“開源硬件項目流程”內容分析與教學建議

趙騰任 北京中學

王戈 北京市朝陽區教育科學研究院

“開源硬件項目設計”是《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）中規定的選擇性必修模塊6。選擇性必修模塊是為學生個性化發展而設計的，基于開源硬件的項目設計與開發有利于激發學生創新的興趣，培養學生動手實踐的能力。

●教學內容分析

“開源硬件項目設計”模塊包括“開源硬件的特征”“開源硬件項目流程”“基于開源硬件的作品設計與制作”三部分內容。該模塊的教學要求學生能搜索并利用開源硬件及相關資料，體驗作品的創意、設計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創新能力。其中，開源硬件項目流程是本模塊中的關鍵環節，是學生在了解開源硬件特征的基礎后，進行作品設計與制作的前提，起著承上啟下的重要作用。

1.內容要求分析

《課標》對“開源硬件項目設計”模塊明確提出了8項具體內容要求，其中第二項與“開源硬件項目流程”單元緊密相關，具體的內容與要求如下：

剖析——使用開源硬件完成作品的實例；

體驗——基于開源硬件完成項目的基本流程；

知道——常用開源硬件的功能與特征。

而第1項是體驗開源硬件項目流程的硬件基礎：基于實例分析，認識開源硬件的特征與發展，理解利用開源硬件進行信息技術創新的意義。

第3～8項則是對流程的落實和實踐：設計方案，選擇硬件及材料，編寫程序實現功能，測試作品、優化方案，完善作品、發布分享。

從整體內容來看，是從了解到體驗、從實踐到提升的一個過程。從“開源硬件項目流程”相關內容來看，也是從基礎知識到典型案例，再從案例分析到體驗理解逐層提升的。

2.學業要求與素養培養

該模塊內容的教學，要以形成學科核心素養為目標，以基礎知識基本技能為支撐，以設計方案、解決問題為任務，以項目式學習為主要途徑。

開源硬件項目流程的學習，既強調信息意識和計算思維的培養，也包含了數字化學習與創新、信息社會責任的要求。

“在信息技術環境下綜合利用STEAM的相關知識，理解利用信息技術解決問題的基本思路與方法，認識數字化工具在問題解決方案中的價值與作用”是本單元的重點所在，主要體現了信息意識培養和數字化學習與創新能力的提升。

不同版本教材中“開源硬件項目流程”及相關部分內容編排

“基于開源硬件進行項目設計的一般流程，能將其應用于實際項目中，設計符合事物特性的系統，實現項目方案”重在計算思維的培養。

“理解并自覺踐行開源的理念與知識分享的精神”體現了在信息社會責任方面的培養。

3.各版本教材內容分析

針對選擇性必修課程模塊6“開源硬件項目設計”中“開源硬件項目流程”部分內容，各版本教材在編排上，體現出了一定的時代性，兼顧了信息技術發展趨勢，選用了具有獨特學科價值的應用和案例，有利于拓展學生的知識面，激發學生的興趣，引導學生正確認識信息技術在生活和學習中的作用。

各個版本的教材的編寫，視角不同，章節安排、主題項目也各不相同，但都各具特色，上頁表列出了人教－中圖版、粵教版、華東師大版、浙教版、滬科教版和教科版等6個版本的教材中“開源硬件項目流程”及相關部分的內容編排情況。

由表可以看出，雖然各版本教材所用的主題項目或經典案例各不相同，但都將開源硬件的介紹等基礎知識都安排在了起始章節，然后介紹相關案例，提煉出“開源硬件項目流程”，或者結合實例，介紹“開源硬件項目流程”，都是在案例中完成了“開源硬件項目流程”相關內容的教學。

例如，人教－中圖版首先安排的是認識開源硬件，開源硬件的發展、特征，開源硬件與創新，讓學生對開源硬件有一個基本認識，然后安排的是設計工具和編程語言、開源硬件開發基礎及通信模塊與擴展板，在此基礎上學生能夠增強對作品設計制作的理解，而從媒體藝術作品“最美麗的時候遇見你”、開源3D打印機“MakerBot”和快速原型“智能鳥蛋”三個非常典型的案例的產生和不斷完善的過程，則自然地提煉出了項目開發基本流程——創意與項目來源、設計與制作、測試與運行、分享等，并結合這三個案例進行分析和歸納。

而滬科教版，則是首先介紹了開源硬件及其功能、開源硬件的價值，然后安排了相對較多的篇幅，讓學生在“設計制作交通信號燈”的過程中，感悟開源硬件項目設計的一般流程：提出想法、設計系統解決方案、利用開源硬件實現解決方案。而整個過程也是伴隨著硬件的選擇與搭建、結構設計與制作、程序的編寫與可行性驗證、制作原型、測試與優化等，逐漸完成了一個作品的制作，最后進行評價與交流，讓學生真正經歷了“開源硬件項目流程”。

