面向計(jì)算思維培養(yǎng)的中學(xué)開(kāi)源硬件課程實(shí)踐
——以“科技賦能垃圾分類(lèi)之智能垃圾桶”項(xiàng)目為例

丁盼 江蘇省鎮(zhèn)江市宜城中學(xué)

計(jì)算思維是信息科技核心素養(yǎng)的重要組成部分，Arduino開(kāi)源硬件課程重視在項(xiàng)目實(shí)踐中解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)具備初學(xué)者入門(mén)容易的特點(diǎn)，是適合培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的課程。而設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（DBL）模式則是以“設(shè)計(jì)”為中心，運(yùn)用設(shè)計(jì)方法解決問(wèn)題、建構(gòu)知識(shí)的教學(xué)模式，比較適合Arduino開(kāi)源硬件課程。

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（DBL）模式是探究式學(xué)習(xí)及實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅可以應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，還可以獲得新知識(shí)和新技能，從而提高計(jì)算思維。

●基于DBL培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模型

本文提出的DBL教學(xué)模式是以黃利華教授提出的雙循環(huán)探究模型為基礎(chǔ)，它建構(gòu)了STEAM教育的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)流程，如圖1所示。在教學(xué)中，教師提出真實(shí)問(wèn)題，分析挑戰(zhàn)任務(wù)并建立標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生通過(guò)小組協(xié)作，利用教師提供的資源支架，掌握多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，對(duì)實(shí)物作品進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及制作，在完成實(shí)物作品的制作后，通過(guò)小組評(píng)比及各種展示分享，對(duì)設(shè)計(jì)的作品進(jìn)行調(diào)整、反思、再設(shè)計(jì)，在不斷的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)的迭代循環(huán)中，最終完成實(shí)物作品的優(yōu)化。

圖1

●“科技賦能垃圾分類(lèi)之智能垃圾桶”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.教學(xué)內(nèi)容分析

項(xiàng)目的主題為“科技賦能垃圾分類(lèi)之智能垃圾桶”，智能垃圾桶的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用3D one軟件進(jìn)行外形設(shè)計(jì)建模，根據(jù)建模圖使用3D打印機(jī)打印出模型實(shí)物，最終根據(jù)設(shè)計(jì)圖組裝完成智能垃圾桶的外形。硬件結(jié)構(gòu)使用Arduino UNO開(kāi)發(fā)板與LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片、9G舵機(jī)、超聲波傳感器等搭建硬件。Mixly編程實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別可回收與不可回收垃圾以及智能感應(yīng)開(kāi)合相應(yīng)垃圾桶，幫助人們實(shí)現(xiàn)垃圾的準(zhǔn)確投放，并且還設(shè)計(jì)相應(yīng)的人性關(guān)懷功能，如按鈕輔助打開(kāi)垃圾桶、煙霧警報(bào)、蜂鳴警報(bào)、智能風(fēng)扇滅火、垃圾滿溢的LCD顯示屏提示等功能。跨學(xué)科概念涉及電路設(shè)計(jì)與連接、數(shù)學(xué)計(jì)算、道德與法治等。

2.學(xué)習(xí)者分析

教學(xué)對(duì)象為8～9年級(jí)學(xué)生，學(xué)生具備一定的信息素養(yǎng)，對(duì)生活中的人工智能充滿興趣與好奇。學(xué)生有編程基礎(chǔ)，能夠使用Mixly圖形化編程軟件進(jìn)行編寫(xiě)，利用物理基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可以完成Arduino硬件搭建。

3.教學(xué)目標(biāo)

筆者基于STEAM教育理念，將“科技賦能垃圾分類(lèi)之智能垃圾桶”項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)分為學(xué)科核心知識(shí)與計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)，如表1所示。

表1

4.教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（1）理解挑戰(zhàn)，習(xí)得新知

教師展示真實(shí)的生活情境，并提出問(wèn)題：校園里、小區(qū)內(nèi)、街道旁，都設(shè)立了分類(lèi)垃圾桶，但是，很多生活垃圾并沒(méi)有分門(mén)別類(lèi)傾倒，回收未經(jīng)分類(lèi)的垃圾會(huì)造成環(huán)境污染。請(qǐng)同學(xué)們思考解決問(wèn)題的辦法，為保護(hù)環(huán)境貢獻(xiàn)自己的力量。

學(xué)生觀察身邊的垃圾桶投放現(xiàn)狀，對(duì)教師提出的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出能解決實(shí)際問(wèn)題的策略。

教師展示Arduino UNO開(kāi)發(fā)板及舵機(jī)等模塊的基本原理及微課，并對(duì)要設(shè)計(jì)的任務(wù)進(jìn)行分析與講解，如圖2所示。

