摘要：隨著技術(shù)的極速迭代和STEAM教育等新型教育模式的應(yīng)用，高中信息技術(shù)學(xué)科不僅需要關(guān)注學(xué)生對基本知識與技能的掌握，也應(yīng)關(guān)注學(xué)生“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和跨學(xué)科解決問題的能力。本研究在新版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)選修模塊六《開源硬件項目設(shè)計》的基礎(chǔ)上，針對高中開源硬件課程教學(xué)中存在的問題，分析設(shè)計思維與開源硬件教學(xué)過程的適切點，將設(shè)計思維方法融人開源硬件項目式教學(xué)過程中，設(shè)計了《小e聲控?zé)簟讽椖渴浇虒W(xué)案例。研究旨在培養(yǎng)高中學(xué)生“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”的核心素養(yǎng)，以期為高中信息技術(shù)教師開展“開源硬件項目設(shè)計”模塊教學(xué)提供一定的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：設(shè)計思維;高中信息技術(shù);開源硬件;數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0124-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ OSID）：

1 高中開源硬件項目式教學(xué)中存在的問題

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由及開源軟件相同的方式設(shè)計的計算機和電子硬件。[1]開源硬件課程教學(xué)大多是基于開源硬件開發(fā)平臺來進(jìn)行，諸如Arduino、Micro： bit、Edison、Beagleboard、Raspberry Pi、LittleBits、mCookie、Galileo等，均是以學(xué)生（體驗者）為中心，實踐和行動為導(dǎo)向，以解決生活中遇到的實際問題為主。新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“將開源硬件項目設(shè)計模塊納入高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的選擇性必修課中，學(xué)生要利用簡單的數(shù)字化工具開展協(xié)作學(xué)習(xí)，完成作品的設(shè)計與創(chuàng)作，形成個性化作品，培養(yǎng)利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計的意識與能力?！盵2]目的在于強調(diào)體驗“創(chuàng)意、設(shè)計、制作、測試、運行的完整過程”[2]，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造、協(xié)作溝通、跨學(xué)科解決問題等能力，同時也是在信息技術(shù)課程中實現(xiàn)STEAM教育的理想方法。

高中開源硬件項目設(shè)計模塊的課程教學(xué)目標(biāo)不僅限于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣，更注重形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和將知識與技能遷移到解決實際問題之中的能力[3]，使創(chuàng)造性的教學(xué)活動逐漸取代重復(fù)性、模仿性的非創(chuàng)造性教學(xué)活動。[4]然而，目前高中開源硬件課程教學(xué)還存在以下問題：第一，高中開源硬件課程教學(xué)中學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實不到位，尤其是“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不夠顯性化。這導(dǎo)致學(xué)生在利用開源硬件進(jìn)行學(xué)習(xí)時缺乏同理心設(shè)計，且不能夠準(zhǔn)確定義問題，導(dǎo)致作品的功能性和實用性不足。第二，高中開源硬件課程教學(xué)缺乏創(chuàng)新性的有效指導(dǎo)。教師過于重視知識的概念講授，忽略了學(xué)生知識的跨學(xué)科遷移與應(yīng)用，致使學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在模仿階段，難以創(chuàng)造性地解決實際問題。第三，高中開源硬件教學(xué)課程作為選修課程，課程資源匱乏，且缺乏系統(tǒng)、規(guī)范的教學(xué)流程和可借鑒的案例。這與開源硬件項目設(shè)計模塊的教學(xué)理念背道而馳，其受到設(shè)計思維的指引才能消除經(jīng)驗性到規(guī)范性升華的阻礙，拓寬學(xué)生的思維寬度。

2 設(shè)計思維與開源硬件項目式教學(xué)過程的適切點

基于目前高中信息技術(shù)開源硬件課程教學(xué)中存在的問題，嘗試將設(shè)計思維的理念應(yīng)用到開源硬件項目式教學(xué)過程中去，從對象、原則、目的、方法、技術(shù)側(cè)重、解決問題、價值觀過程和教學(xué)資源分析設(shè)計思維與開源硬件項目教學(xué)過程的適切點。具體如表1所示。

3《小e聲控?zé)簟讽椖拷虒W(xué)設(shè)計

3.1教學(xué)分析

1）教學(xué)內(nèi)容分析

高中信息技術(shù)開源硬件選修課程的開設(shè)，是以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為主要目標(biāo)，兼具理論學(xué)習(xí)與任務(wù)應(yīng)用，鼓勵學(xué)生在信息化環(huán)境中創(chuàng)新與實踐。該項目是高中信息技術(shù)開源硬件選修內(nèi)容，屬于綜合性項目。本課例的教學(xué)重點為多傳感器協(xié)同控制LED的亮滅，教學(xué)難點為串口監(jiān)視器的應(yīng)用查看及調(diào)取合適的傳感器的取值。

