謝作如　劉正云

對信息技術教師來說，人工智能并非全新的名詞。早在2003年，高中信息技術課程中已經增加了《人工智能初步》模塊。物聯(lián)網(wǎng)也一樣，在2012年左右，在江蘇省編制的義務教育階段的信息技術課程標準中，物聯(lián)網(wǎng)就作為一個重要的組成部分。正如一位課程專家所說的，寫入課標，寫入政策文件，萬里長征才僅僅邁出了第一步。如何落地才是最重要的工作。

新技術如何真正走進中小學課堂？我們請來了兩位分別開發(fā)過多門課程，并且擔任過信息技術教材主編的名師，請他們介紹課程開發(fā)和教材編寫中的一些幕后故事。

● 困難所在

《中國信息技術教育》：無論是開發(fā)課程還是編寫教材，都非常復雜，不僅要梳理課程的各種知識，還要綜合考慮實施過程中的種種問題。兩位老師在開發(fā)課程和編寫教材的過程中，遇到了哪些問題？

謝作如：因為我關注的是新技術，所以如何選擇一款適合中小學的軟件或者硬件，是最核心的工作。往往困難也就在這里。以《開源硬件項目設計》為例，《開源硬件項目設計》編寫工作的啟動是在2016年年初，那時候國內最流行的開源硬件是Arduino，其次是樹莓派。因為樹莓派的使用門檻太高，當時絕大多數(shù)的應用案例，都是把樹莓派作為一臺計算機，要外接顯示器、鍵盤鼠標來工作。我們認為這樣的教學場景是難以推廣的，所以一開始就否定了樹莓派。但是Arduino的編程語言是C/C++，或者用ArduBlcok和Mixly，這也讓我們?yōu)殡y。因為教材的其他模塊都用Python，到了這個模塊用C/C++，且不說學生的編程基礎如何落實，就從整體的角度看，也有些“不搭”。用Mixly之類的圖形化編程工具，又有“矮化”學生之嫌。

劉正云：受謝老師的影響，我也一直專注于開源硬件，當然很希望把這方面的“新技術”真正落地到中小學課堂中去。以清華大學出版社《物聯(lián)網(wǎng)與智能家居》教材為例，物聯(lián)網(wǎng)技術不算“新”，在中小學教材中也屢有出現(xiàn)，但是如何讓物聯(lián)網(wǎng)技術與當下流行的Python語言打通，使其在中小學課堂里重煥“新”機，則是比較大的困難。

我們在編寫教材的時候，遇到的最大的困難，也可以說是最大的挑戰(zhàn)，就是如何設計和新技術相關，并讓學生能真正動手完成各種經典實驗的新技術課程。

學生動手實踐的前提是學校愿意并且有能力采購本教材所使用的物聯(lián)網(wǎng)套件。如果成本太高，肯定會有部分學校沒有能力實施;如果技術難度太高，教師又沒辦法上課。采取什么樣的編寫策略，使得我們的教材既能打破之前教材的瓶頸，又能兼顧到個別學校的實際情況，也是我們在編寫的過程中不斷思考的問題。

● 解決方案

《中國信息技術教育》：從兩位的介紹中我們可以了解到，選擇一款合適的平臺（硬件或者軟件），是課程能夠落地的重點所在。那么，種種困難最后是如何解決的？

謝作如：我想只有兩條路，一條是不斷去找，滿世界找。例如，在寫高中信息技術教材的時候，在第一個版本中，我們在智能終端方面選擇了用Arduino。大概過了半年，我意外發(fā)現(xiàn)micro：bit居然支持MicroPython。經過研究后，我向幾位主編提出一個很大膽的想法——把教材中的Arduino換成micro：bit。再如，人工智能中的神經網(wǎng)絡實驗，一開始大家都很猶豫，說TenserFlow太難，但是我們很快發(fā)現(xiàn)了還有Keros，其代碼簡潔并且容易理解。第二條路是自己想辦法去解決。例如，當時我們選擇micro：bit是有風險的。因為國內還沒有廠商支持micro：bit，其外圍電路和擴展模塊都得不到保障。于是我就一一去說服國內的幾家關系比較密切的創(chuàng)客企業(yè)，請他們?yōu)閙icro：bit設計擴展板。再通過貓友匯、STEAM教育大會等平臺，組織micro：bit的培訓，并編寫課程。因為有市場后，就會有各種支持。結果我們的教材還沒有正式出版，micro：bit在國內的創(chuàng)客教育圈子中已經“火”起來了。

