开源硬件支持下的中学信息技术拓展课的实践研究——以《基于Arduino 和雨滴传感器的智能窗户》为例

江苏省太仓市沙溪镇岳王学校 梅礼龙

一、引言

随着新一轮的课改不断深入，新课程所倡导的“自主、合作、探究”的理念已经深入人心。最新的课程指导纲要也对义务教育阶段的信息技术课程目标做出了明确的要求，要为培养创造性人才打基础。随着创客空间的普及和发展，这一股“春风“也吹进了信息技术教育教学中，由于信息技术学科本身的技术属性，在中学信息技术课程中开展创客教育有得天独厚的优势。

二、当前中学信息技术教育的现状分析

（一）信息技术的课程性质强调对学生动手能力的培养

信息技术课程是一门综合性比较强的课程，涉及通信技术、微电子技术、计算机技术等，与科技、逻辑、艺术、数学等学科都有联系。故在信息技术课程内容的设置上，特别是中学阶段，学生有了一些数学知识和电子知识的基础，我们应该有意识地在信息技术课程上将这些跨学科的知识点融合起来，让学生学以致用，形成良性循环，最终实现素质教育。

（二）当前中学信息技术教学中的拓展部分开展较难

《江苏省义务教育信息技术课程指导纲要（2017 年修订）》对中学信息技术课程内容的拓展部分进行了明确的说明，主要分为程序设计、机器人技术、物联网技术这三大部分。这三大部分，不管是哪一部分，真正实施起来都比较难，在硬件设置、人员培训、技术支持等方面，可以说是少之又少。

所以，在现有条件下，构建一种学校投入小、教师易开展、学生感兴趣的课程开展模式，就显得尤为重要。

三、在中学信息技术教学中开展创客教育的必要性

创客教育是依托创客空间，有目的、有系统地培养学生的创新精神（激发创意）、创造能力（学会创作）和共享意识（主动分享）的过程。创客教育是近几年来比较流行的教育理念，非常注重学科融合和实践创新，是当前教育改革的大势所趋。

（一）信息技术课程性质与创客教育的理念关系紧密

创客教育集从做中学、创新教育、体验教育、基于项目的学习等理念和思想为一体。在国内中学现有的课程体系下，信息技术课程应该是最适合用来开展创客教育了。

网络技术、通信技术、微电子技术还有物联网、云计算等等都是中学信息技术课程中所要了解的内容，以信息技术课程为基础，进行创客教育事半功倍。反过来，创客教育也能影响信息技术课程的教学。创新实践的需求会强化学生对信息技术课程内容的了解。

（二）中学信息技术课程发展需要紧跟潮流

时代在发展，技术在发展，信息技术作为一门与社会技术发展紧密联系的课程，很多理念和课程内容必须要紧跟时代潮流，不能局限于课本上的一些知识点，需要对课程内容进行拓展和延伸，让学生了解各种学科前沿知识和学习理念。只有这样，我们的学生才能适应新时代的变化，掌握在21 世纪生活的基本技能，成为新世纪的掌舵人。

四、Arduino 和Mixly 的介绍及实践意义

（一）什么是Arduino？

Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino 板）和软件（Arduino IDE)，非常适合中学阶段的孩子使用。

Mixly 是一款由北京师范大学傅骞教授团队开发的面向Arduino 开发的图形化编程工具，有着方便、易于学习的特点；Arduino 的硬件价格便宜，扩展性好，使用面广。一个是开源编程软件，一个是开源硬件平台，将两者结合起来，既能动脑编程，又能动手连接互动媒体，可以实现很多有趣的想法。

（二）实践意义

易于开展当前创客教育的内容五花八门，像3D 打印、航空模型、机器人、虚拟现实等，大部分都对学校的资金投入的依赖性很大。但是采用Arduino+Mixly 来实施，就容易得多，特别是一些偏远乡村学校，只需要在原来网络教室的基础上，添加几件价格低廉的Arduino 入门套件，就可以开展，而且学生不需要多少的编程知识和电子技术知识就能做出很多有意思的作品。