2）學(xué)情分析

本項目式課例的教學(xué)對象是高二年級開源硬件選修班的學(xué)生，他們通過前期項目的學(xué)習(xí)已經(jīng)了解開源硬件的基礎(chǔ)知識和基本原理，但對有關(guān)元件調(diào)用的實際操作和程序設(shè)計的掌握較為薄弱，有必要在此基礎(chǔ)上加深對開源硬件功能與函數(shù)調(diào)用的理解，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題，形成創(chuàng)新作品的能力。

3）教學(xué)目標(biāo)分析

知識與技能目標(biāo)：認(rèn)識Arduino UNO、10擴展板、LED燈、聲音傳感器、環(huán)境光線傳感器的特點;理解布爾運算的操作與應(yīng)用;掌握多傳感器協(xié)同控制LED的亮滅;掌握邏輯判斷以及對LED狀態(tài)效果的影響;掌握串口監(jiān)視器的應(yīng)用查看及調(diào)取合適的傳感器的取值。

過程與方法目標(biāo)：按照教學(xué)模式設(shè)計并開展教學(xué)活動，采用針對設(shè)計思維培養(yǎng)的教學(xué)策略，創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的情境，讓學(xué)生在問題的引導(dǎo)下產(chǎn)生同理心設(shè)計的意識，教師講解輸入輸出控制（數(shù)字輸入輸出、模擬信號的輸入和PWM信號輸出）、程序邏輯實現(xiàn)方法（數(shù)學(xué)運算、循環(huán)、分支、布爾等）和效果演示，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的探索精神;學(xué)生根據(jù)手中的傳感器，自行完成程序的編寫，上傳查看效果，創(chuàng)作作品，體驗創(chuàng)意、設(shè)計、制作、測試、運行的完整過程;通過個人探究和小組合作，提高學(xué)生創(chuàng)作能力，培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神;通過作品評審標(biāo)準(zhǔn)，對作品進(jìn)行鑒賞和評價，培養(yǎng)鑒賞能力與評價能力。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：體驗使用開源硬件進(jìn)行創(chuàng)作的樂趣和成就感，貫徹研究精神，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力與跨學(xué)科解決問題的能力;通過欣賞和評價作品，提升學(xué)生的審美觀，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維和批判性思維;鼓勵學(xué)生運用信息技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)系生活自覺踐行開源的理念與知識分享的精神。

3.2 教學(xué)過程設(shè)計

1）創(chuàng)設(shè)情境，引出想法

教師作為引導(dǎo)者將課例主題以情境的方式引入：“請同學(xué)們結(jié)合自己在校園中真實的生活體驗展開聯(lián)想，常見的樓道聲控?zé)舻膶崿F(xiàn)方法有哪些？請同學(xué)們仔細(xì)思考?！睂W(xué)生針對教師提出的問題展開激烈的討論，此后教師播放精心準(zhǔn)備的微視頻，輔助學(xué)生進(jìn)行思維發(fā)散產(chǎn)生更深層次的共情，發(fā)現(xiàn)燈在哪些方面可以體現(xiàn)智能化。其間，有同學(xué)便發(fā)現(xiàn)了問題：“校園中燈光可以根據(jù)自然光線進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，回答“常見樓道聲控?zé)簟钡膶崿F(xiàn)方法：有聲控、聲光等。教師幫助學(xué)生了解課程目標(biāo)，引入《小e聲控?zé)簟氛n題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出學(xué)生對挑戰(zhàn)任務(wù)的想法，并鼓勵學(xué)生發(fā)言。之后教師做出總結(jié)，提出有關(guān)《小e聲控?zé)簟讽椖康膬纱筇魬?zhàn)：聲控、聲光。隨后教師將學(xué)生平均分成四個小組，并確定組長，明確分工職責(zé)。

2）頭腦風(fēng)暴，明確任務(wù)

教師為每組提供了種類齊全且組件完整的開源硬件套件，帶學(xué)生熟悉套件的功能，然后為了讓所有學(xué)生都有機會分享自己的想法，給定3分鐘讓學(xué)生從作品的功能性和實用性進(jìn)行頭腦風(fēng)暴。教師闡述更為明確的任務(wù)：制作《小e聲控?zé)簟讽椖浚瑢崿F(xiàn)晚上有聲音燈亮3s熄滅，白天不亮。之后，教師引導(dǎo)學(xué)生理解教師拋出的任務(wù)挑戰(zhàn)，小組間交流談?wù)?，識別本組需求，隨教師講解認(rèn)識并整理元器件，進(jìn)行要點聚焦，發(fā)掘洞察。同時，學(xué)生將現(xiàn)有的思維發(fā)散節(jié)點與之前小組成員的想法清單建立聯(lián)系，鼓勵學(xué)生打破常規(guī)，選擇恰當(dāng)?shù)拈_源硬件為工具進(jìn)行設(shè)計。這時，學(xué)生不僅要評估哪些想法是行之有效的，還要分析個中原因，考慮開源硬件套件功能的限制，將想法去粗取精，反復(fù)補充細(xì)節(jié)與整合想法。在明確開源硬件各組成成分的調(diào)用關(guān)系后，各組所需元件為：Arduino UNO;10擴展板;LED模塊;聲音傳感器;環(huán)境光線傳感器。各小組逐步開始設(shè)計基于開源硬件的作品設(shè)計方案。

