“自制环境监测装置”项目教学实践

杨志亚

【摘 要】在中小学开展开源硬件项目设计教学，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。本研究以自制环境监测装置为例，阐述如何利用掌控板开展开源硬件项目教学。

【关键词】开源硬件;项目教学;学生学科核心素养;教学设计

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2020）09-066-04

创新能力培养是当前教育的重中之重。2016 年 9 月《中国学生发展核心素养》正式发布，以“全面发展的人”为核心，综合表现为学会学习、科学精神、实践创新等六大核心素养[1]。《教育信息化“十三五”规划》要求，提升学生的创新意识、信息素养，培养高素质人才[2]。在《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中，特别强调以能力为重，提升学生的探索与创新精神，以及在解决问题方面的实践能力，促成学习型社会的战略目标，纲要中提到未来十年，将创新型人才的培养作为教育改革的重点[3]。如何在信息技术学科教学中培养学生的创新能力与问题解决能力？2017版高中信息技术新课标中增加了“开源硬件项目设计”模块，作为高中信息技术课程的选择性必修模块之一，为信息技术学科培养学生的创新能力找到了落脚点。课标[4]建议，新知识的学习要以实例为依托，引导学生掌握学习内容，鼓励学生的创新性应用，在活动过程中应把大部分时间留给学生去探索，通过多次迭代的过程完善项目设计，适时跟踪学生完成项目的过程，及时给予知识指导和问题解决思路的指导。本研究以“自制环境监测装置”项目为例，阐述如何利用掌控板这个载体开展教学。

相关概念与平台介绍

1.开源硬件

开源硬件是指用与自由软件、开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件并不仅仅是硬件设计方法的开放，而且体现了一种开放的创新理念。开源硬件的设计者通常会将设计资料对外公布，主要如材料清单、电路图、电路板布局数据以及驱动开源硬件的软件开发工具包等。每一种开源硬件平台都有自身的优势和劣势，根据自身不同的特点以满足不同的使用者需求。本研究中的开源硬件是指掌控板、扩展板、外接模块，通过数据线、蓝牙通信、WiFi可以与计算机进行通信。

2.掌控板及拓展板

掌控板是一款基于ESP32的开发板，集多种传感器、感应器于一身，支持WiFi和蓝牙双模通信，支持Python代码编程。掌控板上集成OLED显示屏、RGB灯、加速度计、麦克风、数字光线传感器、蜂鸣器、按键开关、触摸开关、金手指外部拓展接口，通过MicroUSB接口进行供电和与电脑连接，在电脑上会表示为一个虚拟串口COM口。利用掌控板，可以实现物联网应用、DIY创意作品以及智能控制类应用。

掌控拓展板是掌控板衍生的一款体积小巧、易于携带的拓展板。引出了大部分掌控板的IO，支持电机驱动、语音播放、语音合成等功能的IO引脚扩展板，可扩展12路IO接口和2路I2C接口。

上课睡觉现象在中学校园里时有发生。这一现象直接影响了学生的上课效率，还影响了教师的上课热情。相关研究表明，环境是影响学习效率一个很重要的因素。“自制环境监测装置”项目是以这一真实问题为载体围绕学科核心概念，以落实学生学科核心素养为目标，以STEAM教育理念为指导，让学生经历“提出想法→设计系统解决方案→利用开源硬件实现解决方案”的完整过程，制作一种基于掌控板和Python编程的空气和土壤监测装置，体验研究和创造的乐趣，培养利用信息技术解决问题和创新设计的意识和能力。提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，促进学生的全面发展。

1.教学基本情况

（1）学生学科核心素养。通过自制环境监测装置，学生能搜索并利用开源硬件及相关资料，体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程，初步形成以信息技术学科方法观察事物和求解问题的能力，提升计算思维与创新能力。

（2）教学内容。能利用各种材料、开源硬件与软件实现所设计的项目方案，能利用开源硬件的设计工具、编程语言实现外部数据的输入、处理，利用输出数据驱动执行装置的运行。

（3）学情分析。学生已经学习了“Python语言程序设计及基础算法”，具备一定的编程基础。此外，高一学生有数学、物理、化学等学科知识基础，具备开展小型综合性项目研究的基本能力，且他们对项目实践有较强的动手愿望。

（4）教学目标。能根据设计的方案，选择恰当的电子器材，借助掌控板开发平台，设计算法，编写程序实现系统功能;选择合适的材料和工具，进行工程搭建，实现项目模型;通过项目实践，体验项目的创意、设计、制作、调试、展示评价的完整过程;增强动手实践的能力，强化计算思维，提升信息素养。

（5）教学重难点。教学重点：根据设计方案，选择恰当的电子器材，借助掌控板开发平台，设计算法，编写程序实现系统功能;体验课题研究及项目实践的过程。教学难点：制定设计方案;搭建工程结构，实现项目原型。