在開發(fā)《Arduino創(chuàng)意機器人》之前，ArduBlcok非常不好用，我和劉正云等同學重新整理了細節(jié)，請新車間的何琪辰重新開發(fā)了ArduBlcok教育版。一開始，micro：bit的代碼編寫工具并不成熟，官方僅僅提供了在線編寫的方式，在教材中沒辦法用。為此，我建議DFRobot開發(fā)了一款開源的小工具，叫做BXY。目前BXY是micro：bit、掌控板最好用的代碼編寫工具之一，初中和高中的教學中非常需要。

追溯“虛谷計劃”的起源，其實就是我們一線教師因為找不到好的軟硬件平臺而最后想出的一種辦法。掌控板的設計是為了解決物聯(lián)網(wǎng)的終端問題，虛谷號是為了解決人工智能教學的問題。

劉正云：值得高興的是，隨著時間的推移，新技術落地的時機也會越來越成熟。在開源硬件的選擇上，編寫教材時也可以使用成本較低的Arduino和掌控板作為學生操作的主要對象。Arduino是國內最為流行的開源硬件，大眾接受度比較高;掌控板是國內開發(fā)的一款用于普及STEAM創(chuàng)客教育、人工智能教育、編程教育的開源智能硬件，小巧精致，功能強大。掌控板在開發(fā)之初就提供了Python的精簡版本——MicroPython作為其編程語言之一;而Arduino一直以來都只使用“塊語言”編程或者“類C語言”進行編程，但在2020年春，虛谷計劃和上海蘑菇云的創(chuàng)客們開發(fā)了pinpong庫，讓Arduino也支持Python編程。

pinpong庫是一個Python硬件控制庫。其原理是給智能終端燒錄一個特定的固件，使智能終端可以通過串口與計算機通信，執(zhí)行各種命令。目前pinpong庫支持Arduino、掌控板和micro：bit、虛谷號等。借助于pinpong庫，直接用Python代碼就能給各種常見的智能終端編程。pinpong庫的設計，是為了讓開發(fā)者在開發(fā)過程中不用被繁雜的硬件型號束縛，而將重點轉移到軟件的實現(xiàn)。也就是說，硬件已經不重要了，選擇什么都可以，軟件才是核心。

當軟件和硬件得到很好的解決后，編寫教材的主要任務就是如何設計活動，設計讓學生動手實踐的活動。對我來說，需要解決的是要對涉及活動的難易程度、趣味性以及成本進行綜合考慮。例如，我們把活動分為體驗、實驗和實踐三類?！绑w驗活動”可由教師進行演釋，可由學生根據(jù)活動資源包的步驟親身體驗，也可錄制視頻供學生觀看，可選擇性較多，因此體驗活動在設計的時候會較多關注活動的趣味性;而“實驗活動”和“實踐活動”是需要學生經歷實驗和實踐的過程，為了大班教學的順利進行，在選擇具體活動時，會考慮所用器材的成本，在設計具體活動時，會考慮活動難度的循序漸進。

● 教材編寫思路

《中國信息技術教育》：能否以某個課程為例，簡單介紹一下兩位開發(fā)課程的思路或者核心理念？

謝作如：我以《開源硬件項目設計》為例來介紹吧。這是高中信息技術課程的選擇性必修模塊，是針對學生個性化發(fā)展需要，按照開源硬件項目設計流程而設置。模塊包括“開源硬件的特征”“開源硬件項目流程”“基于開源硬件的作品設計與制作”三部分內容。

