用項目制教學開展“開源硬件”教學設計

辛昕，楊超，趙世祥

1.天津市河東區智德培訓學校；2.天津德運通科技有限公司；3.天津科技大學

一、項目制教學對學生的益處

有一位擔任科學課教學的張老師，她的學生在周五的測驗中成績不錯，但周六早上，學生們就把學過的知識忘掉了。張老師決定試一試“項目制教學”。她嘗試的第一個項目主題是微生物。這段時間，班里很多孩子都感冒了，她問學生，為什么這么多的同生生病？這個與生活息息相關的問題，引起了學生極大的興趣，他們提出了很多問題，還列出了一個想知道的清單。這時，張老師宣布，我們開展的項目就是“如何讓低年級的小朋友知道怎么才能不生病？”大家開始組建小組，自行決定研究項目，然后又開展調查研究，進行團隊協作和相互反饋，還要找到最佳的闡述方式闡明自己的觀點—畢竟是講給低年級小朋友聽的，得形象生動，最后形成作品。有的小組做了一個教育視頻，內容是洗手與避免感冒的關系；有的小組做了一張海報，展示病菌是如何傳播的每個小組都參加了給低年級同生講解的研究成果公開展示會。毫無疑問，項目非常成功。這節課沒有讓學生死記硬背任何知識點，但同學們卻對如何阻止病毒、細菌的傳播記憶深刻。在展示會接近尾聲時，張老師宣布，今天所有人都是明星，未來缺乏的就是這樣的人才。

從這個案例中，我們不難發現，項目制教學對學生的益處。

首先，項目制教學立足解決問題；其次，其倡導各學科的融合。病毒傳播的途徑，這是科學和生物學科；電子繪圖、視頻制作等，用到了信息技術的知識；畢竟是講給低齡小朋友的，我們需要組織精煉語言，生動形象，這里用到了語文的知識；最后，配色、配樂、版面設計等，也離不開美育方面的知識。項目制學習還會提升學生的各種能力：如綜合分析、歸納總結、知識遷移、聯想創新能力等。而這些能力是學生18項核心素養中所要求的，要想成為全面發展的人，項目制教學起到了非常好的促進作用。

二、項目制教學開展“開源硬件”教學設計

（一）各項儲備

首先，成立研究小組，然后給小組起個名字，接著起草小組協議并明確人員分工，最后是協議保存。如果是在現場實際教學，這個部分我會讓學生親自參與，組內討論后形成，有一個相對正式的儀式。為什么要這樣呢？因為項目制教學會持續半個學期或一個學期，這也是項目制教學和常見的問題式教學的區別：問題式教學時間較短，問題較簡單、通常只涉及一個學科；而項目制教學，時間較長，會有一個相對真實的背景或情境，是一個相對復雜、需要運用跨學科知識去解決問題的相對完整的系統。既然是這樣，就必須有一些約束條件，避免后期學生出現爭議。

（二）選題，明確任務

關于選題的原則，我個人的意見為遵循以下原則：

（1）有挑戰的探究性問題；（2）貼近生活，解決生活的實際問題；

（3）有可呈現的實物作品；

（4）可以針對不同年齡的孩子采取不同的方式，比如低年齡孩子，我們可以把選題設計成半開放式的，這樣相對更加容易。

選題時可以運用的小工具—思維導圖。首先，拿一張紙，在紙的正中央，寫上選題的關鍵詞—“開源硬件項目制教學的選題”。接下來在關鍵詞的周圍劃分分支，可以劃分成輸入、輸出、地點和行為四個分支。輸入端就是常見的傳感器：比如超聲波傳感器、光線傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。輸出端：比如LED燈、馬達、舵機、喇叭等。地點可以按照戶外、室內劃分，再進一步向下擴充為家、教室、社區、操場等等。行為可以有學習、游戲、工作、吃飯、看電影等等。例如，在家里，學習的時候，當書桌上的燈光打開時，證明有人了，溫度升高到一定溫度，說明比較熱需要降溫了，這時，自動轉動馬達，帶動風扇轉動。這就是一款自動送風裝置。屬于智能家居的范疇。（見圖1）

