漸次推進的教學策略：“開源硬件項目流程”的教學理解與實施

趙偉剛 山東省淄博市基礎教育研究院

候繼倉 山東省日照市教育科學研究院

孫波 山東省教育科學研究院

“開源硬件項目設計”是《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）設置的選擇性必修課程，旨在滿足學生個性化發展需要，激發和培養學生的創新興趣和動手實踐能力。[1]“開源硬件項目流程”是課程模塊的第二部分，通過該部分學習，能夠讓學生對開源硬件項目開發過程有一個宏觀的了解，幫助學生從整體把握后續的項目開展，提前思考預期項目成果，掌握從創意生成到調試迭代的科學方法，為學生能夠順利開展基于開源硬件的作品設計與制作奠定基礎。

●課程標準要求

“開源硬件項目流程”對應課程標準內容要求的6.2，該部分內容可以分解為兩塊：一是通過對已有的開源硬件作品案例進行剖析，讓學生體驗基于開源硬件完成項目開發的基本流程；二是通過對實例分解剖析，讓學生知道常用開源硬件的功能與特征。對此處提及的“開源硬件”有兩種理解。理解一：包括開源硬件主控板及軟件開發平臺。理解二：在理解一的基礎上還包括基本的輸入輸出組件及相關控制模塊。但在實際教學中，多數學生對開源硬件還很陌生，對利用開源硬件進行項目設計和制作的基本流程還不了解。基于以上學情分析及后續學習的需要，此處對開源硬件的理解，筆者傾向于理解二[1]，比內容要求6.1中提及的開源硬件范圍有所擴展。

在教學中，教師要引導學生根據開源硬件項目解決問題的需要，自覺、主動地尋求合適的方法去獲取和處理信息，培養學生信息意識。通過學習開源硬件系統構成，了解程序指令和各硬件模塊在小型信息系統自動控制實現過程中的功能，并能夠運用合理算法，形成問題解決方案，發展學生計算思維。讓學生在運用開源硬件這一數字化學習工具解決問題的過程中，感受開源硬件平臺在創造性解決問題中的優勢，培養學生數字化學習與創新的習慣。通過具體項目實踐，體驗基于開源硬件的項目開發流程，促進學生理性判斷，并以積極的學習態度應用信息技術創新，以培養學生信息社會責任。

●教材內容分析

各版本教材對該部分內容的處理各有特色，內容設計、活動形式及課時安排差別較大，具體如下頁表所示。教科版對開源硬件項目開發一般流程的介紹最為簡潔，在簡要概述了項目規劃、項目實現、測試與優化三個步驟后就迅速轉入內容豐富的三大類十六個小項目的學習活動。

對于項目開發基本流程的概括，各教材表述不同，概括起來也都從創意需求分析、設計方案、制作實現（含硬件搭建和程序設計）、測試運行等環節做了闡述。粵教版介紹了生命周期法、快速原型法等項目開發方法，有助于學生進一步理解項目開發流程。粵教版、浙教版介紹了頭腦風暴、思維樹等創意思維工具，可以更好地指導學生做好項目的需求設計與構思。浙教版、人教-中圖版通過剖析“智能鳥蛋”典型案例，從項目的由來、分析論證、具體實施及項目的意義，梳理了開源硬件項目開發的一般流程。

各版本教材大都以Arduino開發板為例展開項目活動，本文也以Arduino為例進行闡述。

●教學實施建議

1.基于簡單項目，漸次深入，體驗項目開發流程

鑒于多數學生對開源硬件還很陌生的學情，教師可以帶領學生先從簡單電路的搭建入手，如在電路實驗板上實現按下按鈕來點亮LED的小任務，這個任務并沒有涉及Arduino主控板的過多應用，只是讓學生嘗試搭建一個簡單電路，回顧物理學習中電路設計的全部基本要素，教會學生如何通過串聯電阻來保護LED、如何正確使用面包板的預制連接快速搭建電路、開發板使用要注意哪些安全事項、如何通過主控板獲取實驗電源等。通過這樣的任務，讓學生逐步認識常用開源硬件的基本構造、硬件連接和使用方法，初步具備將無形的電流轉化為現實中可以體驗到的物理現象的能力，為后續項目的順利開展奠定基礎。

接下來可以通過搭建功能簡單、結構簡潔的開源硬件信息系統，讓學生辨識、理解開源硬件系統各模塊的功能實現，以及“智能”背后的程序控制。例如，控制一個LED閃爍的小實驗，在搭建好物理連接后，借助Arduino IDE編程環境，來自動控制電路電流變化，實現閃爍功能。通過如上簡單實驗，教師引導學生認識到系統是在程序代碼和微控制器的共同作用下，自動控制電路，實現燈光閃爍，進一步加深了學生對開源硬件系統組成的認識。

各版本教材“開源硬件項目流程”知識框架

在此基礎上，教師組織學生開展頭腦風暴，將LED閃爍實驗進一步拓展，嘗試模擬生活場景的具體應用。學生想到了城市夜景的流水燈、充電進度的指示燈、出租車上的字幕燈、交通信號燈。接下來就可以引導學生根據創意來設計初步方案，選擇元器件，進行可行性驗證實驗，進一步詳細設計，制作原型，嘗試編寫代碼，測試優化作品。隨著活動的深入，學生發現的問題、遇到的困難會越來越多，尤其是代碼編寫環節。教師要有充分的預設，預先準備若干套解決方案和功能代碼，給學生足夠的提示，供學生選用、借鑒和改造。通過這樣漸次遞進的教學推進，有助于學生深刻體驗基于開源硬件的項目開發流程，初步掌握常用基本開源硬件的功能、特征及安全使用注意事項。

2.注重算法理解，聚焦計算思維培養，激發學生創新創意興趣

隨著該部分教學的深入，開源硬件元器件的選擇和電路的搭建成為教學的重點，而對于多數學生，控制代碼的編寫和功能實現就是學習的難點。在教學中，教師可以根據學情，借助圖形化編程軟件，簡化程序代碼的編寫，降低代碼學習難度。教師要指導學生規范使用自然語言去描述算法，能準確讀懂算法流程圖，學會使用流程圖表達簡單算法思想，能夠理解學習資源中給出的代碼與算法意圖和功能實現的對應關系，根據自己的設計需求改造代碼，初步掌握利用編程語言，控制數據驅動致動器（執行裝置），形成解決問題的方案，更好地培養學生計算思維。

筆者在教學實踐中深刻感受到，只有結合好學情，通過科學設計教學活動，讓探究任務漸次深入，才能讓學生系統地掌握開源硬件項目開發的基本流程。只有引導學生關注算法設計，切身體驗代碼實現到功能實現，才能讓學生深刻理解算法、程序與開源硬件項目應用的關系。當教師借助頭腦風暴，看到學生在探討選擇哪些元件、交通信號的切換有哪些規律、怎樣實現信號無縫切換、怎樣功能優化、如何根據車流變化自動調整等候時間以優化交通資源配置的時候，學生深入探究的欲望和嘗試創新的火花就被有效激發了。