“开源硬件项目流程”内容分析与教学建议

赵腾任 北京中学

王戈 北京市朝阳区教育科学研究院

“开源硬件项目设计”是《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）中规定的选择性必修模块6。选择性必修模块是为学生个性化发展而设计的，基于开源硬件的项目设计与开发有利于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力。

●教学内容分析

“开源硬件项目设计”模块包括“开源硬件的特征”“开源硬件项目流程”“基于开源硬件的作品设计与制作”三部分内容。该模块的教学要求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。其中，开源硬件项目流程是本模块中的关键环节，是学生在了解开源硬件特征的基础后，进行作品设计与制作的前提，起着承上启下的重要作用。

1.内容要求分析

《课标》对“开源硬件项目设计”模块明确提出了8项具体内容要求，其中第二项与“开源硬件项目流程”单元紧密相关，具体的内容与要求如下：

剖析——使用开源硬件完成作品的实例；

体验——基于开源硬件完成项目的基本流程；

知道——常用开源硬件的功能与特征。

而第1项是体验开源硬件项目流程的硬件基础：基于实例分析，认识开源硬件的特征与发展，理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义。

第3～8项则是对流程的落实和实践：设计方案，选择硬件及材料，编写程序实现功能，测试作品、优化方案，完善作品、发布分享。

从整体内容来看，是从了解到体验、从实践到提升的一个过程。从“开源硬件项目流程”相关内容来看，也是从基础知识到典型案例，再从案例分析到体验理解逐层提升的。

2.学业要求与素养培养

该模块内容的教学，要以形成学科核心素养为目标，以基础知识基本技能为支撑，以设计方案、解决问题为任务，以项目式学习为主要途径。

开源硬件项目流程的学习，既强调信息意识和计算思维的培养，也包含了数字化学习与创新、信息社会责任的要求。

“在信息技术环境下综合利用STEAM的相关知识，理解利用信息技术解决问题的基本思路与方法，认识数字化工具在问题解决方案中的价值与作用”是本单元的重点所在，主要体现了信息意识培养和数字化学习与创新能力的提升。

不同版本教材中“开源硬件项目流程”及相关部分内容编排

“基于开源硬件进行项目设计的一般流程，能将其应用于实际项目中，设计符合事物特性的系统，实现项目方案”重在计算思维的培养。

“理解并自觉践行开源的理念与知识分享的精神”体现了在信息社会责任方面的培养。

3.各版本教材内容分析

针对选择性必修课程模块6“开源硬件项目设计”中“开源硬件项目流程”部分内容，各版本教材在编排上，体现出了一定的时代性，兼顾了信息技术发展趋势，选用了具有独特学科价值的应用和案例，有利于拓展学生的知识面，激发学生的兴趣，引导学生正确认识信息技术在生活和学习中的作用。

各个版本的教材的编写，视角不同，章节安排、主题项目也各不相同，但都各具特色，上页表列出了人教－中图版、粤教版、华东师大版、浙教版、沪科教版和教科版等6个版本的教材中“开源硬件项目流程”及相关部分的内容编排情况。

由表可以看出，虽然各版本教材所用的主题项目或经典案例各不相同，但都将开源硬件的介绍等基础知识都安排在了起始章节，然后介绍相关案例，提炼出“开源硬件项目流程”，或者结合实例，介绍“开源硬件项目流程”，都是在案例中完成了“开源硬件项目流程”相关内容的教学。

例如，人教－中图版首先安排的是认识开源硬件，开源硬件的发展、特征，开源硬件与创新，让学生对开源硬件有一个基本认识，然后安排的是设计工具和编程语言、开源硬件开发基础及通信模块与扩展板，在此基础上学生能够增强对作品设计制作的理解，而从媒体艺术作品“最美丽的时候遇见你”、开源3D打印机“MakerBot”和快速原型“智能鸟蛋”三个非常典型的案例的产生和不断完善的过程，则自然地提炼出了项目开发基本流程——创意与项目来源、设计与制作、测试与运行、分享等，并结合这三个案例进行分析和归纳。

而沪科教版，则是首先介绍了开源硬件及其功能、开源硬件的价值，然后安排了相对较多的篇幅，让学生在“设计制作交通信号灯”的过程中，感悟开源硬件项目设计的一般流程：提出想法、设计系统解决方案、利用开源硬件实现解决方案。而整个过程也是伴随着硬件的选择与搭建、结构设计与制作、程序的编写与可行性验证、制作原型、测试与优化等，逐渐完成了一个作品的制作，最后进行评价与交流，让学生真正经历了“开源硬件项目流程”。

编者在编写教材时，可能也是考虑到本地域的学生情况、学校的硬件资源等进行的权衡。教师在具体施教时，也应该结合本校的实际，根据学生情况、硬件配置、教师对项目过程的掌控能力，适当进行调整，以达到更好的教学效果，而不拘于教材本身的编排。

