“自制環境監測裝置”項目教學實踐

楊志亞

【摘 要】在中小學開展開源硬件項目設計教學，培養學生利用信息技術解決問題和創新設計的意識與能力。這既是國家對創新人才培養的要求，也是培養創新人才的有效途徑。本研究以自制環境監測裝置為例，闡述如何利用掌控板開展開源硬件項目教學。

【關鍵詞】開源硬件;項目教學;學生學科核心素養;教學設計

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2020）09-066-04

創新能力培養是當前教育的重中之重。2016 年 9 月《中國學生發展核心素養》正式發布，以“全面發展的人”為核心，綜合表現為學會學習、科學精神、實踐創新等六大核心素養[1]?！督逃畔⒒笆濉币巹潯芬?，提升學生的創新意識、信息素養，培養高素質人才[2]。在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》中，特別強調以能力為重，提升學生的探索與創新精神，以及在解決問題方面的實踐能力，促成學習型社會的戰略目標，綱要中提到未來十年，將創新型人才的培養作為教育改革的重點[3]。如何在信息技術學科教學中培養學生的創新能力與問題解決能力？2017版高中信息技術新課標中增加了“開源硬件項目設計”模塊，作為高中信息技術課程的選擇性必修模塊之一，為信息技術學科培養學生的創新能力找到了落腳點。課標[4]建議，新知識的學習要以實例為依托，引導學生掌握學習內容，鼓勵學生的創新性應用，在活動過程中應把大部分時間留給學生去探索，通過多次迭代的過程完善項目設計，適時跟蹤學生完成項目的過程，及時給予知識指導和問題解決思路的指導。本研究以“自制環境監測裝置”項目為例，闡述如何利用掌控板這個載體開展教學。

相關概念與平臺介紹

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計的計算機和電子硬件。開源硬件并不僅僅是硬件設計方法的開放，而且體現了一種開放的創新理念。開源硬件的設計者通常會將設計資料對外公布，主要如材料清單、電路圖、電路板布局數據以及驅動開源硬件的軟件開發工具包等。每一種開源硬件平臺都有自身的優勢和劣勢，根據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，通過數據線、藍牙通信、WiFi可以與計算機進行通信。

2.掌控板及拓展板

掌控板是一款基于ESP32的開發板，集多種傳感器、感應器于一身，支持WiFi和藍牙雙模通信，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、數字光線傳感器、蜂鳴器、按鍵開關、觸摸開關、金手指外部拓展接口，通過MicroUSB接口進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，可以實現物聯網應用、DIY創意作品以及智能控制類應用。

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。

上課睡覺現象在中學校園里時有發生。這一現象直接影響了學生的上課效率，還影響了教師的上課熱情。相關研究表明，環境是影響學習效率一個很重要的因素?！白灾骗h境監測裝置”項目是以這一真實問題為載體圍繞學科核心概念，以落實學生學科核心素養為目標，以STEAM教育理念為指導，讓學生經歷“提出想法→設計系統解決方案→利用開源硬件實現解決方案”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測裝置，體驗研究和創造的樂趣，培養利用信息技術解決問題和創新設計的意識和能力。提升學生的信息素養、創新意識和創新能力，促進學生的全面發展。

1.教學基本情況

（1）學生學科核心素養。通過自制環境監測裝置，學生能搜索并利用開源硬件及相關資料，體驗作品的創意、設計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創新能力。

（2）教學內容。能利用各種材料、開源硬件與軟件實現所設計的項目方案，能利用開源硬件的設計工具、編程語言實現外部數據的輸入、處理，利用輸出數據驅動執行裝置的運行。

（3）學情分析。學生已經學習了“Python語言程序設計及基礎算法”，具備一定的編程基礎。此外，高一學生有數學、物理、化學等學科知識基礎，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）教學目標。能根據設計的方案，選擇恰當的電子器材，借助掌控板開發平臺，設計算法，編寫程序實現系統功能;選擇合適的材料和工具，進行工程搭建，實現項目模型;通過項目實踐，體驗項目的創意、設計、制作、調試、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。

（5）教學重難點。教學重點：根據設計方案，選擇恰當的電子器材，借助掌控板開發平臺，設計算法，編寫程序實現系統功能;體驗課題研究及項目實踐的過程。教學難點：制定設計方案;搭建工程結構，實現項目原型。

2.教學活動設計

本課程以項目為主線構建教學模式，讓學生經歷“提出項目-分析項目-利用開源硬件實現項目-優化項目”的學習過程，目的是讓學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計的模式有整體把握。

（1）情境導入

創設情境：學習效率真的只和自身有關？有研究表明，當二氧化碳在1000ppm以上時，空氣中二氧化碳濃度越高，人的學習、工作效率越低，作業錯誤率越高。當空氣中含氧量下降，二氧化碳上升，會使腦細胞進行生命活動所需要的氧氣供應得不到保證，因而大腦的功能會減弱，時間一長，學習效率自然下降。

提出問題：如何破解缺氧問題？

引出本次項目：自制環境監測裝置。

學生根據教師引導，明確項目主題，對項目產生興趣。

（2）項目分析

教師展示生活中的環境監測，引出本次項目的主要工具：DHT11數字溫濕度傳感器、電容式土壤濕度傳感器、CCS811二氧化碳和TVOC傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器是一種高性價比的、帶有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。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，可以利用內置的金屬氧化物傳感器、微熱板技術，檢測空氣中的二氧化碳含量和TVOC總有機揮發物含量。

學生思考傳感器的功能應該如何設置。自學微視頻，學生討論交流，回答教師問題。

（3）項目實現

項目功能分解為任務，通過系列微課講解知識點。

學生學習微課：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，進行結構搭建與代碼編寫。

首先是結構搭建。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空氣質量傳感器模塊、SEN-0193土壤濕度傳感器。教師引導學生觀察不同傳感器的構件，進行講解。演示掌控拓展版的使用方法，連接引腳的方法。

學生觀察有不同傳感器模塊的構件，根據清單和教師演示，嘗試線路連接，如圖1所示。

其次是程序設計。

①掌控板連接電容式土壤濕度傳感器

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

學生使用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

教師需要講解的內容：CCS811庫;CCS811庫的功能;掌控板與CCS811測試。

學生根據教師的講解，對CCS811傳感器實現的功能進行代碼編寫。教師巡視，對存在問題的學生進行指導，觀察學生整體狀況。

③掌控板連接DHT11讀取空氣溫濕度

教師需要講解的內容：函數;模塊化程序設計;多個組件的組合編程。

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

（4）測試與優化

學生完成全部程序設計后，把程序下載到掌控板上測試程序。教師觀察學生操作，引導學生根據程序的運行情況，調試并優化程序。學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）拓展與優化

教師觀察學生完成情況，針對完成效率高的小組提出進階要求：制作個性化的監測裝置，如添加時鐘功能。教師提示嘗試己經學習過的其他組件。學生進行自由創作，小組共同完成作品。

（6）評價與總結

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

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

總結與反思

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

參考文獻

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胡瑞文.《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》主要精神解讀與熱點、難點探析[J]. 中國高等教育評估，2010（2）： 3-10.

中華人民共和國教育部. 普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017 年版） [M]. 北京： 人民教育出版社，2017.