楊志亞

【摘 要】在中小學(xué)開展開源硬件項目設(shè)計教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計的意識與能力。這既是國家對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑。本研究以自制環(huán)境監(jiān)測裝置為例，闡述如何利用掌控板開展開源硬件項目教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】開源硬件;項目教學(xué);學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計

【中圖分類號】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2020）09-066-04

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是當(dāng)前教育的重中之重。2016 年 9 月《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》正式發(fā)布，以“全面發(fā)展的人”為核心，綜合表現(xiàn)為學(xué)會學(xué)習(xí)、科學(xué)精神、實踐創(chuàng)新等六大核心素養(yǎng)[1]?！督逃畔⒒笆濉币?guī)劃》要求，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識、信息素養(yǎng)，培養(yǎng)高素質(zhì)人才[2]。在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中，特別強調(diào)以能力為重，提升學(xué)生的探索與創(chuàng)新精神，以及在解決問題方面的實踐能力，促成學(xué)習(xí)型社會的戰(zhàn)略目標(biāo)，綱要中提到未來十年，將創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)作為教育改革的重點[3]。如何在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與問題解決能力？2017版高中信息技術(shù)新課標(biāo)中增加了“開源硬件項目設(shè)計”模塊，作為高中信息技術(shù)課程的選擇性必修模塊之一，為信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力找到了落腳點。課標(biāo)[4]建議，新知識的學(xué)習(xí)要以實例為依托，引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新性應(yīng)用，在活動過程中應(yīng)把大部分時間留給學(xué)生去探索，通過多次迭代的過程完善項目設(shè)計，適時跟蹤學(xué)生完成項目的過程，及時給予知識指導(dǎo)和問題解決思路的指導(dǎo)。本研究以“自制環(huán)境監(jiān)測裝置”項目為例，闡述如何利用掌控板這個載體開展教學(xué)。

相關(guān)概念與平臺介紹

1.開源硬件

開源硬件是指用與自由軟件、開源軟件相同的方式設(shè)計的計算機和電子硬件。開源硬件并不僅僅是硬件設(shè)計方法的開放，而且體現(xiàn)了一種開放的創(chuàng)新理念。開源硬件的設(shè)計者通常會將設(shè)計資料對外公布，主要如材料清單、電路圖、電路板布局?jǐn)?shù)據(jù)以及驅(qū)動開源硬件的軟件開發(fā)工具包等。每一種開源硬件平臺都有自身的優(yōu)勢和劣勢，根據(jù)自身不同的特點以滿足不同的使用者需求。本研究中的開源硬件是指掌控板、擴展板、外接模塊，通過數(shù)據(jù)線、藍(lán)牙通信、WiFi可以與計算機進(jìn)行通信。

2.掌控板及拓展板

掌控板是一款基于ESP32的開發(fā)板，集多種傳感器、感應(yīng)器于一身，支持WiFi和藍(lán)牙雙模通信，支持Python代碼編程。掌控板上集成OLED顯示屏、RGB燈、加速度計、麥克風(fēng)、數(shù)字光線傳感器、蜂鳴器、按鍵開關(guān)、觸摸開關(guān)、金手指外部拓展接口，通過MicroUSB接口進(jìn)行供電和與電腦連接，在電腦上會表示為一個虛擬串口COM口。利用掌控板，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、DIY創(chuàng)意作品以及智能控制類應(yīng)用。

掌控拓展板是掌控板衍生的一款體積小巧、易于攜帶的拓展板。引出了大部分掌控板的IO，支持電機驅(qū)動、語音播放、語音合成等功能的IO引腳擴展板，可擴展12路IO接口和2路I2C接口。