2.教学活动设计

本课程以项目为主线构建教学模式，让学生经历“提出项目-分析项目-利用开源硬件实现项目-优化项目”的学习过程，目的是让学生在项目实践中掌握必要的理论知识，在实际动手操作的过程中对项目设计的模式有整体把握。

（1）情境导入

创设情境：学习效率真的只和自身有关？有研究表明，当二氧化碳在1000ppm以上时，空气中二氧化碳浓度越高，人的學习、工作效率越低，作业错误率越高。当空气中含氧量下降，二氧化碳上升，会使脑细胞进行生命活动所需要的氧气供应得不到保证，因而大脑的功能会减弱，时间一长，学习效率自然下降。

提出问题：如何破解缺氧问题？

引出本次项目：自制环境监测装置。

学生根据教师引导，明确项目主题，对项目产生兴趣。

（2）项目分析

教师展示生活中的环境监测，引出本次项目的主要工具：DHT11数字温湿度传感器、电容式土壤湿度传感器、CCS811二氧化碳和TVOC传感器。DHT11数字温湿度传感器是一种高性价比的、带有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。土壤湿度传感器是一款电容式的土壤湿度传感器。CCS811是一款MEMS气体传感器，可以利用内置的金属氧化物传感器、微热板技术，检测空气中的二氧化碳含量和TVOC总有机挥发物含量。

学生思考传感器的功能应该如何设置。自学微视频，学生讨论交流，回答教师问题。

（3）项目实现

项目功能分解为任务，通过系列微课讲解知识点。

学生学习微课：掌控板连接DHT11读取空气温湿度;掌控板连接电容式土壤湿度传感器;掌控板连接CCS811二氧化碳和传感器，进行结构搭建与代码编写。

首先是结构搭建。教师提供所需要的材料清单，提供所需零件：掌控板（1.0或2.0）、掌控IO拓展板、DHT11温湿度传感器模块、CCS811空气质量传感器模块、SEN-0193土壤湿度传感器。教师引导学生观察不同传感器的构件，进行讲解。演示掌控拓展版的使用方法，连接引脚的方法。

学生观察有不同传感器模块的构件，根据清单和教师演示，尝试线路连接，如圖1所示。

其次是程序设计。

①掌控板连接电容式土壤湿度传感器

教师需要讲解的内容：模拟信号与数字信号;模拟信号如何读取转换为数字信号;OLED显示读取值;测试土壤湿度传感器的方法。

学生使用Python编写程序，并将土壤湿度传感器的传感部分放到水里，或者用手捏传感器观察数字变化。思考：土壤湿度变化时，传感器输出电压如何变化？

②掌控板连接CCS811二氧化碳和传感器

教师需要讲解的内容：CCS811库;CCS811库的功能;掌控板与CCS811测试。

学生根据教师的讲解，对CCS811传感器实现的功能进行代码编写。教师巡视，对存在问题的学生进行指导，观察学生整体状况。

③掌控板连接DHT11读取空气温湿度

教师需要讲解的内容：函数;模块化程序设计;多个组件的组合编程。

学生完成程序：整理，美化代码;测试并根据出错信息debug;测试按键的功能是否有效。

（4）测试与优化

学生完成全部程序设计后，把程序下载到掌控板上测试程序。教师观察学生操作，引导学生根据程序的运行情况，调试并优化程序。学生记录程序在运行过程中遇到的问题。小组讨论，分析原因，尝试解决。

（5）拓展与优化

教师观察学生完成情况，针对完成效率高的小组提出进阶要求：制作个性化的监测装置，如添加时钟功能。教师提示尝试己经学习过的其他组件。学生进行自由创作，小组共同完成作品。

（6）评价与总结

小组汇报对作品进行互评和自评;教师从线路搭建、程序设计、功能效果角度对学生作品进行点评，给出修改建议。

教师对课堂进行总结，回顾传感器、引脚、线路搭建的知识点。教师鼓励学生对作品进行完善，留意关注生活中的电路知识。

总结与反思

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。本研究以项目的形式组织课程内容进行教学实践，通过小组协作式学习，跨学科思维来解决问题，引导学生努力从多角度看问题，享受实践与分享的快乐，创新与分享相互促进。数字化时代，越来越多的数字化工具资源可以为教师学生所有，越来越多的开源平台可以创作作品。信息时代，教师应该与时俱进，在探索前进的路上改变教学，更加注重创新人才的培养。

参考文献

林崇德. 中国学生核心素养研究[J]. 心理与行为研究，2017，15（2）： 145-154.

任友群，郑旭东，吴旻瑜. 深度推进信息技术与教育的融合创新——《教育信息化“十三五”规划》（2016）解读[J]. 现代远程教育研究，2016（5）： 3-9.

胡瑞文.《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）》主要精神解读与热点、难点探析[J]. 中国高等教育评估，2010（2）： 3-10.

中华人民共和国教育部. 普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017 年版） [M]. 北京： 人民教育出版社，2017.