李心陽 汪玥輝

上海大學(xué)附屬中學(xué)

一、 案例背景

“水面無人艇創(chuàng)新設(shè)計與制作”是在上海大學(xué)附屬中學(xué)（以下簡稱“上大附中”）綜合實踐活動課程實施綱要指引下，聚焦學(xué)?！芭囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”育人目標(biāo)，為高一學(xué)生設(shè)計的主題探究活動。在活動中，教師將引領(lǐng)學(xué)生親手制作一艘水面無人艇，通過反復(fù)調(diào)試，完成一場酣暢淋漓的水面競技?；顒舆^程中，學(xué)生將會接觸工程項目設(shè)計、三維建模、3D打印、開源硬件、智能電控、視覺感知等技術(shù)，了解工程項目開發(fā)流程、管理與工作規(guī)范，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

“水面無人艇創(chuàng)新設(shè)計與制作”的活動方案如表1所示。本文主要探討活動環(huán)節(jié)“船體智控：開源硬件”的活動設(shè)計與線上實施（表2），校本課程框架如圖1所示。

表1 “水面無人艇創(chuàng)新設(shè)計與制作”活動方案

圖1 校本課程框架

表2 “船體智控：開源硬件”活動內(nèi)容

課程的開發(fā)也獲得了高校專家團(tuán)隊的支持，上大附中先后與上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院合作共建“開源硬件與創(chuàng)客教育拓展基地”，與上海大學(xué)無人艇工程研究院合作共建“無人艇創(chuàng)新實驗室”。在與高校專家合作共建中，“船體智控：開源硬件”活動環(huán)節(jié)參考了高中信息技術(shù)新課程標(biāo)準(zhǔn)選擇性必修6《開源硬件項目設(shè)計》的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力為目標(biāo)，同時也在信息技術(shù)課程中實踐STEAM教育。高一的學(xué)生中，有些人玩過船舶模型或四驅(qū)車，對馬達(dá)并不陌生，有些人有過圖形化編程方面的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，學(xué)生已經(jīng)普遍具備基本的邏輯思維能力與動手能力，并且已在信息技術(shù)必修課上了解了信息系統(tǒng)的功能和組成、傳感器及其應(yīng)用，能夠使用編程語言編寫簡單功能的程序代碼。在此基礎(chǔ)上，本活動通過啟發(fā)式、探究式、開放式教學(xué)，滿足學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的求知欲和想象力，引導(dǎo)有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生實現(xiàn)個性化發(fā)展。

“船體智控：開源硬件”活動的設(shè)計與實施需要充分運用各類硬件和軟件資源，我們在活動的各個環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)不同類型的研究支架，以供學(xué)生探究學(xué)習(xí)。開源硬件所需資源有Arduino控制板、電子元器件耗材包、萬用表、示波器、微課和活動學(xué)習(xí)單等。教師在活動中扮演好研究方法的指導(dǎo)者、研究條件的提供者、研究過程的參與者、研究結(jié)果的參評者這四種角色，幫助學(xué)生“做中研”“研中創(chuàng)”。這類活動要在線上實施，面臨的挑戰(zhàn)有兩個：一是要解決學(xué)生身邊沒有電路板和測試儀器的問題；二是要設(shè)法營造線上互動、線上討論的學(xué)習(xí)氛圍。

二、 問題提出

華東師范大學(xué)楊曉哲博士認(rèn)為“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新不僅打破了原有的時間與空間維度，也極大地豐富了固有的學(xué)習(xí)范式”，他分析得出“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”素養(yǎng)在具體落實過程中具備四種主要的基本方式，同時指出四種主要方式在個體與群體上都具有價值［1］。筆者以此模型作為理論依據(jù)，探索開源硬件活動設(shè)計的線上實施。

（一） 線上教學(xué)的內(nèi)容選擇

線上教學(xué)活動首先要解決的是實驗材料的準(zhǔn)備問題。一方面，多數(shù)學(xué)生身邊沒有電路板和測試儀器，我們提出尋求合適的虛擬仿真軟件以開展電路實驗。另一方面，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中雖然已經(jīng)選用門檻較低的Arduino開發(fā)板作為主控單元，但在學(xué)生尚不具備專業(yè)知識的前提下，如何安全、有效地開展教學(xué)活動也是一個需要解決的問題［2］。國內(nèi)眾多高校都在探索“新工科”背景下的課程改革，尤其是面向全校開放的工程實訓(xùn)中心。為解決形式單一、科目相互獨立等問題，嘗試通過開源平臺Arduino與虛擬仿真相結(jié)合，構(gòu)建“通專交叉分層菜單式”電子實訓(xùn)體系［3］。

