聚焦计算思维培育：“基于开源硬件的作品设计与制作”的理解与教学

赵伟刚 山东省淄博市基础教育研究院

孙波 山东省教育科学研究院

“基于开源硬件的作品设计与制作”是高中信息技术选择性必修6“开源硬件项目设计”的核心内容。通过该内容的学习，学生能够完整地经历开源硬件项目设计从创意构思到测试迭代的全过程，深刻认识利用信息技术进行创新实践项目开发的基本思想和实现方法。基于开源硬件进行项目设计与开发，有助于STEAM跨学科教学活动的开展，能够有效培养学生动手实践和综合思维能力，激发创新意识，培养创新志趣，促进学科核心素养的发展。[1]

● 课程标准要求

《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”）对该部分内容要求比较多。简要概括起来就是要通过设计、筹备、制作、测试、优化、迭代等工作流程，完成一个基于开源硬件的信息系统项目设计与制作，其内容逻辑结构如下图所示。

关注学生计算思维的培养，贯穿了该教学内容的全过程。在作品设计环节，要求学生能够围绕项目任务进行问题界定、特征抽象、任务分解、模型建构，明确各组成部分的调用关系，合理组织控制信号及传感数据采集；在筹备过程中，能根据任务需求，选择恰当的开源硬件或工具，查询相关技术文档，结合硬件技术指标，进一步审查优化作品设计方案；在作品制作实施过程中，能综合运用科学、数学、技术、工程、艺术等跨学科知识，在确保安全、规范的前提下进行硬件搭建；通过建构模型、设计算法和编程实施，实现项目功能与控制的自动化；在测试运行过程中，能够发现系统中存在的错误，并调试给予修正；通过测试反馈，能够进一步完善设计方案，实现功能优化和迭代。“基于开源硬件的作品设计与制作”是一项综合性很强的学习任务，这就要求学生具备较强的信息意识，能够根据解决问题的需要，主动寻求恰当的方式获取与处理信息；具备敏锐的洞察能力，能够准确判断与发现问题反馈所承载的有效信息；能够在合作解决问题的过程中，乐于与团队成员分享信息，实现信息价值的最大化。在整个学习过程中，学生要学会借助数字化学习工具，在信息技术环境下综合跨学科知识，感受、理解运用信息技术解决问题的基本思路和方法，认识数字化工具在问题解决过程中的价值与作用。在项目设计与优化的过程中，往往需要借助各种信息平台查询资料，尤其是一些开源社区分享的成熟设计方案和资源，学生要正确对待和使用这些资源，在践行开源与知识分享的同时，深刻理解保护知识产权的意义。[2]

各版本教材相关内容编排

● 教材内容分析

各版本教材的设计各有特色。浙教版通过11个活动案例，涵盖了常用的传感器、输出设备和通信设备的基本应用，为后续人机互动、多机通信和物联网项目开发做好知识铺垫。粤教版则通过感应灯的制作，让学生完整体验开源硬件项目的开发过程，然后围绕教室空气质量检测仪的功能实现，进行开发板的I/O信号控制、各类传感器和执行器的应用、硬件搭建以及代码编写，最终完成整个项目的开发。

教科版教材对该部分内容设计了三个单元，分别围绕“实验模拟”“科学探究”“人机交互”等项目活动展开教学。“实验模拟”项目活动是在简单了解“开源硬件特征”和“项目开发流程”的基础上，通过搭建硬件、编写程序，尝试制作具有简单智能的开源机器人。活动分为9个子项目，每个子项目分别侧重某类输入、输出设备或传感器的使用，同时设置若干拓展练习，用来模拟实验或者再现生产生活中的科技产品或事物。项目拓展大都围绕学生生活，意在激发学生创新潜能，设计制作有创意的作品。在掌握了开源硬件基础开发技能后，教材设计了三个“科学探究”项目活动，引导学生利用开源硬件开展物理、化学等科学实验探究，通过“发现问题—设计实验—收集数据—分析数据—得出结论”的探究过程，培养学生利用数字化学习工具开展科学探究的兴趣和意识，学习掌握基础的科学实验探究方法。教材的最后设计了趣味性更强的“交互联机”项目活动，让学生学习体验模拟仿真、数字故事和交互游戏等的开发过程。16个教学项目都遵循着“项目创意—方案遴选—硬件搭建—功能实现—测试优化”的基本开发流程，让学生在动手动脑解决问题的过程中，深刻感受开源硬件项目设计的魅力，进一步激发学生利用开源硬件开展数字化学习与创新的兴趣。

● 教学实施建议

1.关注问题解决，聚焦计算思维培育

“基于开源硬件的作品设计与制作”的课堂教学具有开放性和跨学科的特点，这对学科教师的教学技能和知识素养要求非常高。教师除了要有较高的课堂驾驭能力，确保课堂教学收放自如之外，还要掌握多学科知识，以便从容应对教学活动中多样的课堂生成。[3]在教学中，要杜绝为了短时间内达成教学目标，让学生简单模仿，寻求“形似”，而忽略学科独特的育人价值的做法。“开源硬件项目设计”是高中信息技术课程的一部分，教师不仅聚焦培育计算思维等学科核心素养，还要兼顾科学学科对“科学探究”“科学思维”培养的要求。[4]

通过对课程标准内容要求和教材内容的分析可以明确，“基于开源硬件的作品设计与制作”教学内容的组织实施是促进学生计算思维发展、开展计算思维实践的有效途径。教师要纠正计算思维培养就是编程教学的片面认识，正确理解开展“基于开源硬件的作品设计与制作”教学，明确问题界定、任务分解、特征抽象、模型建构、选择工具、设计算法、调试迭代、自动化实现等对培养学生计算思维发展的价值。[5]教学任务的设计要贴近学生生活，增加趣味性，在解决真实问题的过程中，促进学生综合素养的发展。

2.积极探索教学改革创新

在课标颁布后，一线教师在教学实践中遇到了很多问题。突出表现是，必修一的各单元内容相对独立，项目设计系统性、关联性不强，教师多采用微项目冠名的任务驱动式的课堂教学；必修二在讲授各类信息系统组成与功能时，课堂上用到的案例很难给学生深刻的感受，导致说教成分较大；计算思维的培养仍着眼于编程教学，尤其是偏重编程工具的使用和基本语法的学习；教学内容难以激发学生兴趣，难以聚焦基于问题解决的高阶思维训练，难以凸显学科育人价值。

如何在有限的课时安排下，实现课堂教学效益的进一步提升，是当下急需解决的问题。有教师尝试将开源硬件项目教学与必修模块课程标准的内容要求融合，依托开源硬件项目设计教学的优势，开发基于问题解决的系列教学案例、课程资源包，激发学生学习兴趣。[6]例如，教科版《开源硬件项目设计》第二单元的项目活动覆盖了必修一数据与信息、数据编码、应用数字化学习工具、数据采集与分析、算法设计、程序设计语言基本知识等内容要求，学生在借助开源硬件项目学习必修一的过程中，已尝试构建各种小型的信息系统，再进入必修二相关内容学习时，会有一种豁然顿悟的感觉。

综上所述，在“基于开源硬件的作品设计与制作”教学实践中，要正确理解计算思维内涵，充分发掘开源硬件项目教学对培养学生计算思维的育人价值，积极探索教育改革创新，提升学科教学效益，以更好地促进学生核心素养发展。