基于Arduino平臺的初中信息科技項目式實驗教學研究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）12—0073-03

引言

實驗教學作為一種契合學習科學理論以及技術工程知識需求的教學模式，在教育過程中扮演著極為關鍵的角色，它對全面提升學生的綜合能力、切實達成科學教育的各項目標，起著不可忽視的重要作用。

項目式實驗教學作為一種創新性的教學方法，將項目式學習與實驗教學進行了深度融合。它以具體且明確的項目為載體，圍繞項目設定的目標，精心組織并有序開展各項實驗活動。在整個過程中，學生需要親自動手進行多個實驗操作，查閱資料，收集、分析數據，以及運用所學知識解決實踐中遇到的各類問題等。通過這一系列環節，學生能夠更加深人地理解和掌握相關的知識與技能，全方位培養自身的綜合能力。

基于Arduino平臺的“物聯網近場通信技術”項目式實驗設計

下面，筆者以“物聯網近場通信技術”實驗為例，具體談談如何開展項目式實驗教學。

1.思路創新

基于教學目標創設新穎的實驗情境，以第一視角代入情境：奶奶喜歡聽音樂，她的智能手機里收藏了不少的曲目。然而隨著年事漸高，奶奶的視力變得越來越差，常常選錯曲目，這讓奶奶有點懊惱。你看在眼里，疼在心里，決定利用自己所學，給奶奶量身打造一個更便捷、更適老的音樂播放器。以這樣的方式創設實驗情境好處頗多。首先，源于對奶奶的心疼，內心會燃起強烈的學習動力，驅使自己主動鉆研知識，去探索打造適合老年人的音樂播放器，讓學習變得更積極主動。其次，能把平日里所學的理論知識切實運用到實際操作中，把抽象知識具象化，借此更好地掌握并靈活運用這些知識，有效提升知識應用和實踐能力。再次，在整個過程中設身處地為奶奶著想，會不斷強化關心他人、解決問題的責任感，有助于培養同理心以及塑造良好的品德和價值觀。最后，為了讓播放器更貼合奶奶視力不好的特殊情況，必然要思考與眾不同的設計思路，嘗試各種創新方法。

2.技術與器材創新

Arduino是一個開源電子原型平臺，在電子制作、創意項目以及教育等眾多領域廣泛應用。它能夠連接近場通信模塊等各類設備，構建出豐富多元的物聯網實驗系統。

DFRduino UNO R3是依據Arduino這一原型平臺設計的主控板平臺。該平臺支持學生參與真實項目實踐，讓學生在模擬真實場景的操作中，鍛煉團隊協作、問題解決等綜合素養，為實驗教學和創客項目的順利開展提供強大助力。

3.方法創新

實驗教學組織形式是多維度且相輔相成的。采用團隊分工協作的方式，可分為兩人組，一人實踐一人記錄，也可分為四人組。分組的主要原則是依據班級學生人數與能力水平合理分組，實現成員能力互補，明確各成員職責，讓其分別負責器材準備、電路搭建、編程以及測試記錄等，讓小組成員在緊密協作中共同攻克實驗任務，培養團隊合作意識。

實驗實施過程

第一階段：識別NFC讀寫器、LED模塊和電子標簽，理解近場通信的工作原理。

教師介紹科學家法拉第、麥克斯韋、赫茲，讓學生了解無線電波的發展歷程，引導其探究近場通信技術的工作原理和數據傳輸機制，進而幫助學生理解近場通信技術的核心原理，清楚數據在設備間是如何通過信號進行傳輸的。同時，將近場通信技術與實際生活相結合，讓學生體會到該技術在生活中的應用，如門禁系統、公交卡支付等場景都運用到了近場通信技術，以此增強學生對知識的實際應用意識。

學生通過計算機來編寫和上傳程序，使用連接線來連接各個硬件設備以及保障數據傳輸和供電，用DFRduino UNO R3作為整個實驗的主控板，用NFC讀寫器讀取電子標簽中的信息，用LED燈直觀展示實驗結果。采用I2C模式進行通信，將NFC模塊的綠線連接到主控板的SDA引腳，藍線連接到SCL引腳，黑線連接到GND引腳，紅線連接到5V引腳。將LED模塊連接到主控板的數字引腳，連接時需注意引腳匹配相同顏色，保證連接正確。在將LED模塊連接到數字引腳后，當程序控制該引腳輸出高電平或低電平時，LED燈能夠相應地亮起或熄滅。

學生可根據自身掌握程度選擇圖形化代碼或其他編程方式進行編寫。將程序上傳至主控板并運行，在運行過程中，學生需要仔細觀察實驗現象。當電子標簽靠近讀寫器時，如果成功讀取，程序會獲取到電子標簽的UID（唯一識別碼），并將其顯示在計算機的串口監視器上，學生記錄下獲取到的UID。同時，由于程序設定，當讀取成功時，連接在數字引腳的LED燈會亮起，直觀地展示讀取成功的狀態。如果實驗過程中出現LED燈未亮起或無法獲取UID等問題，學生需要檢查硬件連接是否正確、程序代碼是否存在邏輯錯誤，通過調試解決問題并繪制簡易流程圖，從而加深對實驗原理和操作的理解。

