普通高中开源硬件项目设计教学实践研究

沈荣斌 刘 园

(1.当涂县教育局 2.当涂第二中学 安徽马鞍山 243000)

一、提出问题的背景

当今社会，科学技术迅速发展、知识经济和信息社会已经来临，迫切需要高素质的、具有创造能力并全面发展的人才。教育部发布关于印发《教育信息化“十三五”规划》明确提出，要“探索创客教育等新教育模式”，为创新教育的实施指明了方向。

普通高中信息技术最新课程标准，提出学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成。而在中小学开展开源硬件项目设计教学，可让学生体验研究和创造的乐趣，培养学生利用信息技术解决问题和创新设计的意识与能力。这既是国家对创新人才培养的要求，也是培养创新人才的有效途径。

二、开源硬件项目设计教学的实践

(一)初级阶段，激发学习兴趣和创造的热情

1.学生学习主要所面临的问题。对于开源硬件平台我们选择的是Arduino，之所以选择它，因为这开源硬件价格实惠，大小适合、配件等唾手可得，非常有利于学校开展硬件项目设计的教学。对Arduino的学习主要分两部分，硬件和软件两个方面。在学习的过程中需要对Arduino UNO 板、面包板、跳线、LED 灯，色环电阻、按键、有源蜂鸣器、超声波等传感器模块进行学习。

在编程方面，现在有初中和小学在使用图形化编程工具(如Scratch教学)，Scratch编程不失为低学龄阶段编程教学的优秀教学工具，但是，模块化编程学习终究并非编程的本质，编程最终还是需要回归到代码语言的编写当中去。所以我们选择的是集成开发环境(Arduino IDE),类似C、C++语言。

主要面临的问题，一根据项目，需要选择不同的硬件连接、组装，这会使一些不爱动手的学生产生畏难情绪。二对于几乎没有涉足过编程的高中生而言，在学习过程会产生畏惧的心理，表示不喜欢代码。因此，如果学生对Arduino的学习没有兴趣与热情的支持，教学将难以为继。

2．应对的教学策略。一要强调整体参与、小组合作学习，确保每位学生参与进来。Arduino 对学生而言是一个的挑战，学生的电路组装能力与编程的学习能力的差异，对学习的结果影响显著。为了不让学生在初级阶段的学习产生明显差异，在初级学习阶段，要强调小组合作学习，教师课前要分好组、选好组长(建议3至4人每组)，在每节课中以共同的合作学习成果给全组评价。评价由教师和学生互评组成，全体成员都获得同一个分数，用小组成绩代替个人成绩，促使小组成员的互帮互助，共同进步。

二要运用马斯洛的需要层次理论，培养与维持学生学习与创造的热情。1943年美国人本主义心理学家马斯洛在《人的动机理论》一书中从人体心理结构的角度提出了需要层次理论。根据其理论，学生的学习必须要在满足基本的生理、安全、自尊、爱的需要的同时，才会有强烈的学习需要。因此，基于这一理论，设计教学环节，以满足学生需求，即尊重的需求。尊重需求既包括对成就或自我价值的个人感觉，也包括他人对自己的认可与尊重。

首先，每节课都要展示多件优秀的设计作品，对作品进行细致的评价，用夸张的言语表达我对作品的赞赏。特别是在编程方面和设计上表现出的独特想法和创新的作品，进行毫不吝啬的称赞。在受到赞赏会产生一种潜在的快乐心情，这样会维持学习热情。

其次，在每节课的开始都对上一节的知识进行梳理，让学生来充当老师的角色带领全班同学对旧知识的复习,特别是分享自己的发现。这样会最大限度地引导学生参与到教学活动中，极大地鼓舞了学生探索和学习的热情，使学生在分享知识的过程中学会学习。

(二)中级阶段，为学生的学习提供个性化支持与帮助

当完成初级阶段学习后，学生已经掌握一些硬件基础知识和编程的方法，但在这过程中小组之间的差异就更加明显的表现出来了。尽管有小组之间的互助机制，但限于每个人的理解、接受能力不同，差异还明显存在。学的快的同学想学更多的知识，学的慢的同学想减缓学习速度。这就需要按学生的认知水平,实施分层教学,因材施教。此时可以以学生自主学习为主，教师需要为学生构建自主学习的多维空间，具体做法可以是：

1.将阶梯型的学习任务和学习资源呈现在微信公众号平台上。学生可根据自己的实际出发来进行相关内容的学习，做到循序渐进，层层深入。

2.将教学中的难点和重点制作成微课，发布在平台上，学生根据自己的需要随时观看，反复巩固学习的内容。使学习的自主性、灵活性、探究性增强。

3.利用专业的网络社区(论坛，如：https://www.arduino.cn/)提供的资源来学习相关的内容和经典案例。也可以在论坛分享自己的作品和心得等。

这些方法解决了因学生的差异而带来的问题，还使学生不仅能够学习相关的知识，而且还能掌握获取知识的途径、方法，培养了学生的可持续发展能力。

(三)高级阶段，通过实践活动(解决生活中的问题为目的项目实践)培养学生创新精神和实践能力。

在完成Arduino 基础学习，学生有了一定的Arduino 软硬件基础之后，以开展围绕相关主题活动方式进行教学活动，如：开展“智慧家庭”、“智慧学校”、“智慧社区”等主题。以“智慧家庭”为例，引导学生围绕“智慧家庭”主题提出研究课题(如“室内温度自动控制系统”“室内环境监测系统”“智能窗户”“智能晾衣架”“智能浇花系统”“智能宠物喂养系统”“智能安保系统”等)，实现对开源硬件平台的学习，体验项目流程。

进一步引导学生对日常生活的问题进行观察和思考，发现适合的创客项目。在问题的解决过程中，学生需要调查研究、设计方案、动手制作、编写程序、测试等过程，最终创作出有创意和思想内涵的作品，例如手势控制LED灯、智能家居、懒人花架、学校厕所节水系统、踩踏闹钟、安全拖鞋、智能限高杆等学生创意作品，在项目实践过程中，学生体验学习过程的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的思想和方法，提升学生的计算思维与创新能力。

三、总结与反思

经过以上三个段的学习，学生已具备较强电子制作和编程的能力，可以制作一些有创意又能解决问题的作品。并在这学习的过程中得到了快乐。动手能力、思维能力和创新能力都得到了很大的发展。不过在教学中也出现了一些问题，如个别学生因学习的动力不足而导致基本任务都完成不了，以至随后出现的负面问题，课时不足，器材损耗大等都是需要进一步进行研究解决。