基于PBL的開源硬件教學研究

吳蘇媛

摘? 要：《江蘇省義務教育信息技術課程指導綱要》的總體目標是培養學生的信息素養。在信息技術教學中，教師要讓學生了解計算機軟、硬件知識與基本操作，嘗試尋找方法處理學習、生活中信息化表達的常見問題，讓學生了解信息技術在日常生活中的重要作用與價值，注重培養學生的創新意識和實踐能力。各類開源硬件校本課程如雨后春筍般開展起來，Scratch圖形化編程和開源硬件能讓學生在操作中逐步提高自己的編程能力、操作能力、創造能力、合作能力等。

關鍵詞：開源硬件；PBL教學方式；信息素養

一、條件：雙“件”，必不可少的教學工具

1. 開源硬件

ArduBits Nano逐日夸父主控板是思泰姆在Arduino Nano基礎上，采用Atmel Atmega328P-AU單片機，把主板和擴展板結合起來的控制板。其優點是接口全開放，且便于連接線路。

2. ArduBits Scratch軟件

ArduBits Scratch軟件是基于MIT媒體實驗室的開源Scratch2.0代碼和mBlock源碼進行二次開發的一款圖形化編程軟件，它為Arduino生態系統里的電子模塊開啟了全新交互特性。此外，還可以用它來給ArduBits傳感器模塊編程。

3. 雙“件”合璧，培養創造力

雙“件”合璧，可以提高學生的動手造物能力，使學生的創造更直觀、更生活化，同時能充分發揮學生的創造力，學以致用，解決日常生活中的問題，技術服務于生活的理念也在學生的心中生根發芽。

二、方法：PBL，基于問題的教學方式

PBL（Problem-Based Learning）也被稱作問題式學習，是一種以問題為核心，以問題解決為驅動力，以分組闡述、展示、討論及相互交流為手段，以激發學生積極主動自學、培養學生創造性思維為主要目標的全新的教學模式。PBL的教學目標尤其要突出學生的獨立自學能力、資料組織能力、溝通交流能力和創新思維能力的培養。

開源硬件是指與自由及開放原始代碼軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。開源硬件開始考慮對軟件以外的領域開源，是開源文化的一部分。其中，Arduino的誕生可謂開源硬件發展史上的一個新的里程碑。開源硬件的特性便于小學教學的開展，采用PBL教學方式更加適合學生的學習，由問題出發，通過發問、解問、追問、反問等一系列環節，讓學生在學習過程中通過探索嘗試操作，解決生活中的問題，創造出智能化的作品，體會到開源硬件課程的魅力，同時培養學生的信息素養。PBL教學方式下的開源硬件課程實施更能激發學生的求知欲、探索欲和創造力。

三、過程：實施，層層遞進的教學環節

1. 創設情境，拋出問題激興趣

在開源硬件課程中，情境創設于問題解決的初期，根據問題進行前期的鋪墊、中期的材料供給、后期的評價和整體學習效果的診斷。有效的問題設置，有利于激發學生的學習熱情；創設與教學內容相符合的情境，有利于教學環節的推進。

例如，在教學蘇科版《九年義務教育六年制小學教科書·信息技術》（以下統稱“教材”）6年級“傳感器與感知系統”這節課時，學生要掌握超聲波傳感器和紅外傳感器的用法，要能區分兩者之間的異同點。超聲波傳感器和紅外傳感器的作用非常相似。為了讓學生真正了解這兩個傳感器的區別，教師需要幫助學生創設有效的問題情境。傳感器是人類五官的延伸。教師可以以“拐杖是盲人朋友必不可少的出行工具”為情境，引出幫助盲人朋友設計一個智能化的拐杖，讓學生想一想該拐杖可以有哪些功能，如何實現這些功能，從而引出傳感器——傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將該信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式進行輸出。根據不同的功能搭配不同的傳感器，讓學生進一步了解各個傳感器的功能。接下來，教師可以讓學生嘗試使用傳感器。在操作中會發現超聲波傳感器和紅外傳感器都能實現測障礙物的效果，如何體會它們的區別呢？智能化拐杖可以分為白天模式和夜間模式，讓學生在夜間進行測試。結果不難發現，紅外傳感器失效。也就說明了紅外傳感器反射光波，所以夜間失效，超聲波傳感器反射聲波。