第二階段：識別MP3語音、顯示屏模塊和無源音箱，學會使用MP3模塊。

將MP3語音模塊與主控板進行連接，依據模塊說明書確定相應的引腳連接方式，連接電源引腳以保證模塊正常供電，連接通信引腳UART接口實現主控板與MP3模塊之間的數據傳輸與指令交互。顯示屏模塊同樣連接到主控板的I2C接口，確保能夠準確接收主控板發送的顯示數據。無源音箱連接到MP3語音模塊的音頻輸出接口，從而實現聲音播放功能。各模塊連接時要注意正負極性與引腳對應關系，避免因連接錯誤損壞設備。

學生需通過編程實現對MP3模塊的控制。可借助圖形化編程軟件（如Mind+）或文本代碼編程。功能包括選擇MP3模塊內存儲的音頻文件、控制音頻播放的開始與暫停、調節音量大小，以及在顯示屏上實時顯示播放曲目、音量大小。編程完成后，將程序上傳至主控板，運行程序測試MP3模塊功能。在程序上傳過程中，必須將MP3模塊的兩個數字接口拔出，否則會出錯，學生仔細觀察MP3模塊、顯示屏與無源音箱的工作狀態。若音頻無法正常播放，需檢查模塊之間連接是否穩固、音頻文件格式是否正確、音頻控制指令是否準確。通過不斷調試能夠按照預期播放音頻，顯示屏準確顯示信息，實現硬件與軟件的協同工作，達成實驗目標，同時繪制該實驗的簡易流程圖。

第三階段：識別按鈕模塊等，學會根據流程圖搭建硬件和編寫程序。

學生按照實驗要求將按鈕模塊連接到主控板的指定數字引腳，連接時需注意正負極性和引腳對應關系，防止因連接錯誤導致設備損壞。同時，要根據實驗需求，把按鈕模塊與此前熟悉的NFC讀寫器MP3模塊、顯示屏模塊等進行組合連接，構建起更為復雜的硬件系統。通過按下按鈕控制LED燈的亮滅、控制MP3模塊播放特定音頻或者切換顯示屏顯示內容，要求學生繪制完整流程圖，要清晰描述從按鈕被按下或松開，到主控板接收信號、進行邏輯判斷，再到控制相應設備執行動作的整個過程。

在程序上傳后，學生通過按下和松開按鈕，觀察連接設備的響應情況。若設備未按照預期動作，需要排查硬件連接是否松動、思考流程圖設計是否存在邏輯漏洞以及代碼是否存在錯誤等。在成功實現功能后，鼓勵學生對程序和硬件系統進行優化，如調整按鈕的響應靈敏度、增加多個按鈕實現不同功能組合等，從而提高效率。

第四階段：終極調試并展示交流。

學生針對前三個階段整合后的系統程序展開全面調試，檢查程序在復雜操作和長時間運行狀態下的穩定性，如在連續多次讀取電子標簽信息、頻繁切換MP3音頻播放、多次觸發按鈕控制不同設備動作等操作后，系統是否會出現卡頓錯誤響應甚至死機的情況。通過串□監視器輸出詳細的調試信息，分析程序運行流程，查找潛在的邏輯錯誤和內存泄漏等問題。若發現程序出現異常，需要回溯代碼，檢查變量的賦值與使用、函數的調用邏輯以及各模塊之間的協同工作，逐步修復程序漏洞，優化程序性能，確保系統穩定、可靠運行。

要求學生通過多種方式展示實驗成果：制作PPT來闡述實驗背景、目標、過程、成果以及遇到的挑戰和解決方案；現場演示，如當NFC讀寫器讀取到特定電子標簽時，MP3模塊播放指定音樂，同時顯示屏顯示相關信息，并且通過按鈕可以靈活控制音樂播放和顯示內容切換等；撰寫實驗報告，以文字記錄實驗的各個環節和成果。在展示過程中，支持團隊之間提出問題和建議，這種交流不僅能夠讓學生相互學習、拓寬思路，還有助于培養學生的表達能力和批判性思維進一步完善實驗成果。

總結與分析

從實驗的整體效果來看，學生通過參與各個階段的實驗操作，在知識和技能方面有了一定的收獲。在知識層面，學生對物聯網近場通信技術的概念、工作原理，以及數據傳輸機制有了更深入的理解。在實際生活應用案例的引導下，學生能夠將抽象的技術知識與生活場景相聯系，增強了知識的應用意識。在技能層面，學生掌握了Arduino開發板與讀寫器、MP3模塊、顯示屏模塊、按鈕模塊等多種硬件設備的連接方法，能熟練運用圖形化編程軟件進行程序編寫，實現了對硬件設備的控制。團隊分工協作模式讓學生學會了與他人溝通交流、合理分配任務，增強了團隊合作意識和能力。

參考文獻：

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