淺議“開源硬件項目設計”的教學實施

摘 要：本文根據《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中的“開源硬件項目設計”模塊內容，以設計制作“自制輸液自動報警裝置”案例為例，對該模塊內容的教學實施進行了探討，旨在通過具體的項目實施，讓學生在參與完成項目的過程中體會到創新的樂趣，形成利用所學知識解決實際問題的意識，進而使學生的信息技術核心素養得到提升。

關鍵詞：信息技術;項目設計;教學策略

中圖分類號：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-624X（2021）24-0056-02

引 言

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出，高中信息技術課程的根本目標是全面提升全體高中生的信息素養，而信息技術的核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素組成。根據這一要求，《課程標準》對高中信息技術課程進行了重新設置，包含必修、選擇性必修和選修三類課程。其中，選擇性必修課程中的“開源硬件項目設計”模塊是為了發展學生的個性特征而設計的課程，并且其課程修習情況將列入綜合素質評價中[1]。

本文將結合“自制輸液自動報警裝置”這一案例，對如何開展“開源硬件項目設計”模塊內容的教學進行探討。

一、案例緣起

（一）社會發展的需要

眾所周知，醫院的輸液室往往是人員比較密集的地方，經常座無虛席，甚至有的人只能在過道等地方進行輸液。而和病人扎堆的現象相反的是，輸液室的醫護人員卻相對較少，這就存在一個很現實的問題：較少的醫護人員，要及時發現每個患者的輸液情況，以及哪個病人什么時候輸完，這是一項很繁重的工作。有很多病人因為病情的影響，往往不能隨時關注自己的輸液情況。如果輸液完成但沒有及時拔掉針頭，就會發生血液倒流進輸液瓶的危險情況，所以及時結束輸液是很重要的一項工作。

有沒有辦法在輸液即將完成時能夠自動提醒呢？這樣就可以在確保病人生命安全的同時，適當減輕醫務人員的工作。

（二）《課程標準》的要求

高中信息技術課程由必修、選擇性必修和選修三類課程組成，而選擇性必修是對必修課程的拓展與深化，可以滿足學生的升學和個性化發展的需求，其中就包含了“開源硬件項目設計”模塊。該模塊設置的內容有利于激發學生的創新興趣，使學生的動手實踐能力得到培養，同時也可以將STEAM教育理念融入信息技術課程中[2]。

鑒于以上原因，我們擬通過“自制輸液自動報警裝置”案例，對高中信息技術新課程中的“開源硬件項目設計”內容的教學模式進行探討。該裝置的主要功能是，在輸液即將完成時，能自動報警，提醒患者和醫務人員。通過該案例的學習，學生能夠培養信息意識、計算思維及數字化學習與創新等核心素養，并提升信息社會責任素養。

二、案例學習目標

本案例是以現實生活事例為真實情境的跨學科項目式學習，也是以問題解決為導向的探究式學習。本案例將引導學生從人文及科學并重的角度去觀察問題、思考問題，體會并剖析社會現象中所蘊含的真實問題及其價值。通過參與案例的實施，學生能夠培養愛國主義情懷、社會主義核心價值觀、科學精神和態度等正確的價值觀，增強對自然和生命的敬畏感。同時，通過對該案例的學習，學生會思考自己在解決社會實際問題中的社會責任，在真實問題的研究中主動去承擔社會責任，培養信息社會責任素養。

針對遇到的實際問題，學生通過查找資料，能搜索并利用開源硬件及相關傳感器，體驗作品的創意、設計、制作、測試、運行的整個過程，初步形成以信息技術學科為主的觀察事物和解決問題的能力，并提升計算思維與創新能力。學生通過參與本案例的設計制作，可以達到增強信息意識，培養計算思維能力，提升信息社會責任意識，以及提升信息技術學科核心素養的目標。

