高中开源硬件技术教学实践与思考

王振强 洪亮

2017年版普通高中课程方案中，信息技术和通用技术课程结构方面分别增加了“开源硬件项目设计”和“智能家居应用设计”选修模块内容，为学生提供了一个技术与设计的应用性学习窗口。通过学习，学生能够体验开源硬件项目设计与开发的全过程。通过选择适用的项目式教学案例，以专题的形式与技术课程教学内容相结合，不仅能提升学生学习的兴趣，也能拓展教学的内容与学生视野，进而培养学生的核心素养。本文以智能音箱为例，阐述如何利用Arduino这个载体开展教学。

● 高中Arduino技术教学的分析

1.相关选修模块简介

在信息技术课程中，基于开源硬件的项目设计与实施有益于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力，同时也是在信息技术课程中实现STEAM教育的理想方法。本内容是针对开源硬件项目设计流程、按照项目需求设计实施方案、制作作品而设置的。在通用技术课程中，智能家居应用设计模块是关注学生未来职业和生活的需要。智能家居融合了物联网、人工智能、大数据处理、自动控制等先进技术，意在创设一种智慧感知、协调控制、智能互联、方便快捷的家庭居住环境。本模块旨在为学生感受先进技术在家庭生活中的运用，并能通过开源的设计平台构建智能家居产品原型，进而为学生提供一个集通信、计算、控制于一体的应用性学习窗口。两个学科选修模块的课程设置，体现了学科特点及课程目标的差异性，但是作为普通高中技术领域的学习内容，其指向学生职业及生活需要的基础性教育内容。通过选择合适的开源硬件载体，以项目式教学的组织方式，整合两学科相关内容创新性地开展教学，即可实现STEAM教育理念下的多学科交叉学习，也能够解决高中学生课时紧张的时间问题，提高技术课程的实施效率。

2.教学现状分析

普通高中技术课程实践性强的特点决定了课程实施的诸多问题。最明显的就是硬件投入高，特别是新课标下的技术课程内容，如3D创新设计课程、电子控制技术课程等所需要投入的机房、专用设备费用较高，对于相当多的学校来说投入存在一些困难。此外，技术课程实施普遍存在课时紧张的问题，对于选修模块的内容来说，有硬件条件的学校很少，正常开设课程教学的更少。学校只能按照国家规定课时来开设必修模塊的内容。

3.Arduino应用优势分析

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，没有复杂的单片机底层代码，没有难懂的汇编，只是简单而实用的函数，而且具有简便的编程环境IDE和教育版的ArduBlock，它是以图形化积木搭建的方式编程的，这样的方式会使编程的可视化和交互性加强，编程门槛降低，降低学习者的学习成本，特别适合学习紧张的高中学生学习。此外，近些年Arduino在全世界范围内快速地发展普及，使其作为一个开发平台，在机器人教育、创客教育中都得到了广泛的应用，网络中开源的软、硬件资源丰富。通过它开放的设计平台，以软、硬件结合的方式，将设计概念进一步深化，构建智能产品原型和应用程序。借助Arduino平台可使基于项目式教学的选修课教学可行、有效。

● “智能创意PVC管音箱”项目设计思路

1.项目背景介绍

音箱是学生生活中较熟悉的技术事物，但对于音箱各部分组成及各功能普遍缺乏了解，特别是对音箱音质的各种影响因素更是陌生。根据前期调查，学生对音箱倒相孔作用、喇叭尺寸与箱体大小关系及高低音共振的处理等专业知识都不清楚。考虑制作周期、加工难度及成本问题，选择较常见的PVC管材料，利用音箱这个主体对象，确定制作项目为智能创意PVC管音箱，即从学生身边的技术事物，向智能家居领域中的智能音箱过渡，让学生亲历这个技术设计制作全过程，完成一个完整的项目设计流程、作品制作。在这个过程中，既可以系统学习到音箱专业的原理知识，又能够接触Arduino开源软件平台软、硬件的学习，进而实现STEAM教育理念下的多学科交叉学习。

2.音箱的外观主体方案设计与制作

外观主体设计方案的设计与制作涉及多学科的知识学习。特别能突出通用技术学科专业的知识体系运用，如设计时需要考虑的稳定性、强度等因素以及音箱系统功能单元划分等。这个设计过程很好地解决了通用技术学科知识教学的目标。从问题的发现到明确设计中的技术问题，再寻求解决问题的方案，然后动手制作，学生亲历了一个典型的技术设计全过程。这也正是新课标指出的大项目的学习理念。

