開源硬件支持下的中學(xué)信息技術(shù)拓展課的實(shí)踐研究
——以《基于Arduino 和雨滴傳感器的智能窗戶》為例

江蘇省太倉市沙溪鎮(zhèn)岳王學(xué)校 梅禮龍

一、引言

隨著新一輪的課改不斷深入，新課程所倡導(dǎo)的“自主、合作、探究”的理念已經(jīng)深入人心。最新的課程指導(dǎo)綱要也對義務(wù)教育階段的信息技術(shù)課程目標(biāo)做出了明確的要求，要為培養(yǎng)創(chuàng)造性人才打基礎(chǔ)。隨著創(chuàng)客空間的普及和發(fā)展，這一股“春風(fēng)“也吹進(jìn)了信息技術(shù)教育教學(xué)中，由于信息技術(shù)學(xué)科本身的技術(shù)屬性，在中學(xué)信息技術(shù)課程中開展創(chuàng)客教育有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

二、當(dāng)前中學(xué)信息技術(shù)教育的現(xiàn)狀分析

（一）信息技術(shù)的課程性質(zhì)強(qiáng)調(diào)對學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)

信息技術(shù)課程是一門綜合性比較強(qiáng)的課程，涉及通信技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，與科技、邏輯、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科都有聯(lián)系。故在信息技術(shù)課程內(nèi)容的設(shè)置上，特別是中學(xué)階段，學(xué)生有了一些數(shù)學(xué)知識(shí)和電子知識(shí)的基礎(chǔ)，我們應(yīng)該有意識(shí)地在信息技術(shù)課程上將這些跨學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)融合起來，讓學(xué)生學(xué)以致用，形成良性循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育。

（二）當(dāng)前中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中的拓展部分開展較難

《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要（2017 年修訂）》對中學(xué)信息技術(shù)課程內(nèi)容的拓展部分進(jìn)行了明確的說明，主要分為程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這三大部分。這三大部分，不管是哪一部分，真正實(shí)施起來都比較難，在硬件設(shè)置、人員培訓(xùn)、技術(shù)支持等方面，可以說是少之又少。

所以，在現(xiàn)有條件下，構(gòu)建一種學(xué)校投入小、教師易開展、學(xué)生感興趣的課程開展模式，就顯得尤為重要。

三、在中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中開展創(chuàng)客教育的必要性

創(chuàng)客教育是依托創(chuàng)客空間，有目的、有系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神（激發(fā)創(chuàng)意）、創(chuàng)造能力（學(xué)會(huì)創(chuàng)作）和共享意識(shí)（主動(dòng)分享）的過程。創(chuàng)客教育是近幾年來比較流行的教育理念，非常注重學(xué)科融合和實(shí)踐創(chuàng)新，是當(dāng)前教育改革的大勢所趨。

（一）信息技術(shù)課程性質(zhì)與創(chuàng)客教育的理念關(guān)系緊密

創(chuàng)客教育集從做中學(xué)、創(chuàng)新教育、體驗(yàn)教育、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等理念和思想為一體。在國內(nèi)中學(xué)現(xiàn)有的課程體系下，信息技術(shù)課程應(yīng)該是最適合用來開展創(chuàng)客教育了。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)還有物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等等都是中學(xué)信息技術(shù)課程中所要了解的內(nèi)容，以信息技術(shù)課程為基礎(chǔ)，進(jìn)行創(chuàng)客教育事半功倍。反過來，創(chuàng)客教育也能影響信息技術(shù)課程的教學(xué)。創(chuàng)新實(shí)踐的需求會(huì)強(qiáng)化學(xué)生對信息技術(shù)課程內(nèi)容的了解。

（二）中學(xué)信息技術(shù)課程發(fā)展需要緊跟潮流

時(shí)代在發(fā)展，技術(shù)在發(fā)展，信息技術(shù)作為一門與社會(huì)技術(shù)發(fā)展緊密聯(lián)系的課程，很多理念和課程內(nèi)容必須要緊跟時(shí)代潮流，不能局限于課本上的一些知識(shí)點(diǎn)，需要對課程內(nèi)容進(jìn)行拓展和延伸，讓學(xué)生了解各種學(xué)科前沿知識(shí)和學(xué)習(xí)理念。只有這樣，我們的學(xué)生才能適應(yīng)新時(shí)代的變化，掌握在21 世紀(jì)生活的基本技能，成為新世紀(jì)的掌舵人。

四、Arduino 和Mixly 的介紹及實(shí)踐意義

（一）什么是Arduino？

Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。包含硬件（各種型號(hào)的Arduino 板）和軟件（Arduino IDE)，非常適合中學(xué)階段的孩子使用。

Mixly 是一款由北京師范大學(xué)傅騫教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的面向Arduino 開發(fā)的圖形化編程工具，有著方便、易于學(xué)習(xí)的特點(diǎn)；Arduino 的硬件價(jià)格便宜，擴(kuò)展性好，使用面廣。一個(gè)是開源編程軟件，一個(gè)是開源硬件平臺(tái)，將兩者結(jié)合起來，既能動(dòng)腦編程，又能動(dòng)手連接互動(dòng)媒體，可以實(shí)現(xiàn)很多有趣的想法。

（二）實(shí)踐意義

易于開展當(dāng)前創(chuàng)客教育的內(nèi)容五花八門，像3D 打印、航空模型、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等，大部分都對學(xué)校的資金投入的依賴性很大。但是采用Arduino+Mixly 來實(shí)施，就容易得多，特別是一些偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村學(xué)校，只需要在原來網(wǎng)絡(luò)教室的基礎(chǔ)上，添加幾件價(jià)格低廉的Arduino 入門套件，就可以開展，而且學(xué)生不需要多少的編程知識(shí)和電子技術(shù)知識(shí)就能做出很多有意思的作品。

