小学“开源硬件+图形化编程”校本课程设计与实践

刘其政

摘要：自《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》发布以来，人工智能教育、跨学科综合课程逐步走进中小学课堂。作者以“开源机器人+图形化编程”的应用为例开展研究，以期能为信息科技和“田园课程”的校本课程实践提供参考与借鉴。

关键词：信息科技；田园课程；开源硬件；图形化编程；校本课程

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）15-0053-03

在创客教育中，开源机器人和编程技术是学生重要的学习工具。开源硬件和图形化编程的结合不仅可以使硬件编程变得更加容易，降低编程门槛，而且能够让学生快速掌握设计和制作电路的基础知识，完成从简单到复杂的项目。通过开源机器人和编程的实践，学生可以深入了解信息科技，提高逻辑思维能力和解决问题能力，同时也可以提高动手实践能力，增强创造力和创新能力。

“开源硬件+图形化编程”的校本课程案例设计

1.主题选取

笔者结合海南省小学劳动课程—田园课程，选择“智慧田园”作为校本课程主题，通过探究新兴的农业科技领域，引导学生探索新科技，了解现代农业科技和新技术的发展，培养学生的实践操作能力和创造力。

2.课程目标

①学习和了解农业科技的基础知识，如传感器技术、物联网技术和机器人技术等。

②应用开源硬件来模拟智慧田园，提升田园的智能化。

③培养合作精神，增强实践能力和解决问题的能力。

3.课程内容

①介绍智能农业和现代农业的相关知识。

②利用传感器技术、物联网技术和机器人技术建立智慧田园。

③通过Arduino、开源硬件和图形化编程软件，实现智能化管理和控制。

④设计和制作智慧田园的构建和编程。

⑤组织学生合作，完成实验。

4.学习支架

智慧田园的学习支架包括国内外现代智能化农业的实现方式和发展趋势的相关视频，硬件平台、教材和文献、实验示范和实践指导等文字和视频资源。

5.课程实施

环节一：介绍智能农业和现代农业的相关知识，思考并建构问题的解决思路

问题：现代农业技术应用发展到什么层面？学校的“田园”或者你理想中的“田园”哪些方面应智能化？如果你是农场主，如何规划和建设你的农场？根据观察和了解，针对学校的“田园”，我们能做哪些方面的智能技术升级？

学习内容：①了解当地的农业种植和养殖业，观察现代农业技术和智能化农业设备，了解农民的生产生活等。②从智能灌溉系统、智能监测、自动化收割等方面了解智能农业的技术应用和优势，学习农作物生长的基础知识，如土壤肥力、水分和气候、温度、湿度等条件等。了解化肥、农药等现代化农业技术的作用，以及它们如何帮助提高农作物产量和保护环境。了解现代农业运用的新技术，思考其如何使农业更加高效和环保。③实地考察学校的“田园”基地，深入体验作物的生产过程。

学习方式：通过对比传统与现代科技的农业视频，开展头脑风暴，“大话”智慧农场，“献策”学校的田园基地。

设计意图：培养学生创新思维和环保意识，以及社会责任感和尊重劳动的精神，同时提高他们在未来农业发展中的竞争意识。

环节二：介绍传感器技术和物联网技术，并让学生了解如何使用这些技术来建立智慧田园

问题：实现智能化的硬件有哪些？它们分别完成什么功能？

学习内容：①通过实物作品案例观察和功能演示，了解传感器技术。②通过“点灯科技”案例了解物联网技术的应用，感知传感器技和物联网作用。初步了解物联网技术可以通过集成传感器技术来搜集环境数据，构建智能化的决策和实现思想。③初步了解图形化编程工具，初步体验读模拟信号和高低电平的输入输出。

学习方式：以学习小组为单位，通过实物观察和初步实践，了解工作原理和感应器的反馈结果。例如，Arduino主控板连接计算机，通过图形化编程工具，将温度传感器、湿度传感器、水位传感器、光敏传感器等模拟传感器替换到模拟端口，观察和了解数值的变化情况，并将风扇、LED灯、蜂鸣器等连接到数据端口观察该端口输出高低电平的效果呈现。