学生亲历结构设计与制作过程，一是可以更好地掌握相关音箱知识的运用层面；二是掌握了涉及工具的操作使用方法；三是制作过程中对方案的优化与调整，再亲历构思到图纸的呈现再到实物加工的全过程，培养了学生良好的物化能力，帮助学生树立了技术设计是需要不断优化的思想。

3.Arduino平台应用于音箱的智能化项目设计

智能化方案设计主要涉及计算机与电子控制技术领域的相关知识。这方面也突出信息技术学科专业的知识体系运用。目前兼容Arduino平台的电子传感器配件较丰富，功能也较为强大，相关智能家居开发应用层面的软件、硬件资料较多，在教学中都可以方便选用。建议教师可以提前提供带有例子程序及视频教程的学习套件资料，降低学生技术学习入门的门槛，便于高中学生在有限的课时内，快速学习掌握项目设计全过程，以便更好实现自己的创意。

● “智能创意PVC管音箱” 项目教学设计

1.以对技术的理解学习为目的：对传统音箱的各控制单元功能进行探析

引导学生分析传统音箱的控制方式（按钮开关、旋钮音量大小），分析其技术控制原理，并猜想利用Arduino UNO等零件实现控制的方式，以解决学生对技术事物的理解和对各元器件硬件功能的学习；再利用配套元器件构建智能产品原型，解决学生从硬件原型制作到软件编程控制实现的学习全过程，帮助学生理解、掌握真实的技术世界中广泛使用技术的方法。上页图1、图2是按钮控制案例。

利用按钮和旋钮的元器件特点，连接好物理线路，通过可视化编程界面编写程序控制LED的亮灭，让学生亲历全过程，理解控制的实现方式，完成对软、硬件的学习。教师可引导学生对LED灯进行更深入的了解，如多彩灯的控制等，并利用相同的教学策略引导学生对生活中存在的控制现象进行学习了解。

2.以培养学生的创新意识为目的：引导学生对音箱功能进行创新设计

引导学生创新设计音箱的控制方式（手势控制、定时控制、人体感应控制等），分析理解智能感知元件的工作原理及应用场景。手势控制原理：测距元件检测到手距离值的变化，Arduino判断后使继电器接通，进而实现音箱的开关智能控制。因此，教学设计主要通过各类元器件应用的场景，引导学生创新思考，并结合生活中真实的技术问题创造性地使用，以达到培养学生创新意识的目的。教学可以根据学生的功能设计展开，教师提供较多元器件供学生选择使用，且鼓励学生采用不同的元器件实现相同的功能，目的都是为了实现某个创意的想法或者解决现实中的某个问题，同时教师要准备好各类元器件的硬件原理、视频教程、参考示例代码等学习资料，提供给学生学习了解。

3.以综合应用为目的：引导学生完成较完整的项目的设计与制作

这个环节的设计从教学的角度是让学生亲历更大的项目制作，跳出之前单纯的技术学习和完成任务，使学生基于自身的意愿主动去学习技术、主动去创造。以本文为例，智能音箱的项目主体对象，在后期会调整基于智能音箱的“智能家居应用设计”，给学生定一个创造的方向，但是不限定主体。学生独立设计，学习新的Arduino及周边传感器软、硬件知识，造物的过程中不断优化改进，最终达到亲历智能家居整体家居设计的教学目的。

● 教学实践的思考

开源硬件平台是新课标中增加的内容，旨在通过这个平台工具，使技术学科的相关内容教学更有效，因此，选修模块的教学应该紧紧围绕课程核心的内容展开。其教学策略选择必须是以培养学生核心的素养为主，以运用Arduino平台帮助学生更好地进行技术基础知识、基本技能、基本思想、基本态度的学习和基本经验的积累，形成对技术的亲近感、敏感性、理性精神、责任意識以及对技术的文化感悟。教学不可偏向单纯Arduino技术产品开发，教师切不可把网络上侧重技能培训的教程直接拿过来运用于教学。教学中，让学生把创新解决问题的想法实现出来是非常必要的。Arduino平台在智能家居模块教学中的应用价值是帮助学生方便地进入智能控制世界。围绕着来自真实技术世界的问题，利用这个工具，通过进行程序的编写驱动硬件工作，完成对技术事物的学习与智能造物目的，进而去创造更好的技术世界。教师需要提升对Arduino平台技术的掌握情况，只有对Arduino平台周边软、硬件有足够的了解，才能更好地给予学生创意实现的方式上的指导，才能够根据学生自身的编程基础、动手能力不同，提供更为专业的技术学习建议，才能够开设出针对性强的智能家居应用设计课程。