小學“開源硬件+圖形化編程”校本課程設計與實踐

劉其政

摘要：自《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》發布以來，人工智能教育、跨學科綜合課程逐步走進中小學課堂。作者以“開源機器人+圖形化編程”的應用為例開展研究，以期能為信息科技和“田園課程”的校本課程實踐提供參考與借鑒。

關鍵詞：信息科技；田園課程；開源硬件；圖形化編程；校本課程

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）15-0053-03

在創客教育中，開源機器人和編程技術是學生重要的學習工具。開源硬件和圖形化編程的結合不僅可以使硬件編程變得更加容易，降低編程門檻，而且能夠讓學生快速掌握設計和制作電路的基礎知識，完成從簡單到復雜的項目。通過開源機器人和編程的實踐，學生可以深入了解信息科技，提高邏輯思維能力和解決問題能力，同時也可以提高動手實踐能力，增強創造力和創新能力。

“開源硬件+圖形化編程”的校本課程案例設計

1.主題選取

筆者結合海南省小學勞動課程—田園課程，選擇“智慧田園”作為校本課程主題，通過探究新興的農業科技領域，引導學生探索新科技，了解現代農業科技和新技術的發展，培養學生的實踐操作能力和創造力。

2.課程目標

①學習和了解農業科技的基礎知識，如傳感器技術、物聯網技術和機器人技術等。

②應用開源硬件來模擬智慧田園，提升田園的智能化。

③培養合作精神，增強實踐能力和解決問題的能力。

3.課程內容

①介紹智能農業和現代農業的相關知識。

②利用傳感器技術、物聯網技術和機器人技術建立智慧田園。

③通過Arduino、開源硬件和圖形化編程軟件，實現智能化管理和控制。

④設計和制作智慧田園的構建和編程。

⑤組織學生合作，完成實驗。

4.學習支架

智慧田園的學習支架包括國內外現代智能化農業的實現方式和發展趨勢的相關視頻，硬件平臺、教材和文獻、實驗示范和實踐指導等文字和視頻資源。

5.課程實施

環節一：介紹智能農業和現代農業的相關知識，思考并建構問題的解決思路

問題：現代農業技術應用發展到什么層面？學校的“田園”或者你理想中的“田園”哪些方面應智能化？如果你是農場主，如何規劃和建設你的農場？根據觀察和了解，針對學校的“田園”，我們能做哪些方面的智能技術升級？

學習內容：①了解當地的農業種植和養殖業，觀察現代農業技術和智能化農業設備，了解農民的生產生活等。②從智能灌溉系統、智能監測、自動化收割等方面了解智能農業的技術應用和優勢，學習農作物生長的基礎知識，如土壤肥力、水分和氣候、溫度、濕度等條件等。了解化肥、農藥等現代化農業技術的作用，以及它們如何幫助提高農作物產量和保護環境。了解現代農業運用的新技術，思考其如何使農業更加高效和環保。③實地考察學校的“田園”基地，深入體驗作物的生產過程。

學習方式：通過對比傳統與現代科技的農業視頻，開展頭腦風暴，“大話”智慧農場，“獻策”學校的田園基地。

設計意圖：培養學生創新思維和環保意識，以及社會責任感和尊重勞動的精神，同時提高他們在未來農業發展中的競爭意識。

環節二：介紹傳感器技術和物聯網技術，并讓學生了解如何使用這些技術來建立智慧田園

問題：實現智能化的硬件有哪些？它們分別完成什么功能？

學習內容：①通過實物作品案例觀察和功能演示，了解傳感器技術。②通過“點燈科技”案例了解物聯網技術的應用，感知傳感器技和物聯網作用。初步了解物聯網技術可以通過集成傳感器技術來搜集環境數據，構建智能化的決策和實現思想。③初步了解圖形化編程工具，初步體驗讀模擬信號和高低電平的輸入輸出。

學習方式：以學習小組為單位，通過實物觀察和初步實踐，了解工作原理和感應器的反饋結果。例如，Arduino主控板連接計算機，通過圖形化編程工具，將溫度傳感器、濕度傳感器、水位傳感器、光敏傳感器等模擬傳感器替換到模擬端口，觀察和了解數值的變化情況，并將風扇、LED燈、蜂鳴器等連接到數據端口觀察該端口輸出高低電平的效果呈現。

