面向計算思維培養的中學開源硬件課程實踐
——以“科技賦能垃圾分類之智能垃圾桶”項目為例

丁盼 江蘇省鎮江市宜城中學

計算思維是信息科技核心素養的重要組成部分，Arduino開源硬件課程重視在項目實踐中解決生活中的實際問題，同時具備初學者入門容易的特點，是適合培養學生計算思維的課程。而設計型學習（DBL）模式則是以“設計”為中心，運用設計方法解決問題、建構知識的教學模式，比較適合Arduino開源硬件課程。

設計型學習（DBL）模式是探究式學習及實踐活動相結合的學習方式。在這個過程中，學生不僅可以應用所學知識，還可以獲得新知識和新技能，從而提高計算思維。

●基于DBL培養中學生計算思維的教學模型

本文提出的DBL教學模式是以黃利華教授提出的雙循環探究模型為基礎，它建構了STEAM教育的設計型學習流程，如圖1所示。在教學中，教師提出真實問題，分析挑戰任務并建立標準，學生通過小組協作，利用教師提供的資源支架，掌握多學科的知識和技術，對實物作品進行方案設計及制作，在完成實物作品的制作后，通過小組評比及各種展示分享，對設計的作品進行調整、反思、再設計，在不斷的學習與設計的迭代循環中，最終完成實物作品的優化。

圖1

●“科技賦能垃圾分類之智能垃圾桶”教學設計與實施

1.教學內容分析

項目的主題為“科技賦能垃圾分類之智能垃圾桶”，智能垃圾桶的外形結構設計使用3D one軟件進行外形設計建模，根據建模圖使用3D打印機打印出模型實物，最終根據設計圖組裝完成智能垃圾桶的外形。硬件結構使用Arduino UNO開發板與LD3320語音識別芯片、9G舵機、超聲波傳感器等搭建硬件。Mixly編程實現智能識別可回收與不可回收垃圾以及智能感應開合相應垃圾桶，幫助人們實現垃圾的準確投放，并且還設計相應的人性關懷功能，如按鈕輔助打開垃圾桶、煙霧警報、蜂鳴警報、智能風扇滅火、垃圾滿溢的LCD顯示屏提示等功能?？鐚W科概念涉及電路設計與連接、數學計算、道德與法治等。

2.學習者分析

教學對象為8～9年級學生，學生具備一定的信息素養，對生活中的人工智能充滿興趣與好奇。學生有編程基礎，能夠使用Mixly圖形化編程軟件進行編寫，利用物理基礎、數學基礎可以完成Arduino硬件搭建。

3.教學目標

筆者基于STEAM教育理念，將“科技賦能垃圾分類之智能垃圾桶”項目的教學目標分為學科核心知識與計算思維培養目標，如表1所示。

表1

4.教學設計與實施

（1）理解挑戰，習得新知

教師展示真實的生活情境，并提出問題：校園里、小區內、街道旁，都設立了分類垃圾桶，但是，很多生活垃圾并沒有分門別類傾倒，回收未經分類的垃圾會造成環境污染。請同學們思考解決問題的辦法，為保護環境貢獻自己的力量。

學生觀察身邊的垃圾桶投放現狀，對教師提出的問題進行分析，提出能解決實際問題的策略。

教師展示Arduino UNO開發板及舵機等模塊的基本原理及微課，并對要設計的任務進行分析與講解，如圖2所示。

圖2

（2）頭腦風暴，設計圖紙

教師建立完成智能垃圾桶外觀以及智能功能的標準。

學生在明確項目設計任務后，根據項目設計要求自主按照4～6人分組。分組完成后各小組對項目設計任務進行分解，并使用思維導圖分析項目任務，提出解決方案，設計解決項目問題的技術手段。例如，在“智能感應”項目任務中，學生通過思維導圖的方式規劃適當的智能感應方式—超聲波感應、人體紅外線感應或觸碰感應。圖3為學生選擇超聲波感應的功能模塊設計。圖4為編程調試。學生通過對比選用解決問題的最佳方案。

圖3

圖4

③學生在“智能語音識別”項目任務中，使用了LD3320語音識別芯片，為將LD3320語音識別模塊接入Arduino UNO開發板，小組成員討論繪制虛擬電路設計圖（如圖5）及項目硬件接線對應點（如表2），并將Arduino傳感器按照設計的電路圖和線路圖接入Arduino UNO開發板。

表2

圖5 （部分功能）

（3）原型制作，設計循環

學生小組合作在完成硬件搭建后，要對LD3320語音識別芯片進行智能訓練即固件編譯，下頁圖6為“語音識別”部分固件編譯設計。在完成固件編譯后，為了使LD3320語音識別芯片能夠與Arduino開發板進行交互，需要使用Mixly對硬件進行編程，下頁圖7為“語音識別”部分Mixly編程設計。

圖6

圖7

學生對程序設計以及硬件電路設計進行調試。在小組頭腦風暴中，有的小組提出將傳感器直接接入語音模塊，有的小組提出將LD3320語音識別模塊接入Arduino開發板，通過Arduino開發板控制各類傳感器，實現語音指令完成垃圾桶的開合、燈的關閉與點亮、風扇的打開與關閉等各類操作。學生根據自己設計的方案搭建硬件模塊，教師對學生不同的設計方案進行指導并給出相應的技術資源支持。

學生使用3D one設計垃圾桶的外部結構，再使用3D打印機打印出智能垃圾桶模型。在完成造型的設計后，將調試成功的Arduino硬件部分與垃圾桶模型進行組裝，再次進行調試，在這個過程中，學生需要不斷修改自己的設計方案，不斷推翻原有設計，甚至需要調整硬件的搭建，尋求外形與硬件模塊之間的平衡，最終才能完成智能垃圾桶的組裝。

（4）展示評價，迭代改進

在展示評價環節，各小組對自己的設計作品現場進行功能演示，并對外形以及硬件的設計進行講解，同時對不足之處進行反思。在小組全部展示完成后，各小組進行點評，提出修改意見，最后投票選出最佳作品。課后，邀請家長、教師、同學參觀及體驗智能垃圾桶，并請他們對智能垃圾桶作品進行點評，提出修改建議。針對使用者的建議，學生對實物作品進行迭代設計，不斷優化。

●啟示及反思

第一，在設計探究過程中涉及的學科知識較多，所以教師要提供更系統、更優化的教學資源支架，切實幫助學生在設計探究過程中解決知識性問題，同時要引導學生主動對知識進行建構，形成計算思維習慣。

第二，在DBL教學模式中，大量的課堂時間是留給學生的，學生在項目設計過程中主動思考解決項目問題，將復雜問題分解為多個簡單問題，將大任務拆解為各個小任務。層層遞進、邏輯清晰的解決問題的過程，可以有效提高學生將現實問題轉化為使用計算思維解決問題的能力及編程思維能力。