上課睡覺現(xiàn)象在中學(xué)校園里時有發(fā)生。這一現(xiàn)象直接影響了學(xué)生的上課效率，還影響了教師的上課熱情。相關(guān)研究表明，環(huán)境是影響學(xué)習(xí)效率一個很重要的因素。“自制環(huán)境監(jiān)測裝置”項目是以這一真實問題為載體圍繞學(xué)科核心概念，以落實學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，以STEAM教育理念為指導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出想法→設(shè)計系統(tǒng)解決方案→利用開源硬件實現(xiàn)解決方案”的完整過程，制作一種基于掌控板和Python編程的空氣和土壤監(jiān)測裝置，體驗研究和創(chuàng)造的樂趣，培養(yǎng)利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計的意識和能力。提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

1.教學(xué)基本情況

（1）學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。通過自制環(huán)境監(jiān)測裝置，學(xué)生能搜索并利用開源硬件及相關(guān)資料，體驗作品的創(chuàng)意、設(shè)計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創(chuàng)新能力。

（2）教學(xué)內(nèi)容。能利用各種材料、開源硬件與軟件實現(xiàn)所設(shè)計的項目方案，能利用開源硬件的設(shè)計工具、編程語言實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入、處理，利用輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動執(zhí)行裝置的運行。

（3）學(xué)情分析。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“Python語言程序設(shè)計及基礎(chǔ)算法”，具備一定的編程基礎(chǔ)。此外，高一學(xué)生有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科知識基礎(chǔ)，具備開展小型綜合性項目研究的基本能力，且他們對項目實踐有較強的動手愿望。

（4）教學(xué)目標(biāo)。能根據(jù)設(shè)計的方案，選擇恰當(dāng)?shù)碾娮悠鞑?，借助掌控板開發(fā)平臺，設(shè)計算法，編寫程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能;選擇合適的材料和工具，進(jìn)行工程搭建，實現(xiàn)項目模型;通過項目實踐，體驗項目的創(chuàng)意、設(shè)計、制作、調(diào)試、展示評價的完整過程;增強動手實踐的能力，強化計算思維，提升信息素養(yǎng)。

（5）教學(xué)重難點。教學(xué)重點：根據(jù)設(shè)計方案，選擇恰當(dāng)?shù)碾娮悠鞑?，借助掌控板開發(fā)平臺，設(shè)計算法，編寫程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能;體驗課題研究及項目實踐的過程。教學(xué)難點：制定設(shè)計方案;搭建工程結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)項目原型。

2.教學(xué)活動設(shè)計

本課程以項目為主線構(gòu)建教學(xué)模式，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出項目-分析項目-利用開源硬件實現(xiàn)項目-優(yōu)化項目”的學(xué)習(xí)過程，目的是讓學(xué)生在項目實踐中掌握必要的理論知識，在實際動手操作的過程中對項目設(shè)計的模式有整體把握。

（1）情境導(dǎo)入

創(chuàng)設(shè)情境：學(xué)習(xí)效率真的只和自身有關(guān)？有研究表明，當(dāng)二氧化碳在1000ppm以上時，空氣中二氧化碳濃度越高，人的學(xué)習(xí)、工作效率越低，作業(yè)錯誤率越高。當(dāng)空氣中含氧量下降，二氧化碳上升，會使腦細(xì)胞進(jìn)行生命活動所需要的氧氣供應(yīng)得不到保證，因而大腦的功能會減弱，時間一長，學(xué)習(xí)效率自然下降。

提出問題：如何破解缺氧問題？

引出本次項目：自制環(huán)境監(jiān)測裝置。

學(xué)生根據(jù)教師引導(dǎo)，明確項目主題，對項目產(chǎn)生興趣。

（2）項目分析

教師展示生活中的環(huán)境監(jiān)測，引出本次項目的主要工具：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、電容式土壤濕度傳感器、CCS811二氧化碳和TVOC傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種高性價比的、帶有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。土壤濕度傳感器是一款電容式的土壤濕度傳感器。CCS811是一款MEMS氣體傳感器，可以利用內(nèi)置的金屬氧化物傳感器、微熱板技術(shù)，檢測空氣中的二氧化碳含量和TVOC總有機揮發(fā)物含量。

學(xué)生思考傳感器的功能應(yīng)該如何設(shè)置。自學(xué)微視頻，學(xué)生討論交流，回答教師問題。

（3）項目實現(xiàn)