五、實(shí)施方法與過程

（一）創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生參與課堂

借助PBL 教學(xué)法、創(chuàng)客教學(xué)理念，以項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)來開展課堂教學(xué)。首先創(chuàng)設(shè)一個(gè)情景，然后再設(shè)計(jì)幾個(gè)具體的問題，讓學(xué)生來思考問題的解決方法，能很好地激發(fā)學(xué)生參與課堂的熱情。這里的情境創(chuàng)設(shè)非常關(guān)鍵，一定要基于學(xué)生真實(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生有代入感，這樣學(xué)生就會(huì)主動(dòng)去思考。以《基于Arduino 和雨滴傳感器的智能窗戶》一課為例。

創(chuàng)設(shè)情境：最近小明家在裝修。裝修好了后，爸爸媽媽經(jīng)常需要去新家開窗通風(fēng)，若遇到下雨天非常不方便，因?yàn)楝F(xiàn)在住的地方離新家隔得比較遠(yuǎn)。能不能設(shè)計(jì)一個(gè)智能窗戶，自動(dòng)檢測是否下雨，下雨就關(guān)窗，不下雨就開窗。

（二）講解知識(shí)點(diǎn)，了解其中的科學(xué)原理

一切的科技創(chuàng)作，都不是憑空想象出來的，都是基于一些理論知識(shí)進(jìn)行的再創(chuàng)造。

所以在課程開展之前，有必要先給學(xué)生講授一些必要的基本知識(shí)，比如什么是傳感器？然后，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目引導(dǎo)、小組合作等開展課堂，讓學(xué)生帶著問題去思考，將創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，體會(huì)成功的喜悅。比如，先給學(xué)生展示一些很好的創(chuàng)意，然后和學(xué)生一起分析這個(gè)作品是怎樣實(shí)現(xiàn)的，最后問“你有什么好的想法可以改進(jìn)它”？創(chuàng)作絕對不是簡單的模仿。這些活動(dòng)，都需要教師提前設(shè)計(jì)好。

它的科學(xué)原理：智能窗戶就是物聯(lián)網(wǎng)原理的簡單應(yīng)用，主要用到開源硬件Arduino 控制板、雨滴傳感器、舵機(jī)。利用開源硬件Arduino 作為控制器，編寫程序、利用舵機(jī)來控制窗戶的開關(guān)，雨滴傳感器來感應(yīng)是否下雨。

（三）小組合作、將創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)

下雨檢測：雨滴傳感器放在戶外，當(dāng)雨滴落下并碰到雨滴傳感器后（下雨），雨滴傳感器的數(shù)字端口傳回一個(gè)低電平信號(hào)0 到Arduino 控制板中，此時(shí)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)90 度（逆時(shí)針）。實(shí)現(xiàn)關(guān)窗。雨停了，雨滴傳感器上雨流掉后（天晴），雨滴傳感器的數(shù)字端口傳回一個(gè)高電平信號(hào)1 到Arduino控制板中。此時(shí)逆時(shí)針舵機(jī)旋轉(zhuǎn)-90度（順時(shí)針），實(shí)現(xiàn)開窗。雨滴感應(yīng)器接Arduino 控制板數(shù)字管腳3，舵機(jī)接數(shù)字管腳2。

遙控器控制：Arduino 控制板上連上紅外遙控接收端，可通過遙控器發(fā)射設(shè)置好的信號(hào)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開關(guān)。遙控器上每一個(gè)鍵對應(yīng)一個(gè)值，如：16754775，對應(yīng)“啟動(dòng)鍵”，按下關(guān)窗，16753245對應(yīng)“關(guān)閉鍵”，按下開窗。

手機(jī)控制：手機(jī)通過藍(lán)牙和Arduino相連接，然后在手機(jī)上安裝藍(lán)牙串口app，通過藍(lán)牙串口app 發(fā)送信號(hào)，控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開關(guān)。當(dāng)手機(jī)發(fā)送字符“a”，通過Arduino 板向舵機(jī)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)關(guān)窗，發(fā)送字符“b”，實(shí)現(xiàn)開窗。

（四）成功作品分享

最后，每個(gè)小組派代表，分別上臺(tái)進(jìn)行成果展示，從科學(xué)原理、所用器材、搭建過程、遇到的問題等環(huán)節(jié)分享自己的學(xué)習(xí)成果，并回答其他小組提出的問題。最后，各小組對自己的作品進(jìn)行一個(gè)反思和改進(jìn)。

六、總結(jié)與思考

在中學(xué)信息技術(shù)課程中引入開源硬件，極大地豐富了課程內(nèi)容，用生動(dòng)有趣的實(shí)例來引導(dǎo)學(xué)生參與課堂，體驗(yàn)科技改變生活，從源頭上改變“學(xué)生喜歡電腦，但不喜歡信息技術(shù)課”的局面。但在實(shí)際開展中，還是受到諸多因素的影響，如中學(xué)信息技術(shù)課時(shí)有限、資金投入少、器材短缺、評價(jià)機(jī)制不完善、教師水平有限等，我們可以開發(fā)校本課程，在校興趣活動(dòng)課中加以補(bǔ)充，帶領(lǐng)學(xué)生參加科技發(fā)明類的比賽，讓學(xué)生充分體驗(yàn)創(chuàng)造的樂趣，提升自身的科學(xué)素養(yǎng)，成為人工智能時(shí)代的弄潮兒。