很顯然，不同的器材套裝，輸入輸出模塊有可能不一樣，那我們如何選擇器材呢？選擇器材，有如下幾個原則：

（1）有合適的教學資料，便于開展教學；

（2）可以參加官方賽事，有合適的出口；

（3）便于進行結構拓展，特別是對于年齡較低且對結構不太熟悉的學生，如果器材可以和一些積木件兼容，就省去了結構設計的環節；

（4）性價比高、損壞率低。

經過綜合考量，本文選用的是由中鳴公司設計生產的人工智能科普資源包。（見圖2）

圖2 人工智能資源普及包

下面假設已經拿到這款器材，首先進行選題環節，我們可以把選題做成半開放式的，設定為“智能家居主題”。老師們可以嘗試著用剛才介紹過的思維導圖做一個選題，選出2-3個題目，并寫出擬實現的功能和擬采用的電子元件。如果在實際教學中，會讓學生做完這個工作后進行說明，并讓其他組的學生進行質疑和投票。這個過程一方面鍛煉了其學生的語言表達能力；另一方面，也鍛煉了批判思維。在別人質疑的過程，學生會想，原來別人是這么看待這個問題的，我的想法還有哪些不足，如何去改進。

通過這個過程，大家是否意識到了，要想進行項目制的教學，孩子需要其有一定的基礎和技術儲備：比如他要了解有哪些傳感器，這些電子元件的功能是什么，要不然是無法進行這個過程的。當然，學生的發散思維和創新能力也是需要培養的，要不然他都不知道如何提問題。

所以，在選題之前的各項儲備。既需要包含組織儲備，又需要包含技能儲備和能力儲備。所以，第一階段的課程，也會以項目制的形式開展，介紹各種電子元件，熟悉它們的功能和編程邏輯。同時，創新意識也是需要培養的。第一階段，在每次課之后，都會利用思維導圖對學生進行發散思維的培養。

比如在光線傳感器這個模塊，學習過后，會讓學生畫思維導圖，光線傳感器的使用場景是什么？夜晚或是光線發生變化的場景。為什么在夜晚需要使用光線傳感器？一是節能，二是方便。光線傳感器的功能有哪些？可以偵測光線。哪些地方會出現光線的變化？日出日落、衣柜、廁所、樓道都適用。通過這種方式提升學生聯想能力、激發學生創新思維。（見圖3）

圖3 運用思維導圖進行學生發散思維訓練

第一階段，大約5次課，10個學時，也可以再進行設計，那就看老師們自己的理解了。

（三）收集資料，提出需求

然后是選題，接下來是收集資料。目前所選題目的現狀和問題是什么？想要實現的功能，準備采用的電子元件是什么？在2-3個備選題目中經過篩選確定題目，然后，完成需求表的制作。在制作需求表時，需要老師熟悉電子元件功能，可以幫助孩子找到實現途徑。對常用的機械結構進行講解，方便學生選擇。最后，形成使用手冊、輔助教材和學生學習手冊。也就是在整個過程記錄學生的思維發展。

（四）學生的分工協同具體實施，老師的點撥引導技術支持

再接下來是學生的分工協同、具體實施，老師的點撥引導、技術支持。這個環節會反復進行幾次，也是整個過程中最重要的一個環節。先是搭建，再是編程。

（五）展示成果、修正完善

成品后，進行展示。小組成員做出ppt，進行項目講解，其余各組進行提問。提問后小組不是必須回答，可以選擇一些問題進行回答。這同樣鍛煉了學生的批判思維，為什么我提出的問題別人不回答，什么樣的問題才是別人關心的？

三、項目制教學開展“開源硬件”教學體系

最后制作文檔，完成提交。整體上形成了邏輯閉環。也形成了完整的“人工智能課程體系”。（見表1）

表1 人工智能課程體系