基于设计思维的高中开源硬件项目教学设计

摘要：随着技术的极速迭代和STEAM教育等新型教育模式的应用，高中信息技术学科不仅需要关注学生对基本知识与技能的掌握，也应关注学生“数字化学习与创新”核心素养的培养，以激发学生的创新意识和跨学科解决问题的能力。本研究在新版普通高中信息技术课程标准选修模块六《开源硬件项目设计》的基础上，针对高中开源硬件课程教学中存在的问题，分析设计思维与开源硬件教学过程的适切点，将设计思维方法融人开源硬件项目式教学过程中，设计了《小e声控灯》项目式教学案例。研究旨在培养高中学生“数字化学习与创新”的核心素养，以期为高中信息技术教师开展“开源硬件项目设计”模块教学提供一定的参考与借鉴。

关键词：设计思维;高中信息技术;开源硬件;数字化学习与创新

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）18-0124-03

开放科学（资源服务）标识码（ OSID）：

1 高中开源硬件项目式教学中存在的问题

开源硬件（Open Source Hardware）是指用与自由及开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件。[1]开源硬件课程教学大多是基于开源硬件开发平台来进行，诸如Arduino、Micro： bit、Edison、Beagleboard、Raspberry Pi、LittleBits、mCookie、Galileo等，均是以学生（体验者）为中心，实践和行动为导向，以解决生活中遇到的实际问题为主。新版《普通高中信息技术课程标准》明确指出：“将开源硬件项目设计模块纳入高中信息技术课程标准的选择性必修课中，学生要利用简单的数字化工具开展协作学习，完成作品的设计与创作，形成个性化作品，培养利用信息技术解决问题和创新设计的意识与能力。”[2]目的在于强调体验“创意、设计、制作、测试、运行的完整过程”[2]，发展学生的创造、协作沟通、跨学科解决问题等能力，同时也是在信息技术课程中实现STEAM教育的理想方法。

高中开源硬件项目设计模块的课程教学目标不仅限于激发学生的创新兴趣，更注重形成以信息技术学科方法观察事物和将知识与技能迁移到解决实际问题之中的能力[3]，使创造性的教学活动逐渐取代重复性、模仿性的非创造性教学活动。[4]然而，目前高中开源硬件课程教学还存在以下问题：第一，高中开源硬件课程教学中学科核心素养的培养落实不到位，尤其是“数字化学习与创新”核心素养的培养不够显性化。这导致学生在利用开源硬件进行学习时缺乏同理心设计，且不能够准确定义问题，导致作品的功能性和实用性不足。第二，高中开源硬件课程教学缺乏创新性的有效指导。教师过于重视知识的概念讲授，忽略了学生知识的跨学科迁移与应用，致使学生的学习停留在模仿阶段，难以创造性地解决实际问题。第三，高中开源硬件教学课程作为选修课程，课程资源匮乏，且缺乏系统、规范的教学流程和可借鉴的案例。这与开源硬件项目设计模块的教学理念背道而驰，其受到设计思维的指引才能消除经验性到规范性升华的阻碍，拓宽学生的思维宽度。

2 设计思维与开源硬件项目式教学过程的适切点

基于目前高中信息技术开源硬件课程教学中存在的问题，尝试将设计思维的理念應用到开源硬件项目式教学过程中去，从对象、原则、目的、方法、技术侧重、解决问题、价值观过程和教学资源分析设计思维与开源硬件项目教学过程的适切点。具体如表1所示。

3《小e声控灯》项目教学设计

3.1教学分析

1）教学内容分析

高中信息技术开源硬件选修课程的开设，是以培养学生的学科核心素养为主要目标，兼具理论学习与任务应用，鼓励学生在信息化环境中创新与实践。该项目是高中信息技术开源硬件选修内容，属于综合性项目。本课例的教学重点为多传感器协同控制LED的亮灭，教学难点为串口监视器的应用查看及调取合适的传感器的取值。

2）学情分析

本项目式课例的教学对象是高二年级开源硬件选修班的学生，他们通过前期项目的学习已经了解开源硬件的基础知识和基本原理，但对有关元件调用的实际操作和程序设计的掌握较为薄弱，有必要在此基础上加深对开源硬件功能与函数调用的理解，培养学生创造性解决问题，形成创新作品的能力。

3）教学目标分析

知识与技能目标：认识Arduino UNO、10扩展板、LED灯、声音传感器、环境光线传感器的特点;理解布尔运算的操作与应用;掌握多传感器协同控制LED的亮灭;掌握逻辑判断以及对LED状态效果的影响;掌握串口监视器的应用查看及调取合适的传感器的取值。

过程与方法目标：按照教学模式设计并开展教学活动，采用针对设计思维培养的教学策略，创设贴近学生生活的情境，让学生在问题的引导下产生同理心设计的意识，教师讲解输入输出控制（数字输入输出、模拟信号的输入和PWM信号输出）、程序逻辑实现方法（数学运算、循环、分支、布尔等）和效果演示，培养学生的学习兴趣，激发学生的探索精神;学生根据手中的传感器，自行完成程序的编写，上传查看效果，创作作品，体验创意、设计、制作、测试、运行的完整过程;通过个人探究和小组合作，提高学生创作能力，培养团队合作精神;通过作品评审标准，对作品进行鉴赏和评价，培养鉴赏能力与评价能力。

情感态度与价值观目标：体验使用开源硬件进行创作的乐趣和成就感，贯彻研究精神，培养学生的探究能力与跨学科解决问题的能力;通过欣赏和评价作品，提升学生的审美观，培养学生的设计思维和批判性思维;鼓励学生运用信息技术优势，联系生活自觉践行开源的理念与知识分享的精神。