結果呈現：①用手握住溫度傳感器觀察數值的變化，再換上光敏傳感器，慢慢地遮住光線觀察讀取數值的變化，再換上水位傳感器慢慢地伸入水杯中，觀察讀取數據的變化；②將風扇、LED燈、蜂鳴器接上主控板的數字端口，觀察高低電平輸出的結果。

設計意圖：培養學生的計算思維、探究與實踐創新能力，以及團隊合作能力。

環節三：應用圖形化編程實現開源硬件中常用傳感器邏輯控制執行設備

問題：如何運用圖形化工具指揮硬件工作實現智能化？如果溫度高于36度，怎么讓數字端口9中的風扇轉起來？如果光敏傳感器光線值低于300，怎么讓數字端口7中的LED燈亮起來？如果水位傳感器的值高于800，數據端口5的抽水泵開始抽水，這是不是和問題一的現實原理一樣？光敏傳感器的值連續在從0～1023的范圍變化的過程，能不能實現LED燈的亮度也隨之變化呢？什么是數字信號？什么是模擬信號？這些感應設備的應用原理有哪些相似之處？

學習內容：①圖形化編程環境中的邏輯控制；②數字信號的輸入輸出以及PWM模擬量的輸出。

學習方式：提出問題、實踐實驗、合作學習、解決問題。

結果呈現：能夠應用圖形化編程環境進行簡單的條件邏輯控制，同時實現動態模擬量的智能化控制。

設計意圖：提高學生的編程水平，培養他們的邏輯思維和創造力，養成人機結合的思維和勇于探索的精神。

環節四：設計和制作搭建智慧田園場景，綜合開源硬件布置和編程實現

問題：你心中的智慧“田園”模型是怎樣的？如何構建和制作？

學習內容：規劃書的填寫、模具的制作、程序的編寫與調試。

學習方式：合作學習、實踐、制作。

結果呈現：運用亞克力板、彩紙、剪刀、強力膠、熱熔槍等工具材料，通過作品的設計、實現、修復和修改以及藝術化場景等環節完成團隊作品的制作。

設計意圖：培養學生的創意思維能力，團隊協作能力，制作、實踐和操作能力，電子技術應用和編程能力等各方面的綜合能力。

環節五：展示交流、評價反思

問題：作品解決了現實中的“田園”存在的哪些不足？還有哪些方面想實現但還沒有實現？哪些方面可以在下一步融入到自己的作品中？

學習內容：作品簡單PPT的制作、演示與表達，找出不足。

學習方式：展示、分享、交流。

結果呈現：自述作品、評價其他作品、提出自己作品存在的不足。

設計意圖：展評和交流活動幫助學生提高創新思維和實踐能力，拓展知識和技能，增強自信和自主學習能力。

實施成效

在評估課程目標是否實現環節，從學生的學習筆記和實踐成果可知，學生的人工智能思維、圖形化編程能力、動手實踐能力、團隊合作能力、交流與表達能力都得到了充分的發展。同時，多樣化的作品，如“智能澆花系統”“智能火龍果基地”“智能蜂箱”等，提升了“田園”校本課程的定位。

“智慧田園”校本課程是一門應用人工智能、開源硬件和圖形化編程技術的創新課程，人工智能等技術除了可以用于智慧田園的搭建和創作，還可以通過交叉學習的方式應用到如數學、生物、化學、物理等學科的教學中。在社會實踐方面，將“智慧田園”作為一種實踐方案，可以探究如何運用智能技術解決當地社區或農戶面臨的問題。

結語

“智慧田園”校本課程是一門有意義的創新課程，課程實施需要多方面支持，包括校方的資源配置、教師隊伍的配備和培訓、學生的積極參與、家長的支持等。同時，也需要不斷完善課程方案和教學方法，推動課程的發展和改進。

參考文獻：

[1]鐘柏昌.創客教育究竟是什么—從政策文本、學術觀點到狹義創客教育定義[J].電化教育研究，2019（05）：5-11.

[2]黃榮懷，劉曉琳.創客教育與學生創新能力培養[J].現代教育技術，2016（04）：12-19.

[3]鐘柏昌.創客教育和STEM教育的發展趨勢[J].科技導報，2017，35（14）：1-9.

[4]康斯雅，鐘柏昌.機器人教育中結構創新型教學模式的案例設計與實施[J].課程教學研究，2020（01）：75-81.

本文為海南省教育科學規劃2022年度專項課題“小學智能機器人圖形化編程教學的案例研究”（課題編號： QJH202210029）的研究成果。