王振強(qiáng) 洪亮

2017年版普通高中課程方案中，信息技術(shù)和通用技術(shù)課程結(jié)構(gòu)方面分別增加了“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”和“智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)”選修模塊內(nèi)容，為學(xué)生提供了一個(gè)技術(shù)與設(shè)計(jì)的應(yīng)用性學(xué)習(xí)窗口。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠體驗(yàn)開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)的全過程。通過選擇適用的項(xiàng)目式教學(xué)案例，以專題的形式與技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，不僅能提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也能拓展教學(xué)的內(nèi)容與學(xué)生視野，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。本文以智能音箱為例，闡述如何利用Arduino這個(gè)載體開展教學(xué)。

● 高中Arduino技術(shù)教學(xué)的分析

1.相關(guān)選修模塊簡(jiǎn)介

在信息技術(shù)課程中，基于開源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施有益于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，同時(shí)也是在信息技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)STEAM教育的理想方法。本內(nèi)容是針對(duì)開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程、按照項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)實(shí)施方案、制作作品而設(shè)置的。在通用技術(shù)課程中，智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊是關(guān)注學(xué)生未來職業(yè)和生活的需要。智能家居融合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，意在創(chuàng)設(shè)一種智慧感知、協(xié)調(diào)控制、智能互聯(lián)、方便快捷的家庭居住環(huán)境。本模塊旨在為學(xué)生感受先進(jìn)技術(shù)在家庭生活中的運(yùn)用，并能通過開源的設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建智能家居產(chǎn)品原型，進(jìn)而為學(xué)生提供一個(gè)集通信、計(jì)算、控制于一體的應(yīng)用性學(xué)習(xí)窗口。兩個(gè)學(xué)科選修模塊的課程設(shè)置，體現(xiàn)了學(xué)科特點(diǎn)及課程目標(biāo)的差異性，但是作為普通高中技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容，其指向?qū)W生職業(yè)及生活需要的基礎(chǔ)性教育內(nèi)容。通過選擇合適的開源硬件載體，以項(xiàng)目式教學(xué)的組織方式，整合兩學(xué)科相關(guān)內(nèi)容創(chuàng)新性地開展教學(xué)，即可實(shí)現(xiàn)STEAM教育理念下的多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，也能夠解決高中學(xué)生課時(shí)緊張的時(shí)間問題，提高技術(shù)課程的實(shí)施效率。

2.教學(xué)現(xiàn)狀分析

普通高中技術(shù)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)決定了課程實(shí)施的諸多問題。最明顯的就是硬件投入高，特別是新課標(biāo)下的技術(shù)課程內(nèi)容，如3D創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程、電子控制技術(shù)課程等所需要投入的機(jī)房、專用設(shè)備費(fèi)用較高，對(duì)于相當(dāng)多的學(xué)校來說投入存在一些困難。此外，技術(shù)課程實(shí)施普遍存在課時(shí)緊張的問題，對(duì)于選修模塊的內(nèi)容來說，有硬件條件的學(xué)校很少，正常開設(shè)課程教學(xué)的更少。學(xué)校只能按照國家規(guī)定課時(shí)來開設(shè)必修模塊的內(nèi)容。

3.Arduino應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源硬件產(chǎn)品，沒有復(fù)雜的單片機(jī)底層代碼，沒有難懂的匯編，只是簡(jiǎn)單而實(shí)用的函數(shù)，而且具有簡(jiǎn)便的編程環(huán)境IDE和教育版的ArduBlock，它是以圖形化積木搭建的方式編程的，這樣的方式會(huì)使編程的可視化和交互性加強(qiáng)，編程門檻降低，降低學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成本，特別適合學(xué)習(xí)緊張的高中學(xué)生學(xué)習(xí)。此外，近些年Arduino在全世界范圍內(nèi)快速地發(fā)展普及，使其作為一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，在機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育中都得到了廣泛的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)中開源的軟、硬件資源豐富。通過它開放的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以軟、硬件結(jié)合的方式，將設(shè)計(jì)概念進(jìn)一步深化，構(gòu)建智能產(chǎn)品原型和應(yīng)用程序。借助Arduino平臺(tái)可使基于項(xiàng)目式教學(xué)的選修課教學(xué)可行、有效。

