基于開源硬件的項(xiàng)目式教學(xué)

劉佳宜 楊琳玲

【摘 要】本文以智能火情警報裝置的開發(fā)為例，闡述如何在初中信息技術(shù)課堂中開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，利用開源硬件解決生活中實(shí)際問題，增強(qiáng)學(xué)生的計算思維。

【關(guān)鍵詞】計算思維;開源硬件;項(xiàng)目式教學(xué);教學(xué)案例

【中圖分類號】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）01-054-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》指出，信息技術(shù)課程要以提升學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)。計算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面。任友群教授建議采用基于項(xiàng)目的策略來提升學(xué)生的計算思維能力[1]。筆者參考北京市義務(wù)教育課程改革實(shí)驗(yàn)教材《信息技術(shù)》第6冊第九章“智能處理與編程”第七節(jié)“分支結(jié)構(gòu)”，設(shè)計了共2課時的微型項(xiàng)目式教學(xué)——“智能火情警報裝置的開發(fā)”。本文以項(xiàng)目第一課時教學(xué)為例，闡述在信息技術(shù)課堂中如何利用開源硬件解決生活實(shí)際問題，以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

學(xué)情分析和教學(xué)目標(biāo)

本項(xiàng)目授課對象為初一年級學(xué)生，他們正處于皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段中具體運(yùn)算向形式運(yùn)算階段轉(zhuǎn)變的時期。學(xué)生可以嘗試有條理地表達(dá)一個過程或者規(guī)則，這為培養(yǎng)其計算思維創(chuàng)造了條件。學(xué)生曾體驗(yàn)過連接micro：bit開發(fā)板和簡單傳感器（雙色LED燈、蜂鳴器等），同時也會使用micro：bit開發(fā)板的圖塊化編程平臺MakeCode。

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)既包括學(xué)生計算機(jī)科學(xué)概念掌握，也包括高階思維能力培養(yǎng)與德育教育。學(xué)生通過體驗(yàn)智能火情警報裝置“創(chuàng)意→設(shè)計→制作→測試→運(yùn)行”的迭代開發(fā)過程，理解分支結(jié)構(gòu)的概念與組成，探究關(guān)系運(yùn)算條件表達(dá)式及其圖塊化編程;學(xué)生小組合作抽象具體生活問題本質(zhì)，借助計算機(jī)、傳感器技術(shù)生成自動化創(chuàng)意解決方案并產(chǎn)出項(xiàng)目成果，促進(jìn)思維遷移，提升計算思維能力;在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神的同時，增強(qiáng)其安全用火、生命至上的意識。

教學(xué)重點(diǎn)是通過探究任務(wù)——“火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值在不同環(huán)境狀態(tài)下的變化”，深化理解“關(guān)系運(yùn)算條件表達(dá)式”。教學(xué)難點(diǎn)是動手搭建硬件，完成項(xiàng)目原型，這考驗(yàn)了學(xué)生的知識運(yùn)用與動手能力。

教學(xué)策略與支持資源

本節(jié)課主要采用基于項(xiàng)目的教學(xué)策略，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體的探究，學(xué)生在解決真實(shí)問題的過程中掌握知識、提升能力與思維品質(zhì)，從做中學(xué)，突出學(xué)習(xí)的過程性和實(shí)踐性[2]。借助智能手機(jī)、希沃白板和極域等工具與技術(shù)完成課堂互動和生成性成果記錄;采取兩人一組的合作探究模式，并給予學(xué)習(xí)單支持。

教學(xué)過程

1.聚焦實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生興趣

播放火災(zāi)給人民生命財產(chǎn)帶來威脅的視頻，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)意構(gòu)思各種自動化解決方案來減少該類問題的發(fā)生。結(jié)合課堂環(huán)境，開發(fā)一款智能火情警報裝置。硬件上運(yùn)用micro：bit開發(fā)板和傳感器，程序設(shè)計上使用三大程序結(jié)構(gòu)之一的“分支結(jié)構(gòu)”。項(xiàng)目來自實(shí)際問題，具有一定的復(fù)雜性和社會意義，由此激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)興趣，引出項(xiàng)目主題。

2.搭建硬件，突破難點(diǎn)

學(xué)生思考可用哪些傳感器，傳感器如何與micro：bit開發(fā)板相連。前測發(fā)現(xiàn)學(xué)生在連接硬件時有困難，于是采用同學(xué)互助、表格整理等策略直觀呈現(xiàn)硬件連接關(guān)系。學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)，以小組為單位從材料包中尋找可用的硬件進(jìn)行連接搭建。學(xué)生小組合作完成硬件搭建，為后續(xù)分支結(jié)構(gòu)語句的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。

3.探究總結(jié)，突出重點(diǎn)

教師提出核心問題：火焰?zhèn)鞲衅魇窃鯓又劳饨缬谢鸬模繉W(xué)生已知火焰?zhèn)鞲衅鞲兄饨缫詳?shù)值0～1023為范圍。引出探究任務(wù)一：“探究火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值在不同環(huán)境狀態(tài)下的變化”。探究過程提供學(xué)習(xí)單支持，學(xué)生控制室內(nèi)燈光模擬無火情時環(huán)境的亮暗，安全使用打火機(jī)并調(diào)節(jié)火焰大小模擬火情大小;記錄并觀察不同情況下火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值變化。發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值隨環(huán)境變化的關(guān)系和規(guī)律：環(huán)境正常時，火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值大;環(huán)境有火時，火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值小;外界越暗，數(shù)值越大;外界越亮，數(shù)值越小。

