學科核心素養視閾下的開源硬件課程探索與實證研究

張穎

摘要：本文先對學科信息素養、跨學科項目式學習、開源硬件項目開發進行了闡述，然后通過項目式學習的教學模式對普通高中開源硬件項目設計模塊進行深入的教學研究，通過一系列的實驗數據，得出基于開源硬件的項目式學習不僅可以提升學生的信息技術學科核心素養，而且能夠使學生的創新力得到明顯提升的結論。

關鍵詞：核心素養;項目式學習;開源硬件;創新能力

中圖分類號：G642.0? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）11-0042-03

● 學科核心素養

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》提出，信息技術學科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，并增加了選擇性必修模塊開源硬件項目設計，旨在通過本模塊的學習提升學生的計算思維與創新能力。[1]

● 跨學科項目式學習

跨學科項目式教學是一種全新的教學思想，它倡導在尊重各學科知識的基礎上，打破原來各學科之間固有的知識體系，重新建立知識系統，跨越各學科之間的知識界限，建立一種以項目式學習或主題學習為引領，各個學科相互聯系、相互包容的新型教學模式。如今已經進入“互聯網+”時代，社會對人才的需求不只局限于某一學科領域，跨學科的人才培養模式已經成為未來教育發展的趨勢。信息技術學科具有知識覆蓋面廣、與生活聯系緊密的特點，適合開展跨學科教學，這不僅有利于學生獲取更多的知識，還可以提升學生的創新意識、創新思維，打破學生頭腦中的“信息孤島”思維。

● 開源硬件課程開發

1.開源硬件的概念與種類

開源硬件通常是指一種具備基本物理特征的制品，開源硬件的開發者通常會發布詳盡的硬件設計資料，如電路圖、物料列表、電路板布局等，以及相關的軟件開發工具包。同時，開源硬件的高度開放性特點，使它獲得了史無前例的高速發展。隨著開源硬件的蓬勃發展，開源硬件也被應用于教育領域，目前比較常用的包括Arduino、Paspberry Pi（樹莓派）、Microduino、Micro：bit等。[2]

2.開源硬件Arduino應用優勢分析

在程序設計方面，Arduino去除了一些煩瑣的程序指令而保留了精髓的編程思想。在教學中教師可以采取“做中學”的方法，結合項目的具體情況進行講解，Arduino也有ArduBlock等圖形化的編程軟件，更適合低年齡學生學習。

在硬件方面，Arduino控制板價格低廉并且非常容易獲得。與Arduino結合的外部硬件也較為豐富，如LED燈、蜂鳴器、舵機、液晶屏、直流電機、步進電機、光敏電阻、熱敏電阻、溫度傳感器、PH計、紅外傳感器、超聲波傳感器等常用元件，可以完成更多的實際項目的設計，開闊學生的眼界。

在資源方面，Arduino作為當今開源硬件發展的熱點，其中文書籍和資料非常豐富，可以滿足學生的學習需求。隨著近年來Arduino在中國的蓬勃發展，網絡資源和網絡社區也得到了快速發展，利用這些資源可以幫助教師和學生更好地掌握知識。

● 開源硬件課程項目學習實證研究

1.檢驗開源硬件項目學習效果的實驗設計

筆者選取任教的高一年級的學生為研究對象，在課堂教學中，分別設計了“自動感應燈”“坐姿提醒器”“噪音監測系統”“智能澆花系統”“智能水族箱”等不同的項目，共計18個學時的課程，采用跨學科項目式學習模式進行課程教學探索，開展準實驗研究。

（1）高中學生信息素養發展狀況調研問卷

選擇上海師范大學研究生陳清清編制的中小學生信息素養的評價指標[3]，根據本次實驗所需，節選出高中生部分的量表開展研究，該量表根據高中信息技術課程新課標所提出的信息素養的內涵，設計了評價學生信息素養的一、二級指標，在按照專家意見修改整理后，最終得出了4個一級指標和26個二級指標，如表1所示。

（2）威廉斯創造力傾向測量表

威廉斯創造力傾向測量表是通過測試來了解一個人在冒險性、好奇心、想象力和挑戰性四個方面的性格特征，共計50個題目，經過測試后可得四大類別的分數，加上總分這一項可得五項分數，分數越高，則說明創造力水平越高，反之則低。下頁表2所示為題目的具體分布情況。

2.實驗假設及實驗變量

（1）實驗假設

在實施開源硬件項目設計課程后，學生的創造力得到提高，信息素養得以提升，重點關注數字化學習與創新方面的提高。

（2）實驗變量

自變量：采用項目式學習模式開展開源硬件項目設計。

因變量：學生的創造力、信息素養（四個維度）的變化。

干擾變量控制：①實驗對象的固定性及其學習能力和水平的隨機性，符合真實的教學情境。②教師，教學環境，授課時間、地點的穩定性。③實驗對象是第一次接觸實驗教學內容。

3.對實驗數據綜合性分析

（1）高中學生信息素養問卷分析

通過對學生的前后測數據進行匯總分析，可以看出，在未接受課程教學前，中學生的信息素養平均分在2.792，認為學生的整體水平處于水平2。而在課程結束后其信息素養有所提升，平均分在3.019，雖然數值并未遠高于3，但仍認為學生的整體水平處于水平3階段。其信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任方面的平均分均有所提高，但并未產生跨水平的跳躍。其中，信息意識、數字化學習與創新、信息社會責任維度上的提高比計算思維維度上的提高更加明顯。由此可見，課程對于學生整體信息素養的提高有一定的效果。

（2）威廉斯創造力傾向測量表分析

通過對學生的前后測數據進行匯總分析，利用spss軟件進行配對樣本T檢驗，得出成對樣本統計量表、成對樣本相關系數表和成對樣本檢驗表的數據統計。

由數據可知，實驗對象在創造力總分、冒險性、好奇心、想象力、挑戰性方面的平均值均有所提升，其中冒險性、好奇心、總成績的sig值均小于0.05，達到了顯著水平，想象力和挑戰性的sig值分別為0.065和0.053，大于0.05，未達顯著水平。由此分析，在STEAM項目學習中學生的創造力有了較為明顯的提高。

4.檢驗開源硬件項目學習效果的實驗結論

綜合上述數據分析結果，經過18個課時的開源硬件項目式學習課程，學生的信息素養得到了明顯提升，整體水平從水平2提升到了水平3，且信息意識與信息素養已達到顯著水平，四個維度中除計算思維的提升稍弱外，其他維度的提升較為明顯。

通過分析威廉斯創造力傾向測量表的數據可以發現，經過課程學習，學生在創造力的發展上有明顯的提高，除冒險性維度外，其他維度均達到顯著水平。由此可推斷，開源硬件項目式學習課程對于創造力的培養和提升有較為明顯的效果。

● 結語

教學實踐證明，開源硬件項目學習有利于培養學生在生活情境中發現問題，提取問題的基本特征，對問題進行抽象、分解、建模，制訂解決方案的能力，全面提升學生跨學科的創新意識、創新思維、創新能力，使其適應未來社會對人才的需求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉剛剛，肖玉賢.面向中小學教學的開源硬件現狀分析與比較[J].中國教育技術裝備，2018（02）：4-8.

[3]陳清清.中小學生信息素養的評價指標設計與現狀調查[D].上海：上海師范大學，2020.