對于從未接觸過電子學(xué)的高中一年級學(xué)生來說，直接使用實物搭建電路，難免會出現(xiàn)錯誤。上電運行，輕則損壞器件，重則可能造成安全事故。因此，我們選擇在線上教學(xué)中利用仿真平臺讓學(xué)生初步認(rèn)識開源硬件，可以安全地對電路進(jìn)行修改、運行并觀察結(jié)果，有利于培養(yǎng)學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力。此外，在線仿真只要在有網(wǎng)絡(luò)的場所就可運行，如此便打破學(xué)習(xí)場所限制，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)［2］。

（二） 線上教學(xué)軟件的選擇

通過檢索，我們了解到幾款適用于Arduino虛擬仿真的軟件。一般高校普遍使用的是EDA軟件Proteus［4-5］，該款軟件功能強(qiáng)大，但是仿真界面過于復(fù)雜，不適合高中學(xué)生用。對于高中學(xué)生來說，Autodesk的Tinkercad和國產(chǎn)的linkboy是相對容易上手的兩款仿真軟件。由于Tinkercad生成的代碼可在Arduino IDE中打開和編譯通過，且又是在線軟件，無需安裝，后期還可以進(jìn)一步支持三維建模與開源硬件的組裝，因而我們最終選擇使用Tinkercad軟件開展線上活動。

為了營造線上互動、討論的學(xué)習(xí)氛圍，一種在線課程的實踐方案要求學(xué)生首先通過慕課學(xué)習(xí)課程相關(guān)章節(jié)，隨后在微信群參與課程討論與互動答疑，之后再在Tinkercad平臺驗證設(shè)計方案［6］。我們總結(jié)認(rèn)為，在線上活動中，師生、生生之間的高效互動討論不能單靠問題引導(dǎo)，課前準(zhǔn)備是否充分、課后反思是否到位都是非常關(guān)鍵的，需在對活動內(nèi)容的規(guī)劃與調(diào)整中充分考慮、仔細(xì)落實。本次線上活動使用上海市寶山區(qū)統(tǒng)一在線教學(xué)平臺“教育未來寶”。

三、 設(shè)計實施

（一） 單元內(nèi)容規(guī)劃與調(diào)整

在本環(huán)節(jié)規(guī)劃的活動任務(wù)中，學(xué)生將在前一環(huán)節(jié)制作的船體上搭建控制電路，編寫程序代碼，讓無人艇按要求完成水中行駛的規(guī)定動作。課時安排如表3所示。其中，第1課時—第4課時可采用線上授課方式。

表3 活動環(huán)節(jié)“船體智控：開源硬件”課時安排

（二） 在線教學(xué)設(shè)計與呈現(xiàn)

以第4課時為例，活動任務(wù)為探究“如何改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速”。在本節(jié)課前，學(xué)生已對Arduino有了初步了解，能夠使用Tinkercad搭建LED電路、編寫仿真程序并運行。通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解電機(jī)是怎么轉(zhuǎn)起來的，以及如何改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。本節(jié)課繼續(xù)使用Tinkercad探究直流電機(jī)的調(diào)速原理，掌握利用Arduino軟件編程實現(xiàn)調(diào)速的方法，同時利用Tinkercad的虛擬示波器，結(jié)合微課視頻，讓學(xué)生了解PWM控制技術(shù)。

1. 利用仿真軟件結(jié)合已有知識進(jìn)行回顧導(dǎo)入

本節(jié)課的重點是掌握利用Arduino軟件編程實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的方法，理解代碼analogWrite(pin, 0-255)的使用方法。為此，課前通過學(xué)習(xí)單，先請學(xué)生使用Tinkercad回顧改變電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法，進(jìn)而思考改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法并嘗試。相應(yīng)的活動設(shè)計如表4所示，活動學(xué)習(xí)單如圖2所示。

表4 “回顧導(dǎo)入”環(huán)節(jié)活動設(shè)計

圖2 “回顧導(dǎo)入”環(huán)節(jié)活動學(xué)習(xí)單

2. 利用仿真軟件探究接口電壓變化，突出重點

隨后在學(xué)生已知digitalWrite (pin, HIGH/LOW)語句的基礎(chǔ)上，提問Arduino如何輸出HIGH和LOW中間的電壓值。學(xué)生使用Tinkercad仿真，輔以學(xué)習(xí)單的數(shù)據(jù)記錄，歸納Arduino模擬輸出的物理意義。其中，可能會有個別學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，原因是選擇的引腳不具有PWM功能。此時教師不作如何選擇引腳的事先申明，也不直接告知學(xué)生答案，而是提示學(xué)生觀察自己與他人選擇的引腳的不同，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。相應(yīng)的活動設(shè)計如表5所示，活動學(xué)習(xí)單如圖3所示。