編者在編寫教材時，可能也是考慮到本地域的學生情況、學校的硬件資源等進行的權衡。教師在具體施教時，也應該結合本校的實際，根據學生情況、硬件配置、教師對項目過程的掌控能力，適當進行調整，以達到更好的教學效果，而不拘于教材本身的編排。

●教學實施中可能出現的問題

“開源硬件項目設計”是實踐性很強的模塊，既涉及硬件的選型、傳感器的選擇和執行組件的使用，又涉及程序的編寫和調試，對學生的學習和教師的教學都具有一定的挑戰性。

1.所需要的硬件配置“不全”

目前多數已經配備開源硬件的學校，所選擇的多位套件、每組學生所使用的器材都是相同的配置——控制器、傳感器、執行器的種類和數量都是相同的，這樣也容易滿足和實現基本的教學需求。

但學生在設計項目、制作作品的過程中，往往存在不同的想法，每組所使用的器件的種類和數量就不盡相同，這樣就可能出現有的組件不夠用、有的組件用不完的情況。這就要求在配置硬件時，要有一定的前瞻性，對一些常用、多用的器件，可適當“額外”配置一些，以滿足學生制作作品的需求。

另外，在使用的過程中，也會出現一定的損耗，如LED不亮、按鈕不靈等情況，對這些易損件也要適當多備一些。

2.教師專業水平需要提升

雖然經過這些年創客活動的開展，一些學校涌現出了不少專業水平很高的教師，他們能夠駕馭各種硬件，熟練使用多種編程平臺，順利地解決學生制作作品中的問題，很好地指導學生完成創意作品。但總體來說，這樣的教師占比還比較小，許多教師的相關專業水平還需要提升，只有教師的專業水平提升了，才能滿足“開源硬件項目設計”模塊的教學要求。

學生在項目設計中的創新性不夠，在制作實踐中也會出現其他方面的問題，與本部分內容相關性相對不強，這里就不再敘述。

●教學建議

因為各學校學生情況、資源配置、教師等方面都存在差異，在教學實施中，要根據本校具體情況，安排相應的教學活動，采取相應的措施，確保教學的開展，切實提升學生的信息素養。

1.開源硬件的選擇

除成本因素外，在硬件的選擇上，要根據學校教師、學生、實驗室（或機房）配置等情況，選擇合適的硬件，以滿足學生設置制作作品的需求、確保教學的順利開展，提升教學質量。

例如，學校教師熟悉C之類的編程語言，可以選擇Arduino主板，如果更熟悉Python編程，可以選擇虛谷號或掌控板。

如果學生動手實踐能力較強，可以選擇面包板+分立元件的連接方式，這樣設計會讓實驗和測試更靈活、更方便。為了保證教學進度，也可以選擇擴展板+模塊式器件的連接方式，這樣連接的牢固性強，在進行調試時能夠減少“故障”率。

2.教學項目設計

目前，網絡分享的創客作品很多，在進行教學項目的設計時，可以借鑒創客作品，開闊思路，創新設計?？傮w設計可以采取大項目統領、任務分解、系統提升的策略：

可以將一個大項目分解為若干個小項目，采取任務驅動的方式開展教學。例如，行人過街紅綠燈，可以先控制一盞燈的亮和滅，進而擴展到多盞燈的交替亮、滅，實現定時亮滅的紅綠燈效果，再到通過按鈕控制燈的亮、滅，在傳統的紅綠燈基礎上進一步實現行人按鈕通行的效果，體現行人優先的理念。在此基礎上，可以把按鈕改進為無接觸的形式、增加路口處司機提示地燈的效果、增加聲音提示等，從一個小的任務，到最后形成一個系統，在這個過程中，整個作品的質量也得以提升。而這個過程，也是現實生活中行人過街紅綠燈的演變過程，貼近學生的生活實際，在此基礎上，還可以鼓勵學生充分想象，提出更富創意性的想法并實現。

3.教學實施

充足的教學資源有助于教學的順利開展。因為受總體課時的限制，教師可以在教學前收集整理充足的資源，使學生在課堂上花費較少的時間獲取更多的信息。例如，收集整理比較有創意的創客作品、生活中比較好的應用，作為學生設計的參考，幫助學生開闊視野、打開設計思路，制作出更具創新性的作品。又如，收集整理各種傳感器、執行器的型號、參數，節省學生選型的時間，以便將更多的時間精力用于創意設計、優化完善，提高學習效率，提升作品質量。

在開展項目教學前，建議教師按照實際設計、制作的過程，進行完整的體驗，發現具體實施中容易出現問題的地方，從而采取預防性措施，改進教學流程，為教學的順利實施做好更充足的準備。

一個作品從設計到制作完成到分享交流，涉及諸多方面，也涉及多個學科，如通用技術（勞動技術）、美術、物理等學科，要設計制作出優秀的項目作品，可以聯合其他學科的教師，在適當的時候讓其給予指導和幫助，形成跨學科的合力，設計出結構更加合理、外觀更加漂亮、分享更具感染力的作品，提升作品的科學性、實用性和藝術性。