有助于學生信息素養的提升。

注：本文系廣東省2019年度教育信息化應用融合創新專項課題“基于開源硬件的校本課程開發研究——以掌控板為例”（課題編號：19JX06030），廣州市天河區教育科學“十四五”規劃課題“情境教學在高中信息技術課的應用研究——以必修模塊為例”（課題編號：2021Y006）研究成果

參考文獻

雒亮，祝智庭. 開源硬件：撬動創客教育實踐的杠桿[J]. 中國電化教育，2015（4）： 7-14.

王巍. 我國開源硬件教育應用研究綜述[J]. 教學研究，2020（1）.