探究與總結(jié)。教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火情的臨界值范圍，得到結(jié)論：火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值與臨界值的比較，使得火焰?zhèn)鞲衅髂軌蜃R別外界是否有火。這可以用“關(guān)系運(yùn)算”或者“邏輯運(yùn)算”的表達(dá)式來表示。本例的關(guān)系運(yùn)算條件表達(dá)式可以是：火焰?zhèn)鞲衅鞯闹凳欠裥∮谂R界值。當(dāng)外界有火時，判斷結(jié)果為True;無火時，結(jié)果為False。

在探究活動中，教師始終作為引導(dǎo)者為學(xué)生提供探究支架。而學(xué)生發(fā)揮學(xué)習(xí)的主體性，學(xué)生之間團(tuán)隊(duì)高效合作，從現(xiàn)象中建構(gòu)抽象的“關(guān)系運(yùn)算”與“條件表達(dá)式”程序設(shè)計，這是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要切入點(diǎn)。

4.實(shí)現(xiàn)編程，測試效果

運(yùn)用關(guān)系運(yùn)算條件表達(dá)式和分支語句，編程實(shí)現(xiàn)“遇到火情就發(fā)出警報”的效果，在MakeCode編程平臺搭建“單分支結(jié)構(gòu)”代碼。下載測試發(fā)現(xiàn)預(yù)設(shè)問題：“遇到火情，警報響起卻無法停止”，由此引申到“雙分支結(jié)構(gòu)”，賦予蜂鳴器“響起”“不響起”兩個分支狀態(tài)。啟發(fā)學(xué)生思考生活中哪些現(xiàn)象或問題可以用分支結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計思想來體現(xiàn)和解決。

平臺編程、測試完善，將抽象的程序設(shè)計知識落地，發(fā)現(xiàn)實(shí)際生活中問題的分支結(jié)構(gòu)，運(yùn)用信息技術(shù)解決生活實(shí)際問題，促進(jìn)學(xué)生知識遷移，增強(qiáng)計算思維。

5.拓展能力，課堂總結(jié)

教師提出拓展問題：（1）蜂鳴器一直不響，就證明一定沒火？學(xué)生猜測可能蜂鳴器壞了，因此提出可以升級裝置的警報類型，如增加燈光、標(biāo)志、圖案、文字等。（2）該設(shè)備適用的場景有哪些？還可以增加哪些更智能、更及時的功能？學(xué)生表示可以增加自動出水、出干粉等及時控制火情的功能。最后教師進(jìn)行課堂總結(jié)，強(qiáng)調(diào)在“創(chuàng)意→設(shè)計→制作（硬件、程序）→測試→運(yùn)行”的開源硬件項(xiàng)目開發(fā)過程中，要理解產(chǎn)品背后的計算機(jī)科學(xué)知識與算法原理。另外，還要強(qiáng)調(diào)安全用火。

拓展問題要引發(fā)學(xué)生討論，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意，為項(xiàng)目迭代提供思路，也為后來的分支結(jié)構(gòu)的講解做鋪墊;點(diǎn)明用火安全的課堂德育點(diǎn)，增強(qiáng)“技術(shù)讓生活更美好”的理念。

教學(xué)效果評價

本節(jié)課的教學(xué)效果評價來自學(xué)生量表自評和教師他評兩方面。經(jīng)統(tǒng)計，基本達(dá)成計算機(jī)科學(xué)學(xué)科概念掌握目標(biāo)、思維能力和學(xué)習(xí)方法及德育等教育目標(biāo)。

1.學(xué)生掌握計算機(jī)科學(xué)概念情況

計算機(jī)科學(xué)知識與概念的掌握是計算思維提升的基礎(chǔ)和載體。學(xué)生主動探究，充分理解關(guān)系運(yùn)算及其條件表達(dá)式、分支結(jié)構(gòu)等抽象概念，并與自動化火情警報裝置的運(yùn)作原理結(jié)合，生成解決方案，產(chǎn)出項(xiàng)目成果，達(dá)到知識遷移。

2.學(xué)生思維能力與策略習(xí)得情況

學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中隱藏的“計算”問題，綜合運(yùn)用計算概念和工具形成解決方案;小組合作動手搭建項(xiàng)目原型，促進(jìn)學(xué)生交流協(xié)作與創(chuàng)新實(shí)踐能力;從確定項(xiàng)目主題到產(chǎn)出項(xiàng)目成果，再到項(xiàng)目測試迭代，體會“做中學(xué)”的學(xué)習(xí)方法。

3.學(xué)生情感道德教育情況

為減少人民群眾的財產(chǎn)損失而開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，學(xué)生在提升計算思維的同時，增強(qiáng)了社會責(zé)任感和參與感，體會了信息技術(shù)給人類帶來的便利和美好，打造了有溫度的課堂。

參考文獻(xiàn)

任友群，隋豐蔚，李鋒. 數(shù)字土著何以可能？——也談計算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J]. 中國電化教育，2016（1）： 2-8.

周業(yè)虹. 實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)[J]. 中小學(xué)教師培訓(xùn)，2018（8）： 33-37.