初中開源硬件編程教學(xué)與社會責(zé)任培育策略研究

摘要：本文在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》背景下，對初中階段在校內(nèi)開展開源硬件編程教學(xué)的課標(biāo)課、校本課、課后服務(wù)課三類課型進行了分析，并針對三類課型特點，分別從教學(xué)裝備配置和課堂教學(xué)技巧兩個角度，探討了開源硬件編程課堂的教學(xué)策略，最后規(guī)劃了開源硬件編程教學(xué)的信息社會責(zé)任培育路徑。

關(guān)鍵詞：開源硬件；編程；課型；教學(xué)策略；信息社會責(zé)任

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0036-04

背景闡述

在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中，關(guān)于初中學(xué)段的課程內(nèi)容側(cè)重指向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新、物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索、人工智能與智慧社會和跨學(xué)科的互聯(lián)智慧設(shè)計[1]四個主題，其教學(xué)提示倡導(dǎo)“教師充分利用簡易開源硬件等試驗設(shè)備手段進行相關(guān)應(yīng)用場景的模擬仿真搭建和協(xié)同體驗探究”，從而有效落實“學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式創(chuàng)新”和“科學(xué)原理指導(dǎo)實踐應(yīng)用”的理念。而開源硬件編程教育有助于培養(yǎng)信息科技學(xué)科的計算思維和數(shù)字化創(chuàng)新兩個核心素養(yǎng)，有助于培育以信息安全、信息倫理道德為代表的信息社會責(zé)任素養(yǎng)，樹立以掌握“自主可控技術(shù)”[1]為代表的信息社會責(zé)任意識。

初中開源硬件編程教學(xué)課型分析

1.課型分類

在初中階段，校內(nèi)開展的開源硬件相關(guān)的教學(xué)活動形式，按校內(nèi)課程教學(xué)活動類型差異，可劃分為課標(biāo)課、校本課、課后服務(wù)課三類。

①課標(biāo)課是指按照初中學(xué)段新課標(biāo)規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容和課時要求開設(shè)的，以開源硬件為核心或載體的常態(tài)課。

②校本課是指以學(xué)校為本位、由學(xué)校自己確定的，教學(xué)內(nèi)容多由教師基于本?；厩闆r、辦學(xué)特色和教育理念而設(shè)計開發(fā)的，利用學(xué)生穩(wěn)定的課余在校時間開設(shè)的，以開源硬件為核心或載體的拓展訓(xùn)練課。

③課后服務(wù)課是指隨著“雙減”政策的提出和落實，利用學(xué)生不穩(wěn)定的課后在校時間開設(shè)的，以開源硬件為核心或載體的，以研學(xué)、社團、興趣小組等形式開展的活動課。

2.課型特點對比

筆者結(jié)合教學(xué)實踐，圍繞初中開源硬件編程教學(xué)的課標(biāo)課、校本課、課后服務(wù)課的基本屬性進行特點對比，如下頁表1所示。

初中開源硬件編程分課型教學(xué)策略研究

1.教學(xué)裝備配置

開源硬件編程教學(xué)活動中的關(guān)鍵要件，就是與自由及開放原始碼軟件相同方式設(shè)計的計算機和電子硬件。因此，在開源硬件編程教學(xué)活動中，一套完備的軟、硬件設(shè)備配置包括計算機（或教學(xué)平板）、開源電子硬件（實體的主編程板、拓展配件）和開源編程軟件。其中，除了基礎(chǔ)必備標(biāo)配——計算機和開源編程軟件外，由于受到教學(xué)活動的時空限制，軟、硬件的搭配在教學(xué)實踐中通常是可靈活變動、組合的，大致可劃分為虛擬仿真硬件、實體單一主板、實體復(fù)合硬件三種搭配方案。

①搭配虛擬仿真硬件的裝備方案，省略了實體硬件的OL82CqqitgmAYjUcC5K0XxLiNSZafRfNcOlWv0ZN9bc=連線搭建、故障排除等環(huán)節(jié)，相較于使用實體硬件最為節(jié)省時間，適用于理解知識性原理、設(shè)計方案的連線示意、仿真呈現(xiàn)模擬效果等的教學(xué)，此裝備方案三種課型均有應(yīng)用。特別是對于教學(xué)時間緊湊的課標(biāo)課，其時間優(yōu)勢尤為突出。官方的開源編程軟件通常搭載開源主板的虛擬仿真模塊，但若要對拓展配件進行虛擬仿真，需要借助其他虛擬仿真系統(tǒng)。因此，其缺陷在于對硬件功能性效果、軟硬件通訊和人機交互等的測試有較大局限。