項目功能分解為任務(wù)，通過系列微課講解知識點。

學(xué)生學(xué)習(xí)微課：掌控板連接DHT11讀取空氣溫濕度;掌控板連接電容式土壤濕度傳感器;掌控板連接CCS811二氧化碳和傳感器，進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建與代碼編寫。

首先是結(jié)構(gòu)搭建。教師提供所需要的材料清單，提供所需零件：掌控板（1.0或2.0）、掌控IO拓展板、DHT11溫濕度傳感器模塊、CCS811空氣質(zhì)量傳感器模塊、SEN-0193土壤濕度傳感器。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察不同傳感器的構(gòu)件，進(jìn)行講解。演示掌控拓展版的使用方法，連接引腳的方法。

學(xué)生觀察有不同傳感器模塊的構(gòu)件，根據(jù)清單和教師演示，嘗試線路連接，如圖1所示。

其次是程序設(shè)計。

①掌控板連接電容式土壤濕度傳感器

教師需要講解的內(nèi)容：模擬信號與數(shù)字信號;模擬信號如何讀取轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;OLED顯示讀取值;測試土壤濕度傳感器的方法。

學(xué)生使用Python編寫程序，并將土壤濕度傳感器的傳感部分放到水里，或者用手捏傳感器觀察數(shù)字變化。思考：土壤濕度變化時，傳感器輸出電壓如何變化？

②掌控板連接CCS811二氧化碳和傳感器

教師需要講解的內(nèi)容：CCS811庫;CCS811庫的功能;掌控板與CCS811測試。

學(xué)生根據(jù)教師的講解，對CCS811傳感器實現(xiàn)的功能進(jìn)行代碼編寫。教師巡視，對存在問題的學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，觀察學(xué)生整體狀況。

③掌控板連接DHT11讀取空氣溫濕度

教師需要講解的內(nèi)容：函數(shù);模塊化程序設(shè)計;多個組件的組合編程。

學(xué)生完成程序：整理，美化代碼;測試并根據(jù)出錯信息debug;測試按鍵的功能是否有效。

（4）測試與優(yōu)化

學(xué)生完成全部程序設(shè)計后，把程序下載到掌控板上測試程序。教師觀察學(xué)生操作，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)程序的運行情況，調(diào)試并優(yōu)化程序。學(xué)生記錄程序在運行過程中遇到的問題。小組討論，分析原因，嘗試解決。

（5）拓展與優(yōu)化

教師觀察學(xué)生完成情況，針對完成效率高的小組提出進(jìn)階要求：制作個性化的監(jiān)測裝置，如添加時鐘功能。教師提示嘗試己經(jīng)學(xué)習(xí)過的其他組件。學(xué)生進(jìn)行自由創(chuàng)作，小組共同完成作品。

（6）評價與總結(jié)

小組匯報對作品進(jìn)行互評和自評;教師從線路搭建、程序設(shè)計、功能效果角度對學(xué)生作品進(jìn)行點評，給出修改建議。

教師對課堂進(jìn)行總結(jié)，回顧傳感器、引腳、線路搭建的知識點。教師鼓勵學(xué)生對作品進(jìn)行完善，留意關(guān)注生活中的電路知識。

總結(jié)與反思

在中小學(xué)開展開源硬件項目設(shè)計教學(xué)，可讓學(xué)生體驗研究和創(chuàng)造的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計的意識與能力。這既是國家對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑。本研究以項目的形式組織課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)實踐，通過小組協(xié)作式學(xué)習(xí)，跨學(xué)科思維來解決問題，引導(dǎo)學(xué)生努力從多角度看問題，享受實踐與分享的快樂，創(chuàng)新與分享相互促進(jìn)。數(shù)字化時代，越來越多的數(shù)字化工具資源可以為教師學(xué)生所有，越來越多的開源平臺可以創(chuàng)作作品。信息時代，教師應(yīng)該與時俱進(jìn)，在探索前進(jìn)的路上改變教學(xué)，更加注重創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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