● “智能創(chuàng)意PVC管音箱”項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

1.項(xiàng)目背景介紹

音箱是學(xué)生生活中較熟悉的技術(shù)事物，但對(duì)于音箱各部分組成及各功能普遍缺乏了解，特別是對(duì)音箱音質(zhì)的各種影響因素更是陌生。根據(jù)前期調(diào)查，學(xué)生對(duì)音箱倒相孔作用、喇叭尺寸與箱體大小關(guān)系及高低音共振的處理等專業(yè)知識(shí)都不清楚。考慮制作周期、加工難度及成本問題，選擇較常見的PVC管材料，利用音箱這個(gè)主體對(duì)象，確定制作項(xiàng)目為智能創(chuàng)意PVC管音箱，即從學(xué)生身邊的技術(shù)事物，向智能家居領(lǐng)域中的智能音箱過渡，讓學(xué)生親歷這個(gè)技術(shù)設(shè)計(jì)制作全過程，完成一個(gè)完整的項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程、作品制作。在這個(gè)過程中，既可以系統(tǒng)學(xué)習(xí)到音箱專業(yè)的原理知識(shí)，又能夠接觸Arduino開源軟件平臺(tái)軟、硬件的學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)STEAM教育理念下的多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)。

2.音箱的外觀主體方案設(shè)計(jì)與制作

外觀主體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)與制作涉及多學(xué)科的知識(shí)學(xué)習(xí)。特別能突出通用技術(shù)學(xué)科專業(yè)的知識(shí)體系運(yùn)用，如設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的穩(wěn)定性、強(qiáng)度等因素以及音箱系統(tǒng)功能單元?jiǎng)澐值?。這個(gè)設(shè)計(jì)過程很好地解決了通用技術(shù)學(xué)科知識(shí)教學(xué)的目標(biāo)。從問題的發(fā)現(xiàn)到明確設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題，再尋求解決問題的方案，然后動(dòng)手制作，學(xué)生親歷了一個(gè)典型的技術(shù)設(shè)計(jì)全過程。這也正是新課標(biāo)指出的大項(xiàng)目的學(xué)習(xí)理念。

學(xué)生親歷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作過程，一是可以更好地掌握相關(guān)音箱知識(shí)的運(yùn)用層面；二是掌握了涉及工具的操作使用方法；三是制作過程中對(duì)方案的優(yōu)化與調(diào)整，再親歷構(gòu)思到圖紙的呈現(xiàn)再到實(shí)物加工的全過程，培養(yǎng)了學(xué)生良好的物化能力，幫助學(xué)生樹立了技術(shù)設(shè)計(jì)是需要不斷優(yōu)化的思想。

3.Arduino平臺(tái)應(yīng)用于音箱的智能化項(xiàng)目設(shè)計(jì)

智能化方案設(shè)計(jì)主要涉及計(jì)算機(jī)與電子控制技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。這方面也突出信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)的知識(shí)體系運(yùn)用。目前兼容Arduino平臺(tái)的電子傳感器配件較豐富，功能也較為強(qiáng)大，相關(guān)智能家居開發(fā)應(yīng)用層面的軟件、硬件資料較多，在教學(xué)中都可以方便選用。建議教師可以提前提供帶有例子程序及視頻教程的學(xué)習(xí)套件資料，降低學(xué)生技術(shù)學(xué)習(xí)入門的門檻，便于高中學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)，快速學(xué)習(xí)掌握項(xiàng)目設(shè)計(jì)全過程，以便更好實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

● “智能創(chuàng)意PVC管音箱” 項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

1.以對(duì)技術(shù)的理解學(xué)習(xí)為目的：對(duì)傳統(tǒng)音箱的各控制單元功能進(jìn)行探析

引導(dǎo)學(xué)生分析傳統(tǒng)音箱的控制方式（按鈕開關(guān)、旋鈕音量大小），分析其技術(shù)控制原理，并猜想利用Arduino UNO等零件實(shí)現(xiàn)控制的方式，以解決學(xué)生對(duì)技術(shù)事物的理解和對(duì)各元器件硬件功能的學(xué)習(xí)；再利用配套元器件構(gòu)建智能產(chǎn)品原型，解決學(xué)生從硬件原型制作到軟件編程控制實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)全過程，幫助學(xué)生理解、掌握真實(shí)的技術(shù)世界中廣泛使用技術(shù)的方法。上頁圖1、圖2是按鈕控制案例。

利用按鈕和旋鈕的元器件特點(diǎn)，連接好物理線路，通過可視化編程界面編寫程序控制LED的亮滅，讓學(xué)生親歷全過程，理解控制的實(shí)現(xiàn)方式，完成對(duì)軟、硬件的學(xué)習(xí)。教師可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)LED燈進(jìn)行更深入的了解，如多彩燈的控制等，并利用相同的教學(xué)策略引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活中存在的控制現(xiàn)象進(jìn)行學(xué)習(xí)了解。