3.2 教学过程设计

1）创设情境，引出想法

教师作为引导者将课例主题以情境的方式引入：“请同学们结合自己在校园中真实的生活体验展开联想，常见的楼道声控灯的实现方法有哪些？请同学们仔细思考。”学生针对教师提出的问题展开激烈的讨论，此后教师播放精心准备的微视频，辅助学生进行思维发散产生更深层次的共情，发现灯在哪些方面可以体现智能化。其间，有同学便发现了问题：“校园中灯光可以根据自然光线进行自动调节，回答“常见楼道声控灯”的实现方法：有声控、声光等。教师帮助学生了解课程目标，引入《小e声控灯》课题，激发学生学习兴趣，引出学生对挑战任务的想法，并鼓励学生发言。之后教师做出总结，提出有关《小e声控灯》项目的两大挑战：声控、声光。随后教师将学生平均分成四个小组，并确定组长，明确分工职责。

2）头脑风暴，明确任务

教师为每组提供了种类齐全且组件完整的开源硬件套件，带学生熟悉套件的功能，然后为了让所有学生都有机会分享自己的想法，给定3分钟让学生从作品的功能性和实用性进行头脑风暴。教师阐述更为明确的任务：制作《小e声控灯》项目，实现晚上有声音灯亮3s熄灭，白天不亮。之后，教师引导学生理解教师抛出的任务挑战，小组间交流谈论，识别本组需求，随教师讲解认识并整理元器件，进行要点聚焦，发掘洞察。同时，学生将现有的思维发散节点与之前小组成员的想法清单建立联系，鼓励学生打破常规，选择恰当的开源硬件为工具进行设计。这时，学生不仅要评估哪些想法是行之有效的，还要分析个中原因，考虑开源硬件套件功能的限制，将想法去粗取精，反复补充细节与整合想法。在明确开源硬件各组成成分的调用关系后，各组所需元件为：Arduino UNO;10扩展板;LED模块;声音传感器;环境光线传感器。各小组逐步开始设计基于开源硬件的作品设计方案。

3）探究设计，优化方案

小组学生对问题进行需求分析，引起更深层次的共情，并用5分钟的时间思考从同伴那里获得的信息与灵感，总结归纳收集到的评价与反馈。经过小组成员换位思考或角色扮演后，各组对产生的需求进行新的创意，聚焦问题解决的关键点。随后，小组成员撰写设计方案，主要包括问题清单、功能分解、所需元件、程序设计、构造外观、所需耗材和小组评价与反思。其间，每个小组的程序反复理清思路，教师给出建议并从旁指导。最终四个小组以设计为中心不断完善修改，优化设计方案。

4）制作原型，测试功能

在学生完善设计方案后，将所需元件与开源硬件进行连接，编写各小组设计方案中的程序，在此过程中A组同学率先完成。B组、c组和D组均由于程序设计出错而导致元件测试失败，从而重新回归问题，修改设计方案与程序。待元件测试与程序设计无误后，各小组着手开始原型制作。所提供的工具与材料有：彩色卡纸、双面胶、剪刀等。四组学生均对原型设计与制作产生了浓厚的兴趣，对原型不断地进行了功能性审视与色彩微调。在原型测试过程中，D组由于程序的缺陷，只能实现一次成功测试：在光线亮或暗的情况下蜂鸣器都会发出声响。D组同学举手示意，教师上前提示：“距离的值是主要因素，再对数值进行适当调整。”随后，D组通过距离的改变与程序数值的相互计算与调整实现了作品的功能。

5）分享作品，再次迭代

小組的作品完成之后，学生对作品进行展示分享。四个小组的组员依次上台，每个人介绍自己的团队分工，由小组长汇报项目背景和产品功能，另一名学生配合小组长进行演示，作品展示。教师在每组汇报之后，对每个小组设计过程的协作性和交互性、设计结果的内容性、技术性、艺术性和创造性等作出评价并提出建议。每个小组相互观看其他小组的作品，得到思维转变后的启示与收获，并进行作品的二次迭代与优化。在整个项目设计与实施的过程中，学生不仅熟练开源硬件项目设计的相关知识，更重要的是能利用设计思维方法主动对用户需求的分析，进行移情、要点聚焦、跨学科解决问题、批判性思考和原型迭代，从而达到“数字化培养与创新”等核心素养的培养。

4 结束语

设计思维的本质是思维的发散与聚敛，注重培养学生的同理心设计、原型迭代，敢于试错和跨学科解决问题的能力等。其间，学生方案优化与作品迭代的过程至关重要，需要全神贯注的根据事物的特点进行一定的抽象，从抽象到具体再到抽象，利用开源硬件的设计工具与编程语言实现外部数据的输入，再通过输出数据驱动符合事物特性的系统装置运行，得出最终满意的作品。当前，对于开源硬件课程优化的研究还需进一步深化，要将设计思维引入具有跨学科特征的STEAM教育或创客教育中不断完善教学流程，在实践中构建开源硬件课程教学的评价体系，为高中开源硬件课程培养学生的创新能力与数字化学习能力提供有益参考。

参考文献：

[1] Open-source hardware[EB/OL]. http：//en. wikipedia. org/wiki/Open-source hardware.2014- 12-18.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]祝智庭，李锋，面向学科思维的信息技术课程设计：以高中信息技术课程为例[J].电化教育研究，2015，36（1）：83-88.

[4]伍立峰.教学设计创新与设计思维能力的培养[J].装饰，2007（1）：47-48.

【通联编辑：张薇】

作者简介：卢雅（1996-），女，山西长治人，硕士，主要从事STEAM教育、设计思维、创客教育等研究。

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