初中開源硬件編程教學與社會責任培育策略研究

摘要：本文在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》背景下，對初中階段在校內開展開源硬件編程教學的課標課、校本課、課后服務課三類課型進行了分析，并針對三類課型特點，分別從教學裝備配置和課堂教學技巧兩個角度，探討了開源硬件編程課堂的教學策略，最后規劃了開源硬件編程教學的信息社會責任培育路徑。

關鍵詞：開源硬件；編程；課型；教學策略；信息社會責任

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0036-04

背景闡述

在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中，關于初中學段的課程內容側重指向互聯網應用與創新、物聯網實踐與探索、人工智能與智慧社會和跨學科的互聯智慧設計[1]四個主題，其教學提示倡導“教師充分利用簡易開源硬件等試驗設備手段進行相關應用場景的模擬仿真搭建和協同體驗探究”，從而有效落實“學生為主體的學習方式創新”和“科學原理指導實踐應用”的理念。而開源硬件編程教育有助于培養信息科技學科的計算思維和數字化創新兩個核心素養，有助于培育以信息安全、信息倫理道德為代表的信息社會責任素養，樹立以掌握“自主可控技術”[1]為代表的信息社會責任意識。

初中開源硬件編程教學課型分析

1.課型分類

在初中階段，校內開展的開源硬件相關的教學活動形式，按校內課程教學活動類型差異，可劃分為課標課、校本課、課后服務課三類。

①課標課是指按照初中學段新課標規定的教學內容和課時要求開設的，以開源硬件為核心或載體的常態課。

②校本課是指以學校為本位、由學校自己確定的，教學內容多由教師基于本校基本情況、辦學特色和教育理念而設計開發的，利用學生穩定的課余在校時間開設的，以開源硬件為核心或載體的拓展訓練課。

③課后服務課是指隨著“雙減”政策的提出和落實，利用學生不穩定的課后在校時間開設的，以開源硬件為核心或載體的，以研學、社團、興趣小組等形式開展的活動課。

2.課型特點對比

筆者結合教學實踐，圍繞初中開源硬件編程教學的課標課、校本課、課后服務課的基本屬性進行特點對比，如下頁表1所示。

初中開源硬件編程分課型教學策略研究

1.教學裝備配置

開源硬件編程教學活動中的關鍵要件，就是與自由及開放原始碼軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。因此，在開源硬件編程教學活動中，一套完備的軟、硬件設備配置包括計算機（或教學平板）、開源電子硬件（實體的主編程板、拓展配件）和開源編程軟件。其中，除了基礎必備標配——計算機和開源編程軟件外，由于受到教學活動的時空限制，軟、硬件的搭配在教學實踐中通常是可靈活變動、組合的，大致可劃分為虛擬仿真硬件、實體單一主板、實體復合硬件三種搭配方案。

①搭配虛擬仿真硬件的裝備方案，省略了實體硬件的OL82CqqitgmAYjUcC5K0XxLiNSZafRfNcOlWv0ZN9bc=連線搭建、故障排除等環節，相較于使用實體硬件最為節省時間，適用于理解知識性原理、設計方案的連線示意、仿真呈現模擬效果等的教學，此裝備方案三種課型均有應用。特別是對于教學時間緊湊的課標課，其時間優勢尤為突出。官方的開源編程軟件通常搭載開源主板的虛擬仿真模塊，但若要對拓展配件進行虛擬仿真，需要借助其他虛擬仿真系統。因此，其缺陷在于對硬件功能性效果、軟硬件通訊和人機交互等的測試有較大局限。

②搭配實體單一主板的裝備方案，簡化了實體硬件的連線搭建、故障排除等環節，相較于搭配使用實體復合硬件，其時間代價相對適中，適用于理解和呈現簡單的硬件功能性原理和效果，測試簡單的軟硬件通訊和人機交互等的教學，此裝備方案三種課型亦均有應用。這在一定程度上，有效兼顧了教學時間分配和硬件功能性試驗的課堂教學需求。

③搭配實體復合硬件的裝備方案，其中通常兼備主編程板、拓展配件等多種實體硬件，其必須預留實體硬件的連線搭建、故障排除等環節，其時間代價相對較大，適用于理解和呈現復雜的硬件功能性原理和效果，測試復雜的軟硬件通訊和人機交互等的教學，此裝備方案多應用于教學時間相對充沛的校本課或時長大于50分鐘的課后服務課。

筆者結合當前教學實踐中常用的三類開源硬件主板+Micro：bit、掌控板、Ardunio，整理了其教學中的軟、硬件裝備方案，如表2所示。

2.課堂教學技巧

開源硬件編程教學中常存在“‘技術本位’思想”。[2]為改善這一情況，教師可以在課堂教學中運用如下技巧：①充分的課前學情準備和課中排障準備。由于開源硬件編程的教學項目通常涉及學科廣、知識復合且抽象，對學生綜合能力要求高，而學生的相關知識基礎和信息技術能力水平參差不齊，教學難度較大。因此，要充分評估學生的前知識水平，鋪墊跨學科知識。另外，在軟、硬件交互的教學活動中要充分預估學生在操作中可能出現的軟、硬件故障，給予高效的排障建議。②運用支架工具對“軟硬件交互”邏輯的思維建模。開源硬件編程與其他信息科技模塊的顯著差異在于其活動中編程涉及軟、硬件交互，因此，在教學過程中要注意引導學生將數據處理的系統流程，在軟、硬件交互的實物化操作體驗中進行遷移。通過分析學生以往的學習經歷，可利用圖形化編程，降低遷移操作的難度。下面，筆者分別以一節課標課、校本課為例進行具體說明（如表3）。

