“基于開源硬件的作品設計與制作”教學建議

楊琳玲 首都師范大學附屬云崗中學

郭君紅 北京教育學院

“基于開源硬件的作品設計與制作”是《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）選擇性必修模塊6“開源硬件項目設計”中的重要教學內容，是為學生個性化發展而設計的課程內容。因開源硬件自身的特點，在高中階段教學面臨諸多問題與挑戰，教師應依據課標要求，結合選用教材，選擇符合生活實際的主題，設計和實施教學活動，實現學習目標和學業要求，從而提升學生計算思維和數字化學習與創新能力。

● 教學面臨的問題與困境

1.學生學習基礎差異較大

隨著微電子技術和計算機技術的發展，依托開源硬件的產品越來越多，基于開源硬件的作品設計呈現出低齡化的趨勢。許多小學和初中不同程度地開設基于開源硬件的課程；在高中階段必修2“信息系統與社會”中的“信息系統組成與應用”對開源硬件也有一定的探究。這樣的學情基礎造成選修該模塊的學生學習基礎存在很大差距。

2.對教師的綜合專業能力要求較高

對“基于開源硬件的作品設計與制作”相關內容的教學，入門門檻低，網絡資源豐富，從而導致很多人產生此內容教師容易教、學生容易學的錯覺。但實際上，學生在經歷低學段圖形化界面的軟件學習、黑匣子式的項目設計后，需要在高中階段有所突破；同時，大多數高中信息技術教師所學專業為計算機科學與技術或教育技術學，在硬件開發、自動控制以及創客創新等方面的專業基礎相對薄弱。因此，教師在選擇硬件設備、專業技術準備和面向底層的原理思考等方面都需要多下功夫。

3.學科內容交叉問題難以厘清

“基于開源硬件的作品設計與制作”不僅是信息技術學科選擇性必修6的核心內容，在通用技術選擇性必修3“智能家居應用設計”模塊中也有所呈現，它的重點落在產品設計和系統實現上，在內容方面兩者有比較高的相似性，歸屬問題難以厘清。如果以跨學科融合教學的形式呈現，那么信息技術教師不僅要認真研讀本學科課程標準和教材，還要深入研究通用技術課標和教材，這在實施層面上有一定的難度。

● 教學內容分析與整體把握

1.課標內容要求

作為選擇性必修模塊6“開源硬件項目設計”的第三部分，內容體系建立在基于實例分析的開源硬件特征和項目流程的基礎上，是模塊重要的組成部分，有益于激發學生創新的興趣，培養學生動手實踐的能力。教師要根據課標要求，組織學生開展基于事物特征的分析，設計基于開源硬件的作品開發方案，根據設計方案選擇恰當的開源硬件，利用開源硬件、相關組件與材料以及設計工具或編程語言，完成作品制作，測試、運行作品的各項功能，并能對設計方案進行優化。

從學科核心素養角度來看，既要引導學生利用各種材料、開源硬件與軟件實現所設計的項目方案，利用開源硬件的設計工具、編程語言實現外部數據的輸入、處理，利用輸出數據驅動執行裝置的運行等，提升計算思維，又要在整個設計與制作過程中，通過活動實施引導學生理解并自覺踐行開源的理念與知識分享的精神，理解保護知識產權的意義，提升信息社會責任。

2.教材內容編排

針對本部分教學內容，各版本教材章節編排、內容以及實施難度差異都較大，有的將方案設計與項目制作并重，注重跨學科理念，有的弱化方案設計，重點落在相應技術的開發過程，強調學科知識技能，還有的全書是多個不同方向的項目開發過程，著重突出計算思維的培養。本部分教學內容建議20～30課時左右完成，其中設計與制作開發的比重差距較大，可根據所選教材進行適時調整。各版本教材相關內容編排如下圖所示。

3.開源硬件的選擇

因開源硬件普及度比較高，多個版本的教材在前面內容中均對常見的開源硬件功能、開放程度進行了介紹或對比探究。在硬件選取方面，滿足Python編程的開源硬件功能大同小異，教師可根據學校已有硬件或選用教材版本推薦來進行教學，建議確保至少能夠實現1～2人能有一套實驗設備，3～5人小組有2套以上可供項目設計的設備。當然，部分有經濟實力的學校也可以同時采購多款開源硬件給學生進行自主選擇。

4.教材項目活動分析

為了滿足不同學習基礎的學生需求，各教材所選擇項目的復雜程度區別很大，項目的選擇都來源于生活實際和學科學習場景，大部分版本的教材的選題開放性很大，學生可選擇范圍很廣，個別版本考慮到學情差別，注重基礎，項目融入硬件功能學習中，選題小而多。而項目設計與制作的過程相對比較一致，都遵循這樣的流程：選題、設計方案、硬件設計、程序實現、調試優化、分享或發布。下頁表為部分版本教材項目活動設計情況。