结果呈现：①用手握住温度传感器观察数值的变化，再换上光敏传感器，慢慢地遮住光线观察读取数值的变化，再换上水位传感器慢慢地伸入水杯中，观察读取数据的变化；②将风扇、LED灯、蜂鸣器接上主控板的数字端口，观察高低电平输出的结果。

设计意图：培养学生的计算思维、探究与实踐创新能力，以及团队合作能力。

环节三：应用图形化编程实现开源硬件中常用传感器逻辑控制执行设备

问题：如何运用图形化工具指挥硬件工作实现智能化？如果温度高于36度，怎么让数字端口9中的风扇转起来？如果光敏传感器光线值低于300，怎么让数字端口7中的LED灯亮起来？如果水位传感器的值高于800，数据端口5的抽水泵开始抽水，这是不是和问题一的现实原理一样？光敏传感器的值连续在从0～1023的范围变化的过程，能不能实现LED灯的亮度也随之变化呢？什么是数字信号？什么是模拟信号？这些感应设备的应用原理有哪些相似之处？

学习内容：①图形化编程环境中的逻辑控制；②数字信号的输入输出以及PWM模拟量的输出。

学习方式：提出问题、实践实验、合作学习、解决问题。

结果呈现：能够应用图形化编程环境进行简单的条件逻辑控制，同时实现动态模拟量的智能化控制。

设计意图：提高学生的编程水平，培养他们的逻辑思维和创造力，养成人机结合的思维和勇于探索的精神。

环节四：设计和制作搭建智慧田园场景，综合开源硬件布置和编程实现

问题：你心中的智慧“田园”模型是怎样的？如何构建和制作？

学习内容：规划书的填写、模具的制作、程序的编写与调试。

学习方式：合作学习、实践、制作。

结果呈现：运用亚克力板、彩纸、剪刀、强力胶、热熔枪等工具材料，通过作品的设计、实现、修复和修改以及艺术化场景等环节完成团队作品的制作。

设计意图：培养学生的创意思维能力，團队协作能力，制作、实践和操作能力，电子技术应用和编程能力等各方面的综合能力。

环节五：展示交流、评价反思

问题：作品解决了现实中的“田园”存在的哪些不足？还有哪些方面想实现但还没有实现？哪些方面可以在下一步融入到自己的作品中？

学习内容：作品简单PPT的制作、演示与表达，找出不足。

学习方式：展示、分享、交流。

结果呈现：自述作品、评价其他作品、提出自己作品存在的不足。

设计意图：展评和交流活动帮助学生提高创新思维和实践能力，拓展知识和技能，增强自信和自主学习能力。

实施成效

在评估课程目标是否实现环节，从学生的学习笔记和实践成果可知，学生的人工智能思维、图形化编程能力、动手实践能力、团队合作能力、交流与表达能力都得到了充分的发展。同时，多样化的作品，如“智能浇花系统”“智能火龙果基地”“智能蜂箱”等，提升了“田园”校本课程的定位。

“智慧田园”校本课程是一门应用人工智能、开源硬件和图形化编程技术的创新课程，人工智能等技术除了可以用于智慧田园的搭建和创作，还可以通过交叉学习的方式应用到如数学、生物、化学、物理等学科的教学中。在社会实践方面，将“智慧田园”作为一种实践方案，可以探究如何运用智能技术解决当地社区或农户面临的问题。

结语

“智慧田园”校本课程是一门有意义的创新课程，课程实施需要多方面支持，包括校方的资源配置、教师队伍的配备和培训、学生的积极参与、家长的支持等。同时，也需要不断完善课程方案和教学方法，推动课程的发展和改进。

参考文献：

[1]钟柏昌.创客教育究竟是什么—从政策文本、学术观点到狭义创客教育定义[J].电化教育研究，2019（05）：5-11.

[2]黄荣怀，刘晓琳.创客教育与学生创新能力培养[J].现代教育技术，2016（04）：12-19.

[3]钟柏昌.创客教育和STEM教育的发展趋势[J].科技导报，2017，35（14）：1-9.

[4]康斯雅，钟柏昌.机器人教育中结构创新型教学模式的案例设计与实施[J].课程教学研究，2020（01）：75-81.

本文为海南省教育科学规划2022年度专项课题“小学智能机器人图形化编程教学的案例研究”（课题编号： QJH202210029）的研究成果。