圖3 “Arduino調(diào)速實現(xiàn)”環(huán)節(jié)活動學(xué)習(xí)單

表5 “Arduino調(diào)速實現(xiàn)”環(huán)節(jié)活動設(shè)計

3. 通過微視頻指導(dǎo)、觀察仿真軟件示波器，突破難點

本次活動的難點是理解電機(jī)調(diào)速原理——PWM控制技術(shù)。直接講解PWM知識，學(xué)生會難以理解，因而在這一環(huán)節(jié)教師請學(xué)生使用Tinkercad的虛擬示波器生成PWM波形，然后輔以微課視頻這一數(shù)字化資源，詳細(xì)闡述PWM控制技術(shù)的要點。課后學(xué)生還能反復(fù)觀看微課，或聯(lián)系教師進(jìn)行個別指導(dǎo)。相應(yīng)的活動設(shè)計如表6所示，活動學(xué)習(xí)單如圖4所示。

圖4 “PWM揭秘”環(huán)節(jié)活動學(xué)習(xí)單

表6 “PWM揭秘”環(huán)節(jié)活動設(shè)計

本次活動布置的課后實踐是繼續(xù)利用Tinkercad的Arduino模塊編程實現(xiàn)LED呼吸燈的演示效果。一來可以鞏固、遷移本次活動所學(xué)的知識與技能；二來持續(xù)為學(xué)生提供編程實踐機(jī)會，積累編程經(jīng)驗，提升計算思維。另外，考慮到學(xué)生缺乏項目開發(fā)經(jīng)驗，平時少有記錄調(diào)試日志的習(xí)慣，因此通過“學(xué)習(xí)單”引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范研究的支架，關(guān)注學(xué)生的方案落實與實驗規(guī)范等關(guān)鍵技能與規(guī)則意識的形成。

四、 實施成效與實踐反思

本著培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)，回應(yīng)綜合實踐活動課程的價值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問題解決、創(chuàng)意物化的課程目標(biāo)，本次活動以“明確任務(wù)—探究原理—運用實踐—展示評價”為主線開展線上學(xué)習(xí)。活動中希望充分運用各類硬件和軟件資源，在各項環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)多種研究支架，每個知識點、每項技能的引出都是在學(xué)生自主觀察、思考、討論之后，由師生總結(jié)、整理歸納?；顒咏梃b高校的在線教學(xué)經(jīng)驗，為了營造線上互動、討論的學(xué)習(xí)氛圍，課前做好充分準(zhǔn)備。比如，教師提前發(fā)布活動學(xué)習(xí)單，學(xué)生能夠明確任務(wù)，并且通過課前實驗啟發(fā)思維，課上直接開始交流分享，隨后根據(jù)教師引導(dǎo)繼續(xù)深度學(xué)習(xí)。對于本次活動的難點——對PWM控制技術(shù)的理解，教師不占用課上過多時間集中講解，而采取先實驗鋪墊，后播放微課的方式，以滿足學(xué)生的個性化需求。

本次活動旨在讓學(xué)生通過動手實驗了解電機(jī)調(diào)速原理，理解并掌握利用Arduino編程實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的方法，課時安排上偏重基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。因此，活動評價以學(xué)生習(xí)得相應(yīng)的知識與技能為主要考查目標(biāo)，評價量表如表7所示。

表7 活動評價量表

本次活動從學(xué)生的“學(xué)習(xí)單”電子稿和課后實踐反饋來看，基本達(dá)到活動目標(biāo)，說明利用虛擬仿真技術(shù)支持在線開源硬件項目活動是可操作的，而且如前文所述，電路仿真也有其優(yōu)勢。為了今后更好地開展相關(guān)混合式教學(xué)，對于虛擬仿真技術(shù)在開源硬件在線教學(xué)活動中的實踐，我們也作了如下反思：

第一，虛擬仿真技術(shù)適合開源硬件的入門環(huán)節(jié)教學(xué)，虛擬仿真在無風(fēng)險狀態(tài)下的電路搭建便于學(xué)生試錯，在混合式學(xué)習(xí)中結(jié)合實物演示效果更佳。

第二，虛擬仿真技術(shù)支持開源硬件教學(xué)可在多個教學(xué)環(huán)節(jié)中實施，如初中電路知識的導(dǎo)入、探究性的實驗與數(shù)據(jù)分析，以及重難點理論的驗證性實驗等。此外，還可抓住學(xué)生在活動過程中靈光乍現(xiàn)的想法，開展學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的個性化指導(dǎo)。

第三，獨立的線上和線下教學(xué)各有利弊，如何在本次聚焦線上課程的設(shè)計與實施后，進(jìn)一步考慮完善線上線下的融合教學(xué)，還需進(jìn)一步探索與實踐。