3）探究設(shè)計，優(yōu)化方案

小組學(xué)生對問題進(jìn)行需求分析，引起更深層次的共情，并用5分鐘的時間思考從同伴那里獲得的信息與靈感，總結(jié)歸納收集到的評價與反饋。經(jīng)過小組成員換位思考或角色扮演后，各組對產(chǎn)生的需求進(jìn)行新的創(chuàng)意，聚焦問題解決的關(guān)鍵點。隨后，小組成員撰寫設(shè)計方案，主要包括問題清單、功能分解、所需元件、程序設(shè)計、構(gòu)造外觀、所需耗材和小組評價與反思。其間，每個小組的程序反復(fù)理清思路，教師給出建議并從旁指導(dǎo)。最終四個小組以設(shè)計為中心不斷完善修改，優(yōu)化設(shè)計方案。

4）制作原型，測試功能

在學(xué)生完善設(shè)計方案后，將所需元件與開源硬件進(jìn)行連接，編寫各小組設(shè)計方案中的程序，在此過程中A組同學(xué)率先完成。B組、c組和D組均由于程序設(shè)計出錯而導(dǎo)致元件測試失敗，從而重新回歸問題，修改設(shè)計方案與程序。待元件測試與程序設(shè)計無誤后，各小組著手開始原型制作。所提供的工具與材料有：彩色卡紙、雙面膠、剪刀等。四組學(xué)生均對原型設(shè)計與制作產(chǎn)生了濃厚的興趣，對原型不斷地進(jìn)行了功能性審視與色彩微調(diào)。在原型測試過程中，D組由于程序的缺陷，只能實現(xiàn)一次成功測試：在光線亮或暗的情況下蜂鳴器都會發(fā)出聲響。D組同學(xué)舉手示意，教師上前提示：“距離的值是主要因素，再對數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?！彪S后，D組通過距離的改變與程序數(shù)值的相互計算與調(diào)整實現(xiàn)了作品的功能。

5）分享作品，再次迭代

小組的作品完成之后，學(xué)生對作品進(jìn)行展示分享。四個小組的組員依次上臺，每個人介紹自己的團(tuán)隊分工，由小組長匯報項目背景和產(chǎn)品功能，另一名學(xué)生配合小組長進(jìn)行演示，作品展示。教師在每組匯報之后，對每個小組設(shè)計過程的協(xié)作性和交互性、設(shè)計結(jié)果的內(nèi)容性、技術(shù)性、藝術(shù)性和創(chuàng)造性等作出評價并提出建議。每個小組相互觀看其他小組的作品，得到思維轉(zhuǎn)變后的啟示與收獲，并進(jìn)行作品的二次迭代與優(yōu)化。在整個項目設(shè)計與實施的過程中，學(xué)生不僅熟練開源硬件項目設(shè)計的相關(guān)知識，更重要的是能利用設(shè)計思維方法主動對用戶需求的分析，進(jìn)行移情、要點聚焦、跨學(xué)科解決問題、批判性思考和原型迭代，從而達(dá)到“數(shù)字化培養(yǎng)與創(chuàng)新”等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

設(shè)計思維的本質(zhì)是思維的發(fā)散與聚斂，注重培養(yǎng)學(xué)生的同理心設(shè)計、原型迭代，敢于試錯和跨學(xué)科解決問題的能力等。其間，學(xué)生方案優(yōu)化與作品迭代的過程至關(guān)重要，需要全神貫注的根據(jù)事物的特點進(jìn)行一定的抽象，從抽象到具體再到抽象，利用開源硬件的設(shè)計工具與編程語言實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，再通過輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動符合事物特性的系統(tǒng)裝置運行，得出最終滿意的作品。當(dāng)前，對于開源硬件課程優(yōu)化的研究還需進(jìn)一步深化，要將設(shè)計思維引入具有跨學(xué)科特征的STEAM教育或創(chuàng)客教育中不斷完善教學(xué)流程，在實踐中構(gòu)建開源硬件課程教學(xué)的評價體系，為高中開源硬件課程培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與數(shù)字化學(xué)習(xí)能力提供有益參考。

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【通聯(lián)編輯：張薇】

作者簡介：盧雅（1996-），女，山西長治人，碩士，主要從事STEAM教育、設(shè)計思維、創(chuàng)客教育等研究。

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