開源硬件在中學信息技術教育中的應用

一、開源硬件在中學信息技術教學中的價值

（一）促進學生學習興趣提升

在開源硬件的支持下，學生能夠把所學習的信息技術理論知識應用于實踐操作場景之中，在編程控制機器人和傳感器等方面獲得充分的探索機會，這樣的即時互動與反饋可極大地促進學生學習興趣的提升。

（二）推動學生計算思維發展

利用開源硬件平臺，學生能夠直接面對各種類型的現實生活問題，借助計算思維完成問題分析與解決任務。在此期間，學生應借助算法與邏輯結構審視生活問題，直觀了解算法與邏輯結構對硬件行為造成的影響，進而深人領會計算思維。

（三）刺激學生創新思維進步

開源硬件所具有的開放性特點，使學生處在較為廣闊的創造空間之內。在此空間中，學生能夠從自身想法出發，選擇多種硬件組合方式，并設計與之相對應的程序，實現個性化功能，對自我創新思維產生較強刺激。

二、教學設計

（一）教學框架設計

在開源硬件教學中，教師應預先設計滿足學生發展需要的教學內容，以促進教育效果的提升。依此前理論研究成果，越是高效的教學流程，在設計時越需要實現多重教育功能，從而使學生的創新思維得到培養，讓其擁有更強的問題解決能力，且產生優化實驗操作方案的意識等。為實現多重要求，本次教學設計準備在框架設計中分步操作，以生活中所發現的問題為導引，把問題轉為有探索價值的課題

（二）教學對象分析

教學對象分析屬于教學設計的前期重要環節，不管是確定教學目標還是具體的活動設計，以及相應的教學內容選擇與編排，均應考慮到教學對象的情況。本研究所指向的中學生已經初步具備了一定的思維與能力，可以利用具體事物或者現象進行相對簡單的抽象邏輯運算，完成開源硬件的探索與研究工作，這為巡邏機器人的設計與使用奠定了基礎。除此以外，這一階段的學生自制力更強，團隊合作能力、觀察力、注意力和問題解決能力等也有所發展，這使巡邏機器人的實際運用與迭代更新具有可能性。

（三）教學資源提供

為使學生快速進人情境，參與設計與使用巡邏機器人的過程更加順利，教師需要準備充分的輔助教學資源，即在設計教學流程時，預先提供必要的與設計活動相關的知識與硬件資源，這將保證學生得到全程幫助，不斷進行深入學習，同時保持學習的不間斷。當學生接觸到搭建巡邏機器人這部分內容時，他們已經能夠基本了解機器人的概念，對機械結構有一定的認知，同時知道開源硬件的作用。據此，接下來所設置的實踐操作課，需要學生學習編寫程序，體驗機器人的特定功能。教師可在課前準備以下內容。其一，電子教材一份，供學生隨時閱讀，為課前沒有準備紙質教材的學生提供方便;其二，編程軟件，使學生按照教師所出示的安裝說明自主融入編程環境；其三，示例程序，供學生體驗與理解程序的運行規則，并模仿使用。

（四）教學活動設計

開源硬件在中學信息技術教學中的應用以項目化學習為主，該設計形式強調合作、探索的必要性，也強調要進行真實性、綜合性評價。實踐環節中，學生需要具體探索巡邏機器人的操作流程，使理論知識與實踐應用融為一體，這種理論結合實踐的做法，是教學活動設計中另一個值得注意的點。具體活動設計可分為三個階段。

1.初步提供導學單框架，引導學生走近巡邏機器人

教師列出導學單框架，要求學生在教師的引導下分步填寫。

八年級下冊“搭建巡邏機器人\"導學單

（1）學習目標

了解巡邏機器人基本結構組成，如底盤、傳感器、控制器、動力系統等。掌握基礎編程邏輯，如循環、條件判斷等，用于對機器人行為的控制。掌握紅外傳感器、超聲波傳感器的使用方法，應用環境感知功能。

在動手實踐中進行巡邏機器人硬件搭建和軟件調試，以小組合作方式處理機器人巡邏路徑規劃之中的實際問題。

培養團隊協作意識、工程思維、人工智能與機器人技術興趣及創新意識。

（2）學習重點與難點（教師指導，學生填寫）

（3）課前準備工作（主要由學生填寫）

（4）課堂活動設計（主要由教師指導，學生填寫）（5）課后拓展

主要包括實踐作業部分與探究思考部分。

（6）評價與反饋

（7）安全注意事項（教師指導，學生填寫）

本次授課中，教師利用真實情境，引導學生換位思考：作為一個具有防溺水功能的巡邏機器人，需要擁有哪些功能？這一環節可充分展現學生主體作用。在本環節中，預設的導學單需要學生填寫完成，由此確認本次主要任務，即學習的重點包括機器人硬件結構搭建及編程邏輯實現避障、路線識別等巡邏功能。難點在于精準調試傳感器和保證多任務程序的協調性，并按照實際情況優化機器人行動路徑。