五、实施方法与过程

（一）创设问题情境，引导学生参与课堂

借助PBL 教学法、创客教学理念，以项目式的学习来开展课堂教学。首先创设一个情景，然后再设计几个具体的问题，让学生来思考问题的解决方法，能很好地激发学生参与课堂的热情。这里的情境创设非常关键，一定要基于学生真实的生活经验，让学生有代入感，这样学生就会主动去思考。以《基于Arduino 和雨滴传感器的智能窗户》一课为例。

创设情境：最近小明家在装修。装修好了后，爸爸妈妈经常需要去新家开窗通风，若遇到下雨天非常不方便，因为现在住的地方离新家隔得比较远。能不能设计一个智能窗户，自动检测是否下雨，下雨就关窗，不下雨就开窗。

（二）讲解知识点，了解其中的科学原理

一切的科技创作，都不是凭空想象出来的，都是基于一些理论知识进行的再创造。

所以在课程开展之前，有必要先给学生讲授一些必要的基本知识，比如什么是传感器？然后，采用任务驱动、项目引导、小组合作等开展课堂，让学生带着问题去思考，将创意变成现实，体会成功的喜悦。比如，先给学生展示一些很好的创意，然后和学生一起分析这个作品是怎样实现的，最后问“你有什么好的想法可以改进它”？创作绝对不是简单的模仿。这些活动，都需要教师提前设计好。

它的科学原理：智能窗户就是物联网原理的简单应用，主要用到开源硬件Arduino 控制板、雨滴传感器、舵机。利用开源硬件Arduino 作为控制器，编写程序、利用舵机来控制窗户的开关，雨滴传感器来感应是否下雨。

（三）小组合作、将创意变成现实

下雨检测：雨滴传感器放在户外，当雨滴落下并碰到雨滴传感器后（下雨），雨滴传感器的数字端口传回一个低电平信号0 到Arduino 控制板中，此时舵机旋转90 度（逆时针）。实现关窗。雨停了，雨滴传感器上雨流掉后（天晴），雨滴传感器的数字端口传回一个高电平信号1 到Arduino控制板中。此时逆时针舵机旋转-90度（顺时针），实现开窗。雨滴感应器接Arduino 控制板数字管脚3，舵机接数字管脚2。

遥控器控制：Arduino 控制板上连上红外遥控接收端，可通过遥控器发射设置好的信号控制舵机的旋转，从而实现窗户的开关。遥控器上每一个键对应一个值，如：16754775，对应“启动键”，按下关窗，16753245对应“关闭键”，按下开窗。

手机控制：手机通过蓝牙和Arduino相连接，然后在手机上安装蓝牙串口app，通过蓝牙串口app 发送信号，控制舵机的旋转，从而实现窗户的开关。当手机发送字符“a”，通过Arduino 板向舵机发送指令，实现关窗，发送字符“b”，实现开窗。

（四）成功作品分享

最后，每个小组派代表，分别上台进行成果展示，从科学原理、所用器材、搭建过程、遇到的问题等环节分享自己的学习成果，并回答其他小组提出的问题。最后，各小组对自己的作品进行一个反思和改进。

六、总结与思考

在中学信息技术课程中引入开源硬件，极大地丰富了课程内容，用生动有趣的实例来引导学生参与课堂，体验科技改变生活，从源头上改变“学生喜欢电脑，但不喜欢信息技术课”的局面。但在实际开展中，还是受到诸多因素的影响，如中学信息技术课时有限、资金投入少、器材短缺、评价机制不完善、教师水平有限等，我们可以开发校本课程，在校兴趣活动课中加以补充，带领学生参加科技发明类的比赛，让学生充分体验创造的乐趣，提升自身的科学素养，成为人工智能时代的弄潮儿。