②搭配實體單一主板的裝備方案，簡化了實體硬件的連線搭建、故障排除等環(huán)節(jié)，相較于搭配使用實體復(fù)合硬件，其時間代價相對適中，適用于理解和呈現(xiàn)簡單的硬件功能性原理和效果，測試簡單的軟硬件通訊和人機交互等的教學(xué)，此裝備方案三種課型亦均有應(yīng)用。這在一定程度上，有效兼顧了教學(xué)時間分配和硬件功能性試驗的課堂教學(xué)需求。

③搭配實體復(fù)合硬件的裝備方案，其中通常兼?zhèn)渲骶幊贪?、拓展配件等多種實體硬件，其必須預(yù)留實體硬件的連線搭建、故障排除等環(huán)節(jié)，其時間代價相對較大，適用于理解和呈現(xiàn)復(fù)雜的硬件功能性原理和效果，測試復(fù)雜的軟硬件通訊和人機交互等的教學(xué)，此裝備方案多應(yīng)用于教學(xué)時間相對充沛的校本課或時長大于50分鐘的課后服務(wù)課。

筆者結(jié)合當(dāng)前教學(xué)實踐中常用的三類開源硬件主板+Micro：bit、掌控板、Ardunio，整理了其教學(xué)中的軟、硬件裝備方案，如表2所示。

2.課堂教學(xué)技巧

開源硬件編程教學(xué)中常存在“‘技術(shù)本位’思想”。[2]為改善這一情況，教師可以在課堂教學(xué)中運用如下技巧：①充分的課前學(xué)情準(zhǔn)備和課中排障準(zhǔn)備。由于開源硬件編程的教學(xué)項目通常涉及學(xué)科廣、知識復(fù)合且抽象，對學(xué)生綜合能力要求高，而學(xué)生的相關(guān)知識基礎(chǔ)和信息技術(shù)能力水平參差不齊，教學(xué)難度較大。因此，要充分評估學(xué)生的前知識水平，鋪墊跨學(xué)科知識。另外，在軟、硬件交互的教學(xué)活動中要充分預(yù)估學(xué)生在操作中可能出現(xiàn)的軟、硬件故障，給予高效的排障建議。②運用支架工具對“軟硬件交互”邏輯的思維建模。開源硬件編程與其他信息科技模塊的顯著差異在于其活動中編程涉及軟、硬件交互，因此，在教學(xué)過程中要注意引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)流程，在軟、硬件交互的實物化操作體驗中進行遷移。通過分析學(xué)生以往的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，可利用圖形化編程，降低遷移操作的難度。下面，筆者分別以一節(jié)課標(biāo)課、校本課為例進行具體說明（如表3）。

初中開源硬件編程教學(xué)的信息社會責(zé)任培育策略研究

1.策略分析

（1）明確培育目標(biāo)

在初中階段，開源硬件編程通常嵌入“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”和“人工智能與智慧社會”兩大內(nèi)容模塊的教學(xué)中。因此，初中階段將借由開源硬件編程教學(xué)落實信息社會責(zé)任素養(yǎng)，其主要涉及以下方面：①網(wǎng)絡(luò)空間中物品標(biāo)識和虛擬身份[5]的意義及其具備的信息安全防護能力；②人工智能對社會的影響以及對科技倫理的挑戰(zhàn)；③人工智能的控制系統(tǒng)存在的安全風(fēng)險，采用自主可控技術(shù)實現(xiàn)安全風(fēng)險的降低。[6]

（2）分課型的培育策略分析

①課標(biāo)課教學(xué)策略。通過基礎(chǔ)知識和技能的普及，引導(dǎo)學(xué)生初步了解信息社會責(zé)任的概念和重要性。引入簡單的開源硬件編程案例，如基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，結(jié)合案例講解信息安全、隱私保護等知識點。利用課堂討論、小組合作等課堂互動形式，增加學(xué)生的參與度和理解深度。

②校本課教學(xué)策略。基于學(xué)生已有的基礎(chǔ)知識，進行深度拓展，講解更復(fù)雜的開源硬件編程項目。通過實際項目，讓學(xué)生在實踐中體驗信息社會責(zé)任的重要性。

③課后服務(wù)課教學(xué)策略。利用課后服務(wù)課的時間，根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，引導(dǎo)他們參與開源硬件編程的社團活動或興趣小組。鼓勵學(xué)生自主探究，自主選擇研究課題或項目，培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。引導(dǎo)學(xué)生參與開源社區(qū)，與全球的開發(fā)者交流學(xué)習(xí)，了解開源文化和信息社會責(zé)任的國際標(biāo)準(zhǔn)。