初中開源硬件編程教學的信息社會責任培育策略研究

1.策略分析

（1）明確培育目標

在初中階段，開源硬件編程通常嵌入“物聯網實踐與探索”和“人工智能與智慧社會”兩大內容模塊的教學中。因此，初中階段將借由開源硬件編程教學落實信息社會責任素養，其主要涉及以下方面：①網絡空間中物品標識和虛擬身份[5]的意義及其具備的信息安全防護能力；②人工智能對社會的影響以及對科技倫理的挑戰；③人工智能的控制系統存在的安全風險，采用自主可控技術實現安全風險的降低。[6]

（2）分課型的培育策略分析

①課標課教學策略。通過基礎知識和技能的普及，引導學生初步了解信息社會責任的概念和重要性。引入簡單的開源硬件編程案例，如基礎的數據處理或物聯網應用，結合案例講解信息安全、隱私保護等知識點。利用課堂討論、小組合作等課堂互動形式，增加學生的參與度和理解深度。

②校本課教學策略?；趯W生已有的基礎知識，進行深度拓展，講解更復雜的開源硬件編程項目。通過實際項目，讓學生在實踐中體驗信息社會責任的重要性。

③課后服務課教學策略。利用課后服務課的時間，根據學生的興趣愛好，引導他們參與開源硬件編程的社團活動或興趣小組。鼓勵學生自主探究，自主選擇研究課題或項目，培養他們的自主學習能力和創新能力。引導學生參與開源社區，與全球的開發者交流學習，了解開源文化和信息社會責任的國際標準。

2.路徑規劃

（1）時間維度的培育路徑規劃

①短期規劃。主要分為“啟動階段—實施階段—評估階段”三個階段，其細化如下：首先，在課程開始前，進行信息社會責任教育的培訓和科普，讓教師和學生都明確教育目標及其重要性。其次，在課標課、校本課和課后服務課中逐步融入信息社會責任教育，設計相應的教學活動和任務。最后，通過常態作業等方式初步評估學生的掌握情況，并根據反饋進行調整和改進。

②中期規劃。主要分為“深化階段—拓展階段—反思階段”三個階段，其細化如下：首先，在短期規劃的基礎上，通過案例分析、角色扮演等課堂活動方式，進一步深化信息社會責任教育，提高學生的實踐能力和責任感。其次，組織學生參與開源項目、競賽、研學等課外活動，讓他們在實踐中體驗信息社會責任的重要性，并學習如何與他人協作、尊重他人的貢獻。最后，定期組織師生進行反思和總結，找出教學過程中的問題和不足，并提出改進措施。

③長期規劃。主要分為“持續教育+制訂規范+社會聯動”三個部分，其組成如下：首先，將信息社會責任教育作為開源硬件編程教學的長期目標之一，持續進行教育和引導。其次，建立和完善信息社會責任教育的相關教學規范，確保培育目標的達成。最后，加強與社會團體的合作與交流，在共同推動信息社會責任教育開展的同時，豐富培育資源和培育形式。

（2）“自主可控技術”為導向的培育路徑規劃

①自主可控技術意識和價值觀養成。教師應通過“從理論講解到案例分析”的方式，向學生明確闡述自主可控技術的定義內涵及其對國家安全、信息安全和國家經濟發展的重要性。通過引入對國內外相關領域，如技術封鎖、數據泄露等的實際案例分析，讓學生深刻理解“掌握自主可控技術”的戰略意義和價值，從而逐步培養學生的自主可控意識，并樹立信息安全和自主可控的價值觀。

②結合具體項目開展自主可控技術實踐。首先，在選擇開源硬件編程項目時，結合課程內容，優先考慮涉及自主可控技術的項目。其次，在課堂項目實踐中，設置技術挑戰，讓學生模擬“需要依靠自主可控技術解決困境”的體驗，通過實踐加強對自主研發能力的訓練。同時，學?？梢耘c相關企業聯動、協作，讓學生有機會在真實項目中觀察、思考，甚至鍛煉和提升自主可控技術的研發能力。此外，鼓勵學生參與開源社區，與全球開發者互動交流，學習最新的自主可控技術動態，拓展學生的技術視野。

總結

本文對初中階段在校內開展開源硬件編程教學的課標課、校本課、課后服務課三類課型進行了分析，并針對三類課型特點，分別從教學裝備配置和課堂教學技巧兩個角度，探討了開源硬件編程課堂的教學策略，最后從“時間維度”和“‘自主可控技術’為導向”兩個視角，規劃了開源硬件編程教學的信息社會責任培育路徑。筆者認為，唯有堅持不斷地對課堂教學和素養培育的策略進行鉆研，才能轉變以往教學中“技術本位”的思想，助力學生核心素養養成和自主可控技術意識提升。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]王巍.我國開源硬件教育應用研究綜述[J].教育研究，2020（01）：71-77.

[3]許力.信息技術（2020年修訂版）八年級/下冊[M].福州：福建教育出版社，2020.

[4]樊磊，梁森山.人工智能 初中版[M].北京：清華大學出版社，2020.

[5][6]黃榮懷，熊璋.義務教育信息科技課程標準（2022年版）解讀[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

本文系2023年度福建省中青年教師教育科研項目基礎教育研究專項課題項目“培育中小學生‘信息社會責任’素養的實踐路徑研究”（項目編號：JSZJ23001）階段性成果。