我們編寫的教材分為五章。先介紹“開源思想與開源硬件”，接下來通過剖析一個典型的開源硬件項目，了解其開發(fā)流程并規(guī)劃一個項目，然后學習硬件的基礎知識，再動手開發(fā)這個項目。最后，我們引導學生在GitHub或者Gitee上發(fā)布并維護這個項目。

如何讓學生成功完成他們的項目呢？考慮到各地各校的條件，我們給學生展示的開源硬件項目偏向程序編寫，盡可能避開機械結構。我們提供了三個典型的項目開發(fā)流程，作為學生的學習范例，分別是計算機魔法控制器、課堂答題器和智能花盆，涉及人機交互、多機通信和物聯(lián)網(wǎng)技術，涉及多個學科領域的知識。概而言之，我的課程開發(fā)理念是一定要能真正落地實施。

劉正云：我以《物聯(lián)網(wǎng)與智能家居》為例來簡單介紹一下。教材分為兩個單元：第一單元在認識物聯(lián)網(wǎng)之后，深入了解物聯(lián)網(wǎng)的終端設備、通信、感知和控制等，并學會搭建一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程互聯(lián);第二單元智能家居則是第一單元的具體應用，涉及室內環(huán)境的感知、家電的遠程控制、智能互動的探究以及智能家居的未來。

和其他教材一樣，該教材也采用了項目式學習的方式進行組織教材。項目學習分為“學習導引”“問題需求”“實施規(guī)劃”“分工協(xié)作”“項目實施”“交流分享”等環(huán)節(jié)，教材在每個單元的最前面，都會給出一個帶有具體情境的項目案例，以此引導、啟發(fā)學生，并鼓勵他們嘗試自己設計一個與本單元內容有關的大項目;同時在每一節(jié)內容的最后，都會通過“項目實施”環(huán)節(jié)幫助學生厘清項目中的關鍵點。

● 課程開發(fā)建議

《中國信息技術教育》：最后，讓我們回到主題。如何讓新技術真正進入中小學課堂，相信是每一位老師都要面對并且需要解決的問題。在這方面，兩位老師能給其他課程開發(fā)的老師提點建議嗎？

謝作如：信息技術的發(fā)展日新月異，我們的教材肯定要與時俱進。對于新技術進中小學課堂，我想需要關注兩點。

一是要考慮學習成本，即如何降低技術門檻，讓教師能快速接受。例如，在設計掌控板的語法時，我們特意兼容了micro：bit的語法。同樣，虛谷號和pinpong庫的語法，我們再次兼容了掌控板。只要學會了其中的一種，其他的也就觸類旁通了。這樣一來，開源硬件的教學就慢慢形成了一種行業(yè)規(guī)范。

二是要考慮實施成本，即不能太貴，不能太麻煩。例如，在設計虛谷號的時候，我將重點放在了jupyter上，如何讓虛谷號插上電，通過網(wǎng)絡就能編程，這是很好的體驗。pinpong能夠和jupyter很好地結合，支持常見的開源硬件和普通的輸入輸出模塊，這樣就將硬件的投入降得很低。這兩點在其他新技術的推廣上也通用。

劉正云：除了謝老師說的學習成本和實施成本以外，我對新技術進中小學課堂還想補充一點。這幾天，pinpong庫的最新版本已經能夠支持NFC模塊了，這是我前段時間對開發(fā)小組提出的新需求。因為NFC是物聯(lián)網(wǎng)技術中的核心技術之一，應用很廣，目前沒有特別簡單的方式在教學中做“NFC實驗”。掌控板、BXY和pinpong庫等軟硬件，一開始功能并不完善，隨著我們不斷提出需求，工程師們不斷開發(fā)，掌控板和pinpong庫也就越來越強大，越來越貼近中小學的教學實際了。

所以，新技術要在中小學課堂落地，需要很多人一起努力，需要社會企業(yè)的支持。我們不僅要學習新技術，還要積極參與新技術的教學普及工作。當我們一線教師和企業(yè)之間形成了很好的互動機制，那么這些教育產品會更加貼近實際課堂。