2.路徑規(guī)劃

（1）時間維度的培育路徑規(guī)劃

①短期規(guī)劃。主要分為“啟動階段—實施階段—評估階段”三個階段，其細化如下：首先，在課程開始前，進行信息社會責(zé)任教育的培訓(xùn)和科普，讓教師和學(xué)生都明確教育目標(biāo)及其重要性。其次，在課標(biāo)課、校本課和課后服務(wù)課中逐步融入信息社會責(zé)任教育，設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)活動和任務(wù)。最后，通過常態(tài)作業(yè)等方式初步評估學(xué)生的掌握情況，并根據(jù)反饋進行調(diào)整和改進。

②中期規(guī)劃。主要分為“深化階段—拓展階段—反思階段”三個階段，其細化如下：首先，在短期規(guī)劃的基礎(chǔ)上，通過案例分析、角色扮演等課堂活動方式，進一步深化信息社會責(zé)任教育，提高學(xué)生的實踐能力和責(zé)任感。其次，組織學(xué)生參與開源項目、競賽、研學(xué)等課外活動，讓他們在實踐中體驗信息社會責(zé)任的重要性，并學(xué)習(xí)如何與他人協(xié)作、尊重他人的貢獻。最后，定期組織師生進行反思和總結(jié)，找出教學(xué)過程中的問題和不足，并提出改進措施。

③長期規(guī)劃。主要分為“持續(xù)教育+制訂規(guī)范+社會聯(lián)動”三個部分，其組成如下：首先，將信息社會責(zé)任教育作為開源硬件編程教學(xué)的長期目標(biāo)之一，持續(xù)進行教育和引導(dǎo)。其次，建立和完善信息社會責(zé)任教育的相關(guān)教學(xué)規(guī)范，確保培育目標(biāo)的達成。最后，加強與社會團體的合作與交流，在共同推動信息社會責(zé)任教育開展的同時，豐富培育資源和培育形式。

（2）“自主可控技術(shù)”為導(dǎo)向的培育路徑規(guī)劃

①自主可控技術(shù)意識和價值觀養(yǎng)成。教師應(yīng)通過“從理論講解到案例分析”的方式，向?qū)W生明確闡述自主可控技術(shù)的定義內(nèi)涵及其對國家安全、信息安全和國家經(jīng)濟發(fā)展的重要性。通過引入對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域，如技術(shù)封鎖、數(shù)據(jù)泄露等的實際案例分析，讓學(xué)生深刻理解“掌握自主可控技術(shù)”的戰(zhàn)略意義和價值，從而逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主可控意識，并樹立信息安全和自主可控的價值觀。

②結(jié)合具體項目開展自主可控技術(shù)實踐。首先，在選擇開源硬件編程項目時，結(jié)合課程內(nèi)容，優(yōu)先考慮涉及自主可控技術(shù)的項目。其次，在課堂項目實踐中，設(shè)置技術(shù)挑戰(zhàn)，讓學(xué)生模擬“需要依靠自主可控技術(shù)解決困境”的體驗，通過實踐加強對自主研發(fā)能力的訓(xùn)練。同時，學(xué)校可以與相關(guān)企業(yè)聯(lián)動、協(xié)作，讓學(xué)生有機會在真實項目中觀察、思考，甚至鍛煉和提升自主可控技術(shù)的研發(fā)能力。此外，鼓勵學(xué)生參與開源社區(qū)，與全球開發(fā)者互動交流，學(xué)習(xí)最新的自主可控技術(shù)動態(tài)，拓展學(xué)生的技術(shù)視野。

總結(jié)

本文對初中階段在校內(nèi)開展開源硬件編程教學(xué)的課標(biāo)課、校本課、課后服務(wù)課三類課型進行了分析，并針對三類課型特點，分別從教學(xué)裝備配置和課堂教學(xué)技巧兩個角度，探討了開源硬件編程課堂的教學(xué)策略，最后從“時間維度”和“‘自主可控技術(shù)’為導(dǎo)向”兩個視角，規(guī)劃了開源硬件編程教學(xué)的信息社會責(zé)任培育路徑。筆者認為，唯有堅持不斷地對課堂教學(xué)和素養(yǎng)培育的策略進行鉆研，才能轉(zhuǎn)變以往教學(xué)中“技術(shù)本位”的思想，助力學(xué)生核心素養(yǎng)養(yǎng)成和自主可控技術(shù)意識提升。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]王巍.我國開源硬件教育應(yīng)用研究綜述[J].教育研究，2020（01）：71-77.

[3]許力.信息技術(shù)（2020年修訂版）八年級/下冊[M].福州：福建教育出版社，2020.

[4]樊磊，梁森山.人工智能 初中版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[5][6]黃榮懷，熊璋.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

本文系2023年度福建省中青年教師教育科研項目基礎(chǔ)教育研究專項課題項目“培育中小學(xué)生‘信息社會責(zé)任’素養(yǎng)的實踐路徑研究”（項目編號：JSZJ23001）階段性成果。