教師要求學生共同觀看溺水新聞，讓學生討論自己的心理感受與對事件的看法，再提出問題：有什么辦法能夠降低危險發生的可能性？如果借助人力去宣傳和監督，在人力有限和全國河道眾多的情況下，這一矛盾如何化解？我們可以把這些有必要然而又重復的工作交給誰呢？啟發學生說出“機器人\"的答案。再利用小組討論形式共同分析：如果讓你擔任設計師，你可以給巡邏機器人添加哪些功能？學生通過小組討論得到答案，并且填入導學單之中。

在師生共同努力之下，導學單能夠全面匯總本次探索的項目目標與研究方向，最終明確學生所設計的巡邏機器人應當突出防溺水警示這一主要功能。

2.繼續認識巡邏機器人，做好基礎知識的引導工作

在導學單的引領下，教學活動持續推進。接下來，教師應在前述啟發成果的基礎上繼續同學生討論。討論側重于巡邏機器人的原理及表現關聯性，并使學生明確：當接近設計預期時，巡邏機器人可以借助LED顯示屏，在有可能發生溺水的危險位置及時警示大家，并給予緊急救援，即巡邏功能以保證水域安全為目的。機器人需要擁有高精度傳感器、定位系統，可以識別水域范圍內的障礙物位置，并給出安全標志，在隱患出現時報警。再者，機器人應能夠白天關燈、夜間開燈，開關燈可以智能控制，這將確保機器人在自動啟動照明狀態下順利完成巡防任務。

然后，教師引導學生觀看PPT上各種類型的機器人，說明固定式機器人和積木式機器人的特點，要求學生指出教師所示范的機器人的控制、傳感與執行模塊與哪些部件是一一對應的，并且思考：若想達到機器人巡邏效果，需要機器人做到什么、如何行動？機器人行動時，它的傳感、控制和執行模塊是如何工作的？換言之，教師需要向學生說明：當前我們所看到的機器人硬件模塊是比較完整的，但是如果需要讓這個機器人按照我們的意愿完成巡邏任務，我們還應當如何操作？對，我們要讓它擁有“思想”，也就是要為它編寫一個可以運行的程序。那么，我們可以使用哪些軟件呢？教師讓學生填寫導學單中課前準備工作的部分，學生將在其中填入預習的知識，如傳感器（如紅外、超聲波）工作原理;Scratch、Python或圖形化編程工具基本操作技能。填人材料清單，如硬件中包含電機、輪子、傳感器、主控板等機器人套件；軟件中包括編程電腦、數據線、配套編程環境以及場地模擬地圖等。

3.基于導學單搭建硬件結構，完成巡邏機器人設計

學生在前一環節已經制訂出比較完整的項自方案，此時教師需要進一步給出階段性任務，并要求學生完成相應的導學單課堂活動設計部分框架。學生將分兩步填寫，其一是搭建硬件結構，包括依說明書分組做機器人底盤、安裝傳感器與組裝主控板，檢查硬件連接，用以確保電機與輪子轉動靈活、傳感器固定穩固。其二是編程與調試，包括編寫程序使機器人沿直線前進并能夠做到自動停止。此外還可附設進階任務，如紅外傳感器添加，以實現遇到障礙物自動轉向等。

填寫之后，教師可讓學生依此進行文本設計方案的細分，形成選擇材料、搭建結構、編程調試等具體部分，再讓各小組彼此配合，完成分項的巡邏機器人設計。學生需要結合已填寫的導學單內容，進一步完善巡邏機器人設計步驟以及功能優化這兩項任務。任務中，各小組分別負責各自的工作，如材料小組進行材料重量、密度等的研究，結構小組把建模拆分為組合零件，編程小組則重點基于開源硬件要求做輔助程式編寫等。

（1）步驟設計

第一，在具體設計巡邏機器人過程中，教師要讓學生在自主學習狀態下掌握傳感器知識，并使用恰當的傳感器實現對應功能，同時思考什么是程序。教師給出學習任務：完成算法流程圖，并按照教師所提供的使用指南做程序傳輸和測試。

在此期間，教師進行學習引導：什么是程序？分散的各個指令與積木算不算程序？

學生意識到，只有讓一組指令處于集合狀態才能算是程序。

接下來，學生根據任務完成算法流程圖，然后進入為機器人編寫“思想\"的過程

第二，教師需要讓教學活動回到本課最初方案，從現有設備出發，要求學生按照工程師思維進行方案迭代更新，促使其在實踐過程中發展信息素養。

教師提出關鍵問題：結合實際，你認為巡邏機器人還可以怎樣改進？

學生在問題的帶動下學習傳感器相關功能，找出合理的傳感器優化方案，將方案填入優化單并分享。

教師進行評析：大家參與設計的巡邏機器人是非常具有創新性的，同時能夠應用到實際生活中，我們來看看它們的具體應用場景（展示學生設計成果的可能應用環境，再將巡邏機器人應用案例視頻播放給大家看）。當然，巡邏機器人的外形不止這一種，還可以有其他形式，如這款無人機外形，還有這款水下作業外形，等等。