如何設計智能化盲人拐杖充分體現了PBL的驅動性。課題來自生活中需要解決的問題，真實且貼近學生的日常生活，能激發學生的興趣。這個問題具有可行性，也有一定的社會價值，且問題來源于生活。對于學生來說，這樣的設計具有現實意義。

2. 探尋思路，解決問題啟思維

PBL凸顯教師的引導者作用。如果有學生的回答不是全面的、精準的，教師也不要急于否定學生的答案，而應該對學生的回答進行補充與引導；對于學生的思維定式或者思路不通，教師不能放任，而應該給予啟發與引導。教師不僅要創設問題情境，也要為學生提供多種解決問題的方法或途徑。

例如，教材5年級“彈奏音樂”這節課主要是認識超聲波傳感器的功能，會運用超聲波傳感器解決問題。教師可以結合生活實際創設情境，以節能風扇為例進行超聲波傳感器的講解。常見的教學設計是利用超聲波傳感器進行測距，人到風扇開，人離開風扇關。通過軟件編寫程序，掌握條件語句的用法。設計前，教師啟發學生思路，如“花盆”，可以給花盆裝溫度、濕度傳感器，通過溫度、濕度來決定是否要澆灌，還可以裝補光器，促進植物生長。學生設計時可以采用組合重構法，將生活中多個物品的功能疊加在一起；也可以采用信息交合法，把一種物品的裝置遷移到其他物品上，參考前人的構思，完善自己的作品。節能風扇的關鍵在于節能，不能固化在一個點里。教師可以讓學生就節能展開討論，不一定是節能風扇，有沒有其他節能的物品，它們是以什么方式進行節能的？能否把這種方式遷移到風扇上？通過引導與交流，啟發學生思考。學生會了解到多種節能方式，如測距節能、調速節能、調溫節能等，學生了解了多種節能方式后設計出來的作品就更飽滿，節能風扇會根據人距離風扇的遠近自動調速，也會根據室溫自動調速等。

教師、學生在PBL教學中相輔相成，同步教學。學生在項目學習的過程中通過交流、合作、探究等構建對共享資源的理解，一起解決問題。

3. 展開追問，刨根問底評效能

檢測問題的解決效能是動態、持續的。教師和學生在項目進行中需要針對每個環節加以反思，主要包括教學內容、探究和項目執行的必要性、項目成果的品質，以及項目中遇到的問題和解決方法。教師可以嘗試追問，從反思中得到問題的反饋，進而不斷調整和完善自己的作品，方便教師了解當前的學情。

例如，教材6年級“初識人工智能”這節課主要讓學生感知生活中的人工智能。教師可以先從理論出發介紹人工智能的發展，然后以“亮燈”為引子，讓學生思考如何創造性地改造傳統的亮燈方式。創造性改造問題能體現學生的綜合創新能力、整合舊知能力、編程能力和表達能力等，是學生展示才華的載體。學生作品看似創新，實則不然。針對這種情況，教師可以通過追問來推進作品的優化。借助問題，有層次地進行追問，啟發學生的思維，讓學生在教師的問題下有所生成。教師可以通過一個個小問題逐漸引導學生解決大問題。（1）哪些方式可以讓燈亮起來？（2）哪些方式亮燈比較適合？為什么？（3）哪些方法可以讓燈亮得更絢麗？

教師有效追問，能發散學生的思維，搜集集體的智慧，學生的作品會更加豐富多彩。

4. “智”造成品，交流展示享成功

學生需要向同學、教師展示或者呈現他們的項目成果。學生之間以最后的作品進行討論與交流，項目中的其他成員也要積極參加。在討論與交流中，可能會產生新的問題或靈感，不斷學習進步，享受“智”造給學生帶來的成就感，增強他們的自信心，激發造物興趣，培養綜合素養。

在PBL教學中，基于開源硬件的教學應當充分考慮小學生的學習特點，創設合適的情境，盡量滿足小學生的興趣點和好奇心，通過解問和追問的過程，讓他們的信息素養得到發展，從而領悟到開源硬件學習的快樂，使信息技術教育真正落到實處。

參考文獻：

［1］王蕾. 思維可見的信息技術教學法及實證案例［M］. 南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2020.

［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（2）.