面向计算思维培养的中学开源硬件课程实践——以“科技赋能垃圾分类之智能垃圾桶”项目为例

丁盼 江苏省镇江市宜城中学

计算思维是信息科技核心素养的重要组成部分，Arduino开源硬件课程重视在项目实践中解决生活中的实际问题，同时具备初学者入门容易的特点，是适合培养学生计算思维的课程。而设计型学习（DBL）模式则是以“设计”为中心，运用设计方法解决问题、建构知识的教学模式，比较适合Arduino开源硬件课程。

设计型学习（DBL）模式是探究式学习及实践活动相结合的学习方式。在这个过程中，学生不仅可以应用所学知识，还可以获得新知识和新技能，从而提高计算思维。

●基于DBL培养中学生计算思维的教学模型

本文提出的DBL教学模式是以黄利华教授提出的双循环探究模型为基础，它建构了STEAM教育的设计型学习流程，如图1所示。在教学中，教师提出真实问题，分析挑战任务并建立标准，学生通过小组协作，利用教师提供的资源支架，掌握多学科的知识和技术，对实物作品进行方案设计及制作，在完成实物作品的制作后，通过小组评比及各种展示分享，对设计的作品进行调整、反思、再设计，在不断的学习与设计的迭代循环中，最终完成实物作品的优化。

图1

●“科技赋能垃圾分类之智能垃圾桶”教学设计与实施

1.教学内容分析

项目的主题为“科技赋能垃圾分类之智能垃圾桶”，智能垃圾桶的外形结构设计使用3D one软件进行外形设计建模，根据建模图使用3D打印机打印出模型实物，最终根据设计图组装完成智能垃圾桶的外形。硬件结构使用Arduino UNO开发板与LD3320语音识别芯片、9G舵机、超声波传感器等搭建硬件。Mixly编程实现智能识别可回收与不可回收垃圾以及智能感应开合相应垃圾桶，帮助人们实现垃圾的准确投放，并且还设计相应的人性关怀功能，如按钮辅助打开垃圾桶、烟雾警报、蜂鸣警报、智能风扇灭火、垃圾满溢的LCD显示屏提示等功能。跨学科概念涉及电路设计与连接、数学计算、道德与法治等。

2.学习者分析

教学对象为8～9年级学生，学生具备一定的信息素养，对生活中的人工智能充满兴趣与好奇。学生有编程基础，能够使用Mixly图形化编程软件进行编写，利用物理基础、数学基础可以完成Arduino硬件搭建。

3.教学目标

笔者基于STEAM教育理念，将“科技赋能垃圾分类之智能垃圾桶”项目的教学目标分为学科核心知识与计算思维培养目标，如表1所示。

表1

4.教学设计与实施

（1）理解挑战，习得新知

教师展示真实的生活情境，并提出问题：校园里、小区内、街道旁，都设立了分类垃圾桶，但是，很多生活垃圾并没有分门别类倾倒，回收未经分类的垃圾会造成环境污染。请同学们思考解决问题的办法，为保护环境贡献自己的力量。

学生观察身边的垃圾桶投放现状，对教师提出的问题进行分析，提出能解决实际问题的策略。

教师展示Arduino UNO开发板及舵机等模块的基本原理及微课，并对要设计的任务进行分析与讲解，如图2所示。

图2

（2）头脑风暴，设计图纸

教师建立完成智能垃圾桶外观以及智能功能的标准。

学生在明确项目设计任务后，根据项目设计要求自主按照4～6人分组。分组完成后各小组对项目设计任务进行分解，并使用思维导图分析项目任务，提出解决方案，设计解决项目问题的技术手段。例如，在“智能感应”项目任务中，学生通过思维导图的方式规划适当的智能感应方式—超声波感应、人体红外线感应或触碰感应。图3为学生选择超声波感应的功能模块设计。图4为编程调试。学生通过对比选用解决问题的最佳方案。

图3

图4

③学生在“智能语音识别”项目任务中，使用了LD3320语音识别芯片，为将LD3320语音识别模块接入Arduino UNO开发板，小组成员讨论绘制虚拟电路设计图（如图5）及项目硬件接线对应点（如表2），并将Arduino传感器按照设计的电路图和线路图接入Arduino UNO开发板。

表2

图5 （部分功能）

（3）原型制作，设计循环

学生小组合作在完成硬件搭建后，要对LD3320语音识别芯片进行智能训练即固件编译，下页图6为“语音识别”部分固件编译设计。在完成固件编译后，为了使LD3320语音识别芯片能够与Arduino开发板进行交互，需要使用Mixly对硬件进行编程，下页图7为“语音识别”部分Mixly编程设计。

图6

图7

学生对程序设计以及硬件电路设计进行调试。在小组头脑风暴中，有的小组提出将传感器直接接入语音模块，有的小组提出将LD3320语音识别模块接入Arduino开发板，通过Arduino开发板控制各类传感器，实现语音指令完成垃圾桶的开合、灯的关闭与点亮、风扇的打开与关闭等各类操作。学生根据自己设计的方案搭建硬件模块，教师对学生不同的设计方案进行指导并给出相应的技术资源支持。

学生使用3D one设计垃圾桶的外部结构，再使用3D打印机打印出智能垃圾桶模型。在完成造型的设计后，将调试成功的Arduino硬件部分与垃圾桶模型进行组装，再次进行调试，在这个过程中，学生需要不断修改自己的设计方案，不断推翻原有设计，甚至需要调整硬件的搭建，寻求外形与硬件模块之间的平衡，最终才能完成智能垃圾桶的组装。

（4）展示评价，迭代改进

在展示评价环节，各小组对自己的设计作品现场进行功能演示，并对外形以及硬件的设计进行讲解，同时对不足之处进行反思。在小组全部展示完成后，各小组进行点评，提出修改意见，最后投票选出最佳作品。课后，邀请家长、教师、同学参观及体验智能垃圾桶，并请他们对智能垃圾桶作品进行点评，提出修改建议。针对使用者的建议，学生对实物作品进行迭代设计，不断优化。

●启示及反思

第一，在设计探究过程中涉及的学科知识较多，所以教师要提供更系统、更优化的教学资源支架，切实帮助学生在设计探究过程中解决知识性问题，同时要引导学生主动对知识进行建构，形成计算思维习惯。

第二，在DBL教学模式中，大量的课堂时间是留给学生的，学生在项目设计过程中主动思考解决项目问题，将复杂问题分解为多个简单问题，将大任务拆解为各个小任务。层层递进、逻辑清晰的解决问题的过程，可以有效提高学生将现实问题转化为使用计算思维解决问题的能力及编程思维能力。