（2）內容優化

課程進行到這里，學生已經大致了解了巡邏機器人的設計步驟，但是本環節的整體完成度普遍不理想，只有部分小組能夠完全實現巡邏機器人的功能，其余小組均要做進一步調試與修改。對于需要調試與修改的小組，教師應使之同時思考迭代更新的策略，在功能優化中逐漸使機器人功能更加完善。

此時教師可引導學生進一步添加機器人功能，如使之具有防溺水警示特點。

教師提出問題：怎樣使巡邏機器人具有警示功能？利用問題分解與小組自主探究形式，使學生再次進行知識構建。為達到理想效果，教師可要求學生DIY，使警示標志個性化，更加發人深省。此時教師可提示：我們已經使巡邏機器人具備了基本功能，接下來請思考：生活中的警示標志都具備哪些特點？教師利用PPT出示現實生活中常見的警示標志，讓學生將它們的特點概括出來，再基于警示標志特點設計簡單易懂的警示標志。

學生設計之后，教師發現大家沒有遇到無法解決的困難，普遍可以借助編程讓機器人具有顯示標志的功能。

4.展示巡邏機器人，并做好評價總結工作

教學后期，教師需要引導小組成員匯報演示成品，并由小組互相點評、提出建議，接下來再進行完善、優化，并進行終結性評價。為了使該過程順利進行，教師要做好平臺搭建工作。教師幫助學生搭建具有多種功能的、能夠全面展示研究成果的平臺，可以通過線下實體展示與線上虛擬展示兩種不同形式進行，關鍵點在于支持學生完整且真實地呈現項目成果。關于平臺創設與使用方法，當學生完成巡邏機器人設計和制作工作以后，一般教師可選擇學校實驗室及展示廳等位置搭建利于成果可視化的多功能平臺，使學生把機器人成果放在平臺區域之內，并附上功能和理念介紹，同時使參觀者能夠近距離體驗。與此同時，教師可以在條件允許的情況下上傳開源程式到編程開源網站上面，使網站其他用戶可以評價、學習與借鑒，并要求學生在導學單內填寫剩余部分，如注意事項等，如輕拿輕放電子元件，避免短路或損壞；調試時遠離旋轉部件，防止受傷等。

具體展示與評價過程如下：

（1）教師提出問題：怎樣使巡邏機器人做到在河邊行走而又不會誤人警戒區域？該問題可直截了當地使學生思考如何使巡邏機器人能夠按照軌跡完成巡邏任務。

（2）教師進一步申明問題：怎樣使巡邏機器人在虛擬地形中按照軌跡進行巡邏？學生利用知識建構環節得來的知識，掌握機器人的操作方法，即讓RGB燈與光線傳感器在遇到不同情況時顯示不同數值。這就要求學生新建變量，使變量一直顯示出光線傳感器的值。

（3）教師要求學生對算法進行分析，提出問題：怎樣借助流程圖對機器人按照特定軌跡進行巡邏的算法加以分析？學生以問題為引導，按照導學單上的提示性文字繪制巡邏機器人理想的巡邏軌跡，同時說明它的算法流程圖，再做小組匯報展示，由其他同學做出評價，使問題解決方案得以更清晰地呈現出來。

（4）繼續完成編程任務，即把算法轉化為程序，上傳到設備中嘗試運行。在此期間，學生思考教師所提出的問題：怎樣做好編寫程序與上傳設備工作？再按照運行過程中所出現的新問題，進一步調整與完善程序。并把調試期間已經解決的問題、還沒有解決的問題以及應當留意的問題一一記錄下來。

（5）在優化迭代與評價階段，教師要讓學生思考還能在什么地方進行巡邏機器人的再次優化，對方案加以個性化的迭代更新。在實際運用中發現，有一些很具有代表性的問題，教師可將其總結起來供學生共同討論。如巡邏機器人紅外傳感器在運用時可能有理解上的偏差，當機器人在巡邏時，應利用RGB燈、光線傳感器、補光燈等多種模塊，保證這些模塊共同發揮作用，在發出藍光后檢測藍光強度、返回數值，為達到理想效果，應輸入反射光強度范圍參數，直接確定精確數值的做法是不合理的。針對這一問題，學生需要進行及時優化調整。

三、反思

開源硬件是目前信息技術教學中的一種新興學習內容，雖然其目前未有廣泛運用，然而前景非常可觀。教育教學過程中，教師需高度關注學生思維能力的培養，并充分發揮自身的引導作用，使學生在實踐探索過程中基于生活化的內容突破自身思維局限，并基于學生實際情況，為其創設對應的案例情境，以利于學生在特定場景下加深對預期學習內容的了解，還要結合項目要求完成情境中的任務。但是本次研究依然有一些不足，特別是情境創設不足，學生主動性不強，未來教師應繼續通過多種途徑尋找支持開源硬件使用的生活場景，并增強場景與知識的對應性。

（作者單位：福安市老區中學）

編輯：趙飛飛