基于開源硬件的小學信息科技項目式教學實施策略

摘要：作者從基于開源硬件的小學創客課程出發，根據維果斯基的“最近發展區”理論，提出在項目實施過程中，采用“小任務，初體驗——微項目，夯基礎——主題項目，拓展提升——競賽項目，強創新”四步走的實施策略，以期解決目前在小學實施的基于開源硬件的項目教學中存在的問題，提升項目活動的效率，促使學生深度學習，培養學生的核心素養。

關鍵詞：開源硬件；項目式教學；實施策略；核心素養

目前，小學創客教育課程主要依托開源硬件來解決現實問題，實現創意造物，達成培育學生核心素養的目的。而項目式教學能夠激發學生的學習積極性，培養學生的學習能力、團隊協作能力和創新能力，使他們更容易達到“潛在發展水平”，實現學生思維的延伸。筆者基于對項目式教學的理解，結合學生的認知水平和年齡特征以及創客教育課程的特點，將項目實踐劃分為“小任務，初體驗——微項目，夯基礎——主題項目，拓展提升——競賽項目，強創新”四個階段。這四個階段貫穿整個課程，構成了一個循序漸進、相互聯系和支撐的教學策略框架，旨在全面發展學生的核心素養。下面，筆者選取典型案例并結合項目式教學的四個階段進行具體闡述。

“小任務，初體驗”階段

小學生普遍缺乏項目式學習經驗，對開源硬件了解也不多。因此，教師要根據學生實際情況，利用項目式學習，做好開源硬件課程的啟蒙。例如，教師帶領學生從認識集成度較高、趣味性較強、上手較易的開源硬件入手，完成“點亮一盞LED燈”“我的屏幕亮起來”等小任務。通過明確的任務設定，讓學生按照提示完成任務，實現教學目標，并且體驗到成功的喜悅。

“微項目，夯基礎”階段

在本階段，教師可以采用半成品策略，保證課堂聚焦關鍵問題開展探究。下面，筆者以“無線測距儀”微項目為例進行闡述。

1.情境體驗，發掘項目

在選擇微項目時，教師要考慮學生的真實情況，讓學生通過這些項目學習掌握基礎知識和技能，并學會如何解決問題。在開展“無線測距儀”微項目時，筆者先通過視頻呈現兩個場景：設計師拿著卷尺測量房屋尺寸和設計師用紅外測距儀測量房屋尺寸。接著引導學生思考：如果你是設計師，愿意用哪種工具來測量尺寸？經歷了真實情境的體驗，學生的創作欲望被激發，于是提出“測量如何實現智能化”的問題并且有了制作“無線測距儀”模型的想法和欲望。

2.搜集資料，規劃項目

教師為學生設置具體的項目情境和明確的主題，引導他們收集信息并制訂計劃來完成任務。當學生遇到困惑時，教師可以提供有助于學生更好地理解知識的框架和關鍵點，幫助他們更有效地思考和探索。在本環節中，筆者提供了微視頻和設計了探究任務單，以輔助學生理解“超聲波測距”這一關鍵概念。根據“無線測距”的線索，學生可以輕松推測出“超聲波傳感器”在起作用。接著，筆者又提出關鍵問題“超聲波傳感器是如何測量距離的”，引導學生深入探究超聲波傳感器的工作原理，并將其拆分為三個獨立的問題：“它的基本原理是什么？”“超聲波傳感器可以測量多遠的距離？”“超聲波傳感器的安裝需要注意什么？”學生利用這些問題將復雜問題分解為多個可研究的小問題，降低了問題的難度，促進了高階思維的養成。

3.協作探究，實施項目

項目實施過程遵循“學生主體，教師主導”的原則。筆者采用優勢互補、自愿協商的原則，將學生分為4人一個小組，并根據每個組員的特點進行初步分工。設計師負責作品模型功能與外觀設計；程序員負責程序編寫，功能實現；營銷員負責作品的分享和宣傳；組長整體協調項目。其間小組成員需交換角色，以防止角色的固化和合作的低效。在模型搭建環節，筆者鼓勵學生在模型搭建前用草圖或者圖表的方式呈現無線測距儀的基本樣式，同時采用流程圖來說明無線測距儀的程序運行邏輯。通過使用程序流程圖，學生可以合作完成程序的編寫和電路的連接。在“無線測距儀”微項目中，當按下按鈕A時，數字管會發出由超聲波檢測得出的信號，若未按，則無法收到任何反饋。因此，筆者引導學生使用條件語句“如果…那么…”來判斷按鈕是否被觸發，如果觸發則顯示檢測數據，反之則無。由于以上檢測是重復執行的，使用循環語句使測距儀具有重復檢測的功能。看似簡單的微項目，卻包含了豐富的開源硬件知識和編程思想，學生合作和探究的能力在解決問題的過程中得到歷練。

4.分享成果，評價項目

當學生完成項目后，教師可挑選部分小組展示成果并與其他同學交流。課堂上，筆者引導學生以小組為單位進行展示，講解作品的優點，其他小組在傾聽的過程中，從功能、美觀、創意和技術等維度進行點評，并提出合理的建議。

“主題項目，拓展提升”

階段

在本階段，筆者將重點放在以自主挑戰為導向的課程設計中，以實現真正的項目式教學。實施主題項目的過程與微項目有相似之處，但要求更高，其采用開放式教學模式，在教師的指導下，每個小組都要獨立完成任務。以“智能垃圾桶”項目為例，項目小組前后共設計了五種不同的方案，借此來思考作品的適合性和迭代，以期獲得最佳效果。