部分版本教材項目活動設計

在教學內容的把控上，教師應在了解學生的學情基礎上，結合地區文化和學校特色進行選題，選擇不同版本教材的項目活動實施方式，為學生搭建適合的學習支架，引導學生合作完成基于開源硬件的項目創意設計與制作。

各版本教材相關內容編排

● 跨學科活動設計建議

課標的“學業要求”中提出“在信息技術環境下綜合利用科學、技術、工程、人文藝術與數學學科的相關知識，理解利用信息技術解決問題的基本思路與方法”，這就要求在本模塊的教學中，注重跨學科的項目活動設計。跨學科活動設計通常包括主題選擇、知識與技能融合、實施工具與環境以及成果展示等方面。

1.跨學科主題選擇

在選擇基于開源硬件項目主題時，可以選擇如單擺周期實驗、個人反應訓練、智能植物種植、動物喂養箱等物理、生物學科的課程內容作為主題，同時，邀請學科教師作為項目指導教師，為項目的功能和實現效果把關。

2.跨學科知識與技能融合

在項目實施過程中，可能會涉及外包裝設計制作、電路圖繪制和藝術包裝等其他學科的內容，可以邀請其他學科教師參與到項目教學過程中，針對項目中其他學科的知識和技能進行重點介紹，引導學生構建跨學科間的知識和技能聯系，形成以信息技術為主體、其他學科融合的跨學科項目模式。

3.跨學科實施工具與環境

在基于開源硬件的項目學習中借助其相關的學科工具，如物理、化學、生物學科傳感器開展項目優化，能夠更好地達成項目實施過程。另外，信息技術機房的布置，對基于開源硬件的項目學習教學存在著較大的局限性，如果能借助學科實驗室開展活動設計，能夠提升項目實施的便利性。

4.跨學科的成果展示

信息技術學科項目學習的成果常是多元的，如樂器演奏、繪畫作詩、科學監測、體感互動以及人文交流等，可以邀請其他學科的教師作為成果評價的專家，幫助學生改進項目成果。

● 教學活動實施建議

1.教師熟練掌握開源硬件軟硬件的使用

在開展本模塊教學前，建議教師嘗試利用所需教學的開源硬件資源和編程平臺，完成基于開源硬件的作品設計開發全流程，盡量多地嘗試不同元器件的使用，并將設計和制作過程記錄下來，反思教學過程中可能出現的問題和需要學生注意的要點，結合自身實踐過程開展項目教學設計，并合理設計項目實施方案幫助學生構建學習過程。

2.提供支持學生自主學習的學習資源

基于開源硬件的作品設計制作可選擇的硬件資源非常豐富，功能也非常多元，很難在課堂中一一嘗試和學習。在項目設計過程中，讓學生能夠選擇到合適的硬件進行功能設計對項目的實施起著至關重要的作用，建議教師在項目實施前，將項目實施所需的軟硬件資源，利用網絡互動平臺建設成線上課程，支持學生課上隨時學習所需知識與技能。

3.組建分工合適的學生團隊開展項目

本模塊作品的設計制作建議在項目團隊的建設上相對靈活一點。對于學習基礎薄弱學生可以選擇3～5位組成同質團隊，適當降低項目難度，鼓勵做出優質作品；對于領導力比較強且有較好基礎的學生既可以鼓勵其帶領2～3位基礎薄弱的同學，在完成組成設計制作作品的同時努力實現組內的共同進步，又可以組織在不同領域有一定長項的學生組成異質小組，完成具有一定挑戰的創意作品。另外，對于個別能力非常強的學生，建議嘗試個人成組或以2～3人同質成組，優化分工，提供支持，鼓勵參與相關創新競賽項目。

4.設計增值性、過程性評價為主的多元評價體系

學情差異、小組構成差異以及項目方向的差異都讓基于開源硬件的設計與制作不能用一把尺子來衡量作品，同時也不能用同一標準來評價學生。在這一模塊的評價中，要更加關注以學生進步為核心的增值性評價，以及在設計制作過程中對團隊合作、文檔設計、項目實現和展示交流等進行過程性評價；設計有層次的評價量規，鼓勵小組成員間互寫評語并展示，同時引導學生將作品上傳到線上平臺進行交流。當然，有條件的學校可以將學生作品錄制成路演文件在微信公眾號、班級群等平臺進行展示，邀請家長和其他任課教師來評價，鼓勵學生更好地創新創意。