三、案例分析論證

“輸液自動報警裝置”是為了實現當藥液快輸完時，能夠自動提醒病人及醫護人員及時進行處理。鑒于該設備的特殊性，所用設備不能接觸到藥液，否則會造成污染，從而危害到病人的生命安全。根據這一預期目標，我們對完成該案例需解決的幾個問題及大致解決方案進行了歸納，如表1所示。

只有完成了以上幾個問題，“輸液自動報警裝置”才有實際使用價值。所以在項目真正開始實施前，我們必須對上述需求進行逐一論證。另外，僅僅準備好硬件（見圖1）還不行，還必須配上相應的軟件，才能實現預期的目標。

經過比較，我們選擇了mBlock編程軟件。這是一款能夠兼容Arduino板的軟件，且使用模塊化編程，直觀易懂，便于學生理解。同時，該軟件還有“說”的功能，可以將傳感器檢測到的值直接顯示出來，更便于調試程序。

四、案例實施過程

（一）連接液位傳感器

因為液位傳感器測到的值會根據檢測物體的不同而實時發生變化，且它會根據檢測到的值的不同來判斷藥瓶里面有沒有藥液，所以應該將其接在模擬口。那么檢測到的值是多少時表示有藥液或沒有藥液呢？為了解決這個問題，我們需要在程序中用到“說”的功能，即當傳感器位于不同位置時，可以將測到的值“說”出來。經過測試，發現藥瓶里有藥液時，檢測到的值約為1000;而當藥瓶里沒有藥液時，檢測到的值約為0。根據這個結果，我們將500設為閾值，當檢測到的值大于500時表示有藥液，反之則表示沒有藥液。

（二）連接發光二極管

發光二極管的作用是當藥瓶里沒有藥液時，通過發出亮光來提醒患者和醫護人員及時處理。因為當處于高電平時，發光二極管會發光，而處于低電平時，發光二極管是不會發光的，所以只要將其接在數字口即可，這可以通過程序的分支結構來實現。

（三）連接無源喇叭

無源喇叭的作用和工作原理與發光二極管類似，所以也可以接在某個數字口上。

通過下面的三個步驟，基本能夠達到預期效果，程序如圖2所示，具體接線方式：液位傳感器接模擬3號口;無源蜂鳴器接數字2號口;發光二極管接數字6號口。

經過實際檢測，教師可以引導學生提出改進意見：如果輸液將完成、已經發出聲光報警，而患者或醫護人員又沒有及時進行處理，就要加大報警的力度。如何實現呢？經過討論、測試，我們將程序進行了改進，最終實現了這一功能：當已經報警但是沒有及時進行處理時，報警聲會越來越急促、音調也會越來越高，以提醒醫護人員馬上進行處理，程序如圖3所示。

至此，“輸液自動報警裝置”基本完成，且通過了測試，對于不同成分的液體（礦泉水、膠水、洗潔精），不同材質顏色的藥瓶（透明、不透明、黑色），都可以準確地進行檢測。

五、案例反思

通過參與“輸液自動報警裝置”的整個制作過程，學生親身經歷了作品的創意、設計、制作、調試及完善的整個過程，體驗到了創新設計的樂趣，初步形成了利用信息技術學科知識去發現問題、解決問題的思維模式，也提升了計算思維和創新能力。同時，學生對“開源硬件進行項目設計”的一般流程有了一定的了解，并能將其應用于實際項目中。

結? ? 語

隨著案例實施過程的推進，學生能夠在信息技術環境下綜合利用STEAM教學理念，理解利用信息技術解決問題的基本思路與方法，認識到數字化工具在現實問題解決過程中的價值與作用，同時提升信息意識和數字化學習與創新的信息素養。

[參考文獻]

樊磊，吳俊杰.高中新課標“開源硬件項目設計”模塊：課程實施與實驗室建設[J].中國信息技術教育，2018（22）：4-8.

連玉麗.新課標下的初中信息技術課教學創新研究[J].中學課程輔導（教師通訊），2017（01）：26.

作者簡介：金松（1970.3—），男，浙江麗水人，中學高級教師。