圖2

（2）頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)圖紙

教師建立完成智能垃圾桶外觀以及智能功能的標(biāo)準(zhǔn)。

學(xué)生在明確項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)后，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求自主按照4～6人分組。分組完成后各小組對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分解，并使用思維導(dǎo)圖分析項(xiàng)目任務(wù)，提出解決方案，設(shè)計(jì)解決項(xiàng)目問(wèn)題的技術(shù)手段。例如，在“智能感應(yīng)”項(xiàng)目任務(wù)中，學(xué)生通過(guò)思維導(dǎo)圖的方式規(guī)劃適當(dāng)?shù)闹悄芨袘?yīng)方式—超聲波感應(yīng)、人體紅外線感應(yīng)或觸碰感應(yīng)。圖3為學(xué)生選擇超聲波感應(yīng)的功能模塊設(shè)計(jì)。圖4為編程調(diào)試。學(xué)生通過(guò)對(duì)比選用解決問(wèn)題的最佳方案。

圖3

圖4

③學(xué)生在“智能語(yǔ)音識(shí)別”項(xiàng)目任務(wù)中，使用了LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片，為將LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊接入Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，小組成員討論繪制虛擬電路設(shè)計(jì)圖（如圖5）及項(xiàng)目硬件接線對(duì)應(yīng)點(diǎn)（如表2），并將Arduino傳感器按照設(shè)計(jì)的電路圖和線路圖接入Arduino UNO開(kāi)發(fā)板。

表2

圖5 （部分功能）

（3）原型制作，設(shè)計(jì)循環(huán)

學(xué)生小組合作在完成硬件搭建后，要對(duì)LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片進(jìn)行智能訓(xùn)練即固件編譯，下頁(yè)圖6為“語(yǔ)音識(shí)別”部分固件編譯設(shè)計(jì)。在完成固件編譯后，為了使LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片能夠與Arduino開(kāi)發(fā)板進(jìn)行交互，需要使用Mixly對(duì)硬件進(jìn)行編程，下頁(yè)圖7為“語(yǔ)音識(shí)別”部分Mixly編程設(shè)計(jì)。

圖6

圖7

學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)以及硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試。在小組頭腦風(fēng)暴中，有的小組提出將傳感器直接接入語(yǔ)音模塊，有的小組提出將LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊接入Arduino開(kāi)發(fā)板，通過(guò)Arduino開(kāi)發(fā)板控制各類(lèi)傳感器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音指令完成垃圾桶的開(kāi)合、燈的關(guān)閉與點(diǎn)亮、風(fēng)扇的打開(kāi)與關(guān)閉等各類(lèi)操作。學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案搭建硬件模塊，教師對(duì)學(xué)生不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行指導(dǎo)并給出相應(yīng)的技術(shù)資源支持。

學(xué)生使用3D one設(shè)計(jì)垃圾桶的外部結(jié)構(gòu)，再使用3D打印機(jī)打印出智能垃圾桶模型。在完成造型的設(shè)計(jì)后，將調(diào)試成功的Arduino硬件部分與垃圾桶模型進(jìn)行組裝，再次進(jìn)行調(diào)試，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要不斷修改自己的設(shè)計(jì)方案，不斷推翻原有設(shè)計(jì)，甚至需要調(diào)整硬件的搭建，尋求外形與硬件模塊之間的平衡，最終才能完成智能垃圾桶的組裝。

（4）展示評(píng)價(jià)，迭代改進(jìn)

在展示評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，各小組對(duì)自己的設(shè)計(jì)作品現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行功能演示，并對(duì)外形以及硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行講解，同時(shí)對(duì)不足之處進(jìn)行反思。在小組全部展示完成后，各小組進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，提出修改意見(jiàn)，最后投票選出最佳作品。課后，邀請(qǐng)家長(zhǎng)、教師、同學(xué)參觀及體驗(yàn)智能垃圾桶，并請(qǐng)他們對(duì)智能垃圾桶作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，提出修改建議。針對(duì)使用者的建議，學(xué)生對(duì)實(shí)物作品進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化。

●啟示及反思

第一，在設(shè)計(jì)探究過(guò)程中涉及的學(xué)科知識(shí)較多，所以教師要提供更系統(tǒng)、更優(yōu)化的教學(xué)資源支架，切實(shí)幫助學(xué)生在設(shè)計(jì)探究過(guò)程中解決知識(shí)性問(wèn)題，同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行建構(gòu)，形成計(jì)算思維習(xí)慣。

第二，在DBL教學(xué)模式中，大量的課堂時(shí)間是留給學(xué)生的，學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中主動(dòng)思考解決項(xiàng)目問(wèn)題，將復(fù)雜問(wèn)題分解為多個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題，將大任務(wù)拆解為各個(gè)小任務(wù)。層層遞進(jìn)、邏輯清晰的解決問(wèn)題的過(guò)程，可以有效提高學(xué)生將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為使用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力及編程思維能力。