方案一：超聲波感應垃圾桶。采用Bit主控板控制，結合超聲波傳感器檢測到人體接近的信號，利用舵機精準地打開傳統的腳踏式垃圾桶的蓋子，以提高垃圾處理效率；當超聲波傳感器發現周圍沒有任何障礙物時，操縱舵機將垃圾箱的蓋子自動關閉。超聲波感應垃圾桶能夠不接觸就投放垃圾。

方案二：有趣的超聲波語音提醒垃圾桶。在第一個方案的基礎上進行功能升級，在打開垃圾桶蓋的同時播放語音，提示分類投放垃圾，靜止2分鐘，然后合上垃圾桶蓋。

分析以上兩個方案的優點和缺點。優點：都實現了自動化。缺點：雖然兩個方案都實現了自動化，但是智能程度不高，容易誤觸發，如行人或寵物路過，也可能被誤認為是有人要倒垃圾。

方案三：語音自動垃圾桶。本作品使用了人工智能中的語音識別技術，可以通過人機對話對投放垃圾的人進行語音提示。使用到的硬件有掌控板、語音識別傳感器、MP3模塊和舵機。當人對著垃圾桶說聲“倒垃圾”時就會觸發語音識別系統，通過舵機打開垃圾桶蓋。這個作品解決了超聲波傳感器無法區別是人還是物的問題，減少了誤判。

方案四：語音識別分類垃圾桶。在方案三的基礎上，進行了進一步的功能升級。當人對著垃圾桶說“倒垃圾”時，觸發語音識別系統，系統會提示說出垃圾的種類，可以回答“可回收垃圾”“其他垃圾”“易腐垃圾”或“有害垃圾”中的任何一個，系統會根據人的回答提示進行垃圾所屬分類。同時，舵機會打開相應的垃圾桶蓋。

在展示方案三和方案四后，請學生說出它們的優缺點。

方案五：圖像識別分類垃圾桶。在以上方案的基礎上，學生又思考能否利用人工智能模塊中的圖像識別傳感器進行拍照識別？人們帶著垃圾，安裝在垃圾桶上的攝像頭自動拍照，經過與數據庫中的垃圾圖片比對，經過圖像識別，自動判斷出人帶的是什么類別的垃圾，接著通過開源硬件主控板發出指令，驅動相應舵機打開垃圾桶蓋，完成分類投放。投放結束，當人離開垃圾桶后，垃圾桶就會自動蓋好。

從上述“智能垃圾桶”作品方案分析中可以看出，與微項目相比，同一個主題下的項目可以有很多，選題更為開放，學生根據主題，通過小組合作協商自行選定。教師在規劃設計階段，巡視并解決小組提出的疑惑，確保方案的科學性；在項目實施過程中，教師指導學生分析作品中的問題，并不斷改進它們，以實現從模仿到創新的轉變，為“競賽項目”階段的成功奠定基礎。

“競賽項目，強創新”階段

在第三階段的基礎之上，“競賽項目”階段提出了更高的標準和挑戰，要求學生不僅要將累積的知識運用于實踐，而且需設計出既創新又能滿足實際需求的產品原型。此階段不在常規課堂內進行，主要通過學生參與學校舉辦的各類科技創新競賽實現，這種參與機制不僅加強了學生在開源硬件項目中的實施能力，而且在項目的層次和深度上實現了顯著的飛躍，促進了學生在綜合應用知識與技能、解決問題以及創新能力等方面的全面提升。

1.以賽促學，搭建激發創新熱情的平臺

本著“以賽促教、以賽促學”的教學理念，通過觀察學生的日常表現和對創客的興趣，教師會選擇部分優秀的學生參加創客興趣小組。為了滿足小學五、六年級學生的需求，學校每周安排兩節社團課，社團人數控制在24人以內，每組4人，每2人一套設備，采用項目式教學。教師平時注意收集第三階段產生的優秀成果，鼓勵組員在原基礎上改進或者迭代，碰到技術瓶頸，也可以重新選題，設計出更合適的作品參賽。

2.迭代更新，促進成果創新螺旋式上升

這一階段的作品關注的是能夠解決實際問題的產品原型，在此過程中突出產品的迭代與升級。以“智能垃圾桶”項目為例，可以從多方面進行思考和改進：第一，作品的封裝需要美化。垃圾桶的箱體可以用激光切割機加工椴木，利用榫卯結構組裝，也可以通過3D設計，打印出一體成型的3D模型。第二，作品功能還需要改進。各種垃圾需要人工智能模塊事前進行機器學習，當出現實物時，與數據庫比對識別，進行分類。當前，將所有的垃圾都收集起來進行機器學習還有一定的難度，那是否有更佳的途徑呢？

結語

基于“小任務，初體驗—微項目，夯基礎—主題項目，拓展提升—競賽項目，強創新”四步走的實施策略，遵循“最近發展區理論”，能夠在一定程度上解決目前小學階段基于開源硬件的項目式教學難度大的問題。通過課堂和后續社團分步驟落地的項目式學習，既是培養學生問題解決能力的嘗試，也是對現有項目式教學模式的有力補充。

參考文獻：

李維明.解剖麻雀，體驗流程——開源硬件項目流程的教學策略[J].中國信息技術教育，2023（02）：14-17.