浅议“开源硬件项目设计”的教学实施

摘 要：本文根据《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中的“开源硬件项目设计”模块内容，以设计制作“自制输液自动报警装置”案例为例，对该模块内容的教学实施进行了探讨，旨在通过具体的项目实施，让学生在参与完成项目的过程中体会到创新的乐趣，形成利用所学知识解决实际问题的意识，进而使学生的信息技术核心素养得到提升。

关键词：信息技术;项目设计;教学策略

中图分类号：G427                      文献标识码：A                   文章编号：2095-624X（2021）24-0056-02

引 言

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）指出，高中信息技术课程的根本目标是全面提升全体高中生的信息素养，而信息技术的核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社會责任四个核心要素组成。根据这一要求，《课程标准》对高中信息技术课程进行了重新设置，包含必修、选择性必修和选修三类课程。其中，选择性必修课程中的“开源硬件项目设计”模块是为了发展学生的个性特征而设计的课程，并且其课程修习情况将列入综合素质评价中[1]。

本文将结合“自制输液自动报警装置”这一案例，对如何开展“开源硬件项目设计”模块内容的教学进行探讨。

一、案例缘起

（一）社会发展的需要

众所周知，医院的输液室往往是人员比较密集的地方，经常座无虚席，甚至有的人只能在过道等地方进行输液。而和病人扎堆的现象相反的是，输液室的医护人员却相对较少，这就存在一个很现实的问题：较少的医护人员，要及时发现每个患者的输液情况，以及哪个病人什么时候输完，这是一项很繁重的工作。有很多病人因为病情的影响，往往不能随时关注自己的输液情况。如果输液完成但没有及时拔掉针头，就会发生血液倒流进输液瓶的危险情况，所以及时结束输液是很重要的一项工作。

有没有办法在输液即将完成时能够自动提醒呢？这样就可以在确保病人生命安全的同时，适当减轻医务人员的工作。

（二）《课程标准》的要求

高中信息技术课程由必修、选择性必修和选修三类课程组成，而选择性必修是对必修课程的拓展与深化，可以满足学生的升学和个性化发展的需求，其中就包含了“开源硬件项目设计”模块。该模块设置的内容有利于激发学生的创新兴趣，使学生的动手实践能力得到培养，同时也可以将STEAM教育理念融入信息技术课程中[2]。

鉴于以上原因，我们拟通过“自制输液自动报警装置”案例，对高中信息技术新课程中的“开源硬件项目设计”内容的教学模式进行探讨。该装置的主要功能是，在输液即将完成时，能自动报警，提醒患者和医务人员。通过该案例的学习，学生能够培养信息意识、计算思维及数字化学习与创新等核心素养，并提升信息社会责任素养。

二、案例学习目标

本案例是以现实生活事例为真实情境的跨学科项目式学习，也是以问题解决为导向的探究式学习。本案例将引导学生从人文及科学并重的角度去观察问题、思考问题，体会并剖析社会现象中所蕴含的真实问题及其价值。通过参与案例的实施，学生能够培养爱国主义情怀、社会主义核心价值观、科学精神和态度等正确的价值观，增强对自然和生命的敬畏感。同时，通过对该案例的学习，学生会思考自己在解决社会实际问题中的社会责任，在真实问题的研究中主动去承担社会责任，培养信息社会责任素养。

针对遇到的实际问题，学生通过查找资料，能搜索并利用开源硬件及相关传感器，体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的整个过程，初步形成以信息技术学科为主的观察事物和解决问题的能力，并提升计算思维与创新能力。学生通过参与本案例的设计制作，可以达到增强信息意识，培养计算思维能力，提升信息社会责任意识，以及提升信息技术学科核心素养的目标。

三、案例分析论证

“输液自动报警装置”是为了实现当药液快输完时，能够自动提醒病人及医护人员及时进行处理。鉴于该设备的特殊性，所用设备不能接触到药液，否则会造成污染，从而危害到病人的生命安全。根据这一预期目标，我们对完成该案例需解决的几个问题及大致解决方案进行了归纳，如表1所示。

只有完成了以上几个问题，“输液自动报警装置”才有实际使用价值。所以在项目真正开始实施前，我们必须对上述需求进行逐一论证。另外，仅仅准备好硬件（见图1）还不行，还必须配上相应的软件，才能实现预期的目标。

经过比较，我们选择了mBlock编程软件。这是一款能够兼容Arduino板的软件，且使用模块化编程，直观易懂，便于学生理解。同时，该软件还有“说”的功能，可以将传感器检测到的值直接显示出来，更便于调试程序。

四、案例实施过程

（一）连接液位传感器

因为液位传感器测到的值会根据检测物体的不同而实时发生变化，且它会根据检测到的值的不同来判断药瓶里面有没有药液，所以应该将其接在模拟口。那么检测到的值是多少时表示有药液或没有药液呢？为了解决这个问题，我们需要在程序中用到“说”的功能，即当传感器位于不同位置时，可以将测到的值“说”出来。经过测试，发现药瓶里有药液时，检测到的值约为1000;而当药瓶里没有药液时，检测到的值约为0。根据这个结果，我们将500设为阈值，当检测到的值大于500时表示有药液，反之则表示没有药液。

（二）连接发光二极管

发光二极管的作用是当药瓶里没有药液时，通过发出亮光来提醒患者和医护人员及时处理。因为当处于高电平时，发光二极管会发光，而处于低电平时，发光二极管是不会发光的，所以只要将其接在数字口即可，这可以通过程序的分支结构来实现。

（三）连接无源喇叭

无源喇叭的作用和工作原理与发光二极管类似，所以也可以接在某个数字口上。

通过下面的三个步骤，基本能够达到预期效果，程序如图2所示，具体接线方式：液位传感器接模拟3号口;无源蜂鸣器接数字2号口;发光二极管接数字6号口。

经过实际检测，教师可以引导学生提出改进意见：如果输液将完成、已经发出声光报警，而患者或医护人员又没有及时进行处理，就要加大报警的力度。如何实现呢？经过讨论、测试，我们将程序进行了改进，最终实现了这一功能：当已经报警但是没有及时进行处理时，报警声会越来越急促、音调也会越来越高，以提醒医护人员马上进行处理，程序如图3所示。

至此，“输液自动报警装置”基本完成，且通过了测试，对于不同成分的液体（矿泉水、胶水、洗洁精），不同材质颜色的药瓶（透明、不透明、黑色），都可以准确地进行检测。

五、案例反思

通过参与“输液自动报警装置”的整个制作过程，学生亲身经历了作品的创意、设计、制作、调试及完善的整个过程，体验到了创新设计的乐趣，初步形成了利用信息技术学科知识去发现问题、解决问题的思维模式，也提升了计算思维和创新能力。同时，学生对“开源硬件进行项目设计”的一般流程有了一定的了解，并能将其应用于实际项目中。

结    语

随着案例实施过程的推进，学生能够在信息技术环境下综合利用STEAM教学理念，理解利用信息技术解决问题的基本思路与方法，认识到数字化工具在现实问题解决过程中的价值与作用，同时提升信息意识和数字化学习与创新的信息素养。

[参考文献]

樊磊，吴俊杰.高中新课标“开源硬件项目设计”模块：课程实施与实验室建设[J].中国信息技术教育，2018（22）：4-8.

连玉丽.新课标下的初中信息技术课教学创新研究[J].中学课程辅导（教师通讯），2017（01）：26.

作者简介：金松（1970.3—），男，浙江丽水人，中学高级教师。