2.以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)為目的：引導(dǎo)學(xué)生對(duì)音箱功能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)

引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)音箱的控制方式（手勢(shì)控制、定時(shí)控制、人體感應(yīng)控制等），分析理解智能感知元件的工作原理及應(yīng)用場(chǎng)景。手勢(shì)控制原理：測(cè)距元件檢測(cè)到手距離值的變化，Arduino判斷后使繼電器接通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)音箱的開關(guān)智能控制。因此，教學(xué)設(shè)計(jì)主要通過各類元器件應(yīng)用的場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思考，并結(jié)合生活中真實(shí)的技術(shù)問題創(chuàng)造性地使用，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的目的。教學(xué)可以根據(jù)學(xué)生的功能設(shè)計(jì)展開，教師提供較多元器件供學(xué)生選擇使用，且鼓勵(lì)學(xué)生采用不同的元器件實(shí)現(xiàn)相同的功能，目的都是為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)創(chuàng)意的想法或者解決現(xiàn)實(shí)中的某個(gè)問題，同時(shí)教師要準(zhǔn)備好各類元器件的硬件原理、視頻教程、參考示例代碼等學(xué)習(xí)資料，提供給學(xué)生學(xué)習(xí)了解。

3.以綜合應(yīng)用為目的：引導(dǎo)學(xué)生完成較完整的項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作

這個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)從教學(xué)的角度是讓學(xué)生親歷更大的項(xiàng)目制作，跳出之前單純的技術(shù)學(xué)習(xí)和完成任務(wù)，使學(xué)生基于自身的意愿主動(dòng)去學(xué)習(xí)技術(shù)、主動(dòng)去創(chuàng)造。以本文為例，智能音箱的項(xiàng)目主體對(duì)象，在后期會(huì)調(diào)整基于智能音箱的“智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)”，給學(xué)生定一個(gè)創(chuàng)造的方向，但是不限定主體。學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)新的Arduino及周邊傳感器軟、硬件知識(shí)，造物的過程中不斷優(yōu)化改進(jìn)，最終達(dá)到親歷智能家居整體家居設(shè)計(jì)的教學(xué)目的。

● 教學(xué)實(shí)踐的思考

開源硬件平臺(tái)是新課標(biāo)中增加的內(nèi)容，旨在通過這個(gè)平臺(tái)工具，使技術(shù)學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容教學(xué)更有效，因此，選修模塊的教學(xué)應(yīng)該緊緊圍繞課程核心的內(nèi)容展開。其教學(xué)策略選擇必須是以培養(yǎng)學(xué)生核心的素養(yǎng)為主，以運(yùn)用Arduino平臺(tái)幫助學(xué)生更好地進(jìn)行技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本思想、基本態(tài)度的學(xué)習(xí)和基本經(jīng)驗(yàn)的積累，形成對(duì)技術(shù)的親近感、敏感性、理性精神、責(zé)任意識(shí)以及對(duì)技術(shù)的文化感悟。教學(xué)不可偏向單純Arduino技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)，教師切不可把網(wǎng)絡(luò)上側(cè)重技能培訓(xùn)的教程直接拿過來運(yùn)用于教學(xué)。教學(xué)中，讓學(xué)生把創(chuàng)新解決問題的想法實(shí)現(xiàn)出來是非常必要的。Arduino平臺(tái)在智能家居模塊教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值是幫助學(xué)生方便地進(jìn)入智能控制世界。圍繞著來自真實(shí)技術(shù)世界的問題，利用這個(gè)工具，通過進(jìn)行程序的編寫驅(qū)動(dòng)硬件工作，完成對(duì)技術(shù)事物的學(xué)習(xí)與智能造物目的，進(jìn)而去創(chuàng)造更好的技術(shù)世界。教師需要提升對(duì)Arduino平臺(tái)技術(shù)的掌握情況，只有對(duì)Arduino平臺(tái)周邊軟、硬件有足夠的了解，才能更好地給予學(xué)生創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)的方式上的指導(dǎo)，才能夠根據(jù)學(xué)生自身的編程基礎(chǔ)、動(dòng)手能力不同，提供更為專業(yè)的技術(shù)學(xué)習(xí)建議，才能夠開設(shè)出針對(duì)性強(qiáng)的智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)課程。