●教学实施中可能出现的问题

“开源硬件项目设计”是实践性很强的模块，既涉及硬件的选型、传感器的选择和执行组件的使用，又涉及程序的编写和调试，对学生的学习和教师的教学都具有一定的挑战性。

1.所需要的硬件配置“不全”

目前多数已经配备开源硬件的学校，所选择的多位套件、每组学生所使用的器材都是相同的配置——控制器、传感器、执行器的种类和数量都是相同的，这样也容易满足和实现基本的教学需求。

但学生在设计项目、制作作品的过程中，往往存在不同的想法，每组所使用的器件的种类和数量就不尽相同，这样就可能出现有的组件不够用、有的组件用不完的情况。这就要求在配置硬件时，要有一定的前瞻性，对一些常用、多用的器件，可适当“额外”配置一些，以满足学生制作作品的需求。

另外，在使用的过程中，也会出现一定的损耗，如LED不亮、按钮不灵等情况，对这些易损件也要适当多备一些。

2.教师专业水平需要提升

虽然经过这些年创客活动的开展，一些学校涌现出了不少专业水平很高的教师，他们能够驾驭各种硬件，熟练使用多种编程平台，顺利地解决学生制作作品中的问题，很好地指导学生完成创意作品。但总体来说，这样的教师占比还比较小，许多教师的相关专业水平还需要提升，只有教师的专业水平提升了，才能满足“开源硬件项目设计”模块的教学要求。

学生在项目设计中的创新性不够，在制作实践中也会出现其他方面的问题，与本部分内容相关性相对不强，这里就不再叙述。

●教学建议

因为各学校学生情况、资源配置、教师等方面都存在差异，在教学实施中，要根据本校具体情况，安排相应的教学活动，采取相应的措施，确保教学的开展，切实提升学生的信息素养。

1.开源硬件的选择

除成本因素外，在硬件的选择上，要根据学校教师、学生、实验室（或机房）配置等情况，选择合适的硬件，以满足学生设置制作作品的需求、确保教学的顺利开展，提升教学质量。

例如，学校教师熟悉C之类的编程语言，可以选择Arduino主板，如果更熟悉Python编程，可以选择虚谷号或掌控板。

如果学生动手实践能力较强，可以选择面包板+分立元件的连接方式，这样设计会让实验和测试更灵活、更方便。为了保证教学进度，也可以选择扩展板+模块式器件的连接方式，这样连接的牢固性强，在进行调试时能够减少“故障”率。

2.教学项目设计

目前，网络分享的创客作品很多，在进行教学项目的设计时，可以借鉴创客作品，开阔思路，创新设计。总体设计可以采取大项目统领、任务分解、系统提升的策略：

可以将一个大项目分解为若干个小项目，采取任务驱动的方式开展教学。例如，行人过街红绿灯，可以先控制一盏灯的亮和灭，进而扩展到多盏灯的交替亮、灭，实现定时亮灭的红绿灯效果，再到通过按钮控制灯的亮、灭，在传统的红绿灯基础上进一步实现行人按钮通行的效果，体现行人优先的理念。在此基础上，可以把按钮改进为无接触的形式、增加路口处司机提示地灯的效果、增加声音提示等，从一个小的任务，到最后形成一个系统，在这个过程中，整个作品的质量也得以提升。而这个过程，也是现实生活中行人过街红绿灯的演变过程，贴近学生的生活实际，在此基础上，还可以鼓励学生充分想象，提出更富创意性的想法并实现。

3.教学实施

充足的教学资源有助于教学的顺利开展。因为受总体课时的限制，教师可以在教学前收集整理充足的资源，使学生在课堂上花费较少的时间获取更多的信息。例如，收集整理比较有创意的创客作品、生活中比较好的应用，作为学生设计的参考，帮助学生开阔视野、打开设计思路，制作出更具创新性的作品。又如，收集整理各种传感器、执行器的型号、参数，节省学生选型的时间，以便将更多的时间精力用于创意设计、优化完善，提高学习效率，提升作品质量。

在开展项目教学前，建议教师按照实际设计、制作的过程，进行完整的体验，发现具体实施中容易出现问题的地方，从而采取预防性措施，改进教学流程，为教学的顺利实施做好更充足的准备。

一个作品从设计到制作完成到分享交流，涉及诸多方面，也涉及多个学科，如通用技术（劳动技术）、美术、物理等学科，要设计制作出优秀的项目作品，可以联合其他学科的教师，在适当的时候让其给予指导和帮助，形成跨学科的合力，设计出结构更加合理、外观更加漂亮、分享更具感染力的作品，提升作品的科学性、实用性和艺术性。