基于开源硬件的项目式教学

刘佳宜 杨琳玲

【摘 要】本文以智能火情警报装置的开发为例，阐述如何在初中信息技术课堂中开展项目式学习，利用开源硬件解决生活中实际问题，增强学生的计算思维。

【关键词】计算思维;开源硬件;项目式教学;教学案例

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）01-054-03

《普通高中信息技术课程标准（2017版）》指出，信息技术课程要以提升学科核心素养为目标。计算思维是信息技术学科核心素养的重要方面。任友群教授建议采用基于项目的策略来提升学生的计算思维能力[1]。笔者参考北京市义务教育课程改革实验教材《信息技术》第6册第九章“智能处理与编程”第七节“分支结构”，设计了共2课时的微型项目式教学——“智能火情警报装置的开发”。本文以项目第一课时教学为例，阐述在信息技术课堂中如何利用开源硬件解决生活实际问题，以培养学生的计算思维。

学情分析和教学目标

本项目授课对象为初一年级学生，他们正处于皮亚杰认知发展阶段中具体运算向形式运算阶段转变的时期。学生可以尝试有条理地表达一个过程或者规则，这为培养其计算思维创造了条件。学生曾体验过连接micro：bit开发板和简单传感器（双色LED灯、蜂鸣器等），同时也会使用micro：bit开发板的图块化编程平台MakeCode。

本节课的教学目标既包括学生计算机科学概念掌握，也包括高阶思维能力培养与德育教育。学生通过体验智能火情警报装置“创意→设计→制作→测试→运行”的迭代开发过程，理解分支结构的概念与组成，探究关系运算条件表达式及其圖块化编程;学生小组合作抽象具体生活问题本质，借助计算机、传感器技术生成自动化创意解决方案并产出项目成果，促进思维迁移，提升计算思维能力;在培养学生科学探究精神的同时，增强其安全用火、生命至上的意识。

教学重点是通过探究任务——“火焰传感器的数值在不同环境状态下的变化”，深化理解“关系运算条件表达式”。教学难点是动手搭建硬件，完成项目原型，这考验了学生的知识运用与动手能力。

教学策略与支持资源

本节课主要采用基于项目的教学策略，强调以学生为主体的探究，学生在解决真实问题的过程中掌握知识、提升能力与思维品质，从做中学，突出学习的过程性和实践性[2]。借助智能手机、希沃白板和极域等工具与技术完成课堂互动和生成性成果记录;采取两人一组的合作探究模式，并给予学习单支持。

教学过程

1.聚焦实际问题，激发学生兴趣

播放火灾给人民生命财产带来威胁的视频，启发学生创意构思各种自动化解决方案来减少该类问题的发生。结合课堂环境，开发一款智能火情警报装置。硬件上运用micro：bit开发板和传感器，程序设计上使用三大程序结构之一的“分支结构”。项目来自实际问题，具有一定的复杂性和社会意义，由此激发学生创新思维和学习兴趣，引出项目主题。

2.搭建硬件，突破难点

学生思考可用哪些传感器，传感器如何与micro：bit开发板相连。前测发现学生在连接硬件时有困难，于是采用同学互助、表格整理等策略直观呈现硬件连接关系。学生在规定时间内，以小组为单位从材料包中寻找可用的硬件进行连接搭建。学生小组合作完成硬件搭建，为后续分支结构语句的学习做准备。

3.探究总结，突出重点

教师提出核心问题：火焰传感器是怎样知道外界有火的？学生已知火焰传感器感知外界以数值0～1023为范围。引出探究任务一：“探究火焰传感器的数值在不同环境状态下的变化”。探究过程提供学习单支持，学生控制室内灯光模拟无火情时环境的亮暗，安全使用打火机并调节火焰大小模拟火情大小;记录并观察不同情况下火焰传感器的数值变化。发现火焰传感器的数值随环境变化的关系和规律：环境正常时，火焰传感器的数值大;环境有火时，火焰传感器的数值小;外界越暗，数值越大;外界越亮，数值越小。

探究与总结。教师引导学生发现火焰传感器检测到火情的临界值范围，得到结论：火焰传感器的数值与临界值的比较，使得火焰传感器能够识别外界是否有火。这可以用“关系运算”或者“逻辑运算”的表达式来表示。本例的关系运算条件表达式可以是：火焰传感器的值是否小于临界值。当外界有火时，判断结果为True;无火时，结果为False。

在探究活动中，教师始终作为引导者为学生提供探究支架。而学生发挥学习的主体性，学生之间团队高效合作，从现象中建构抽象的“关系运算”与“条件表达式”程序设计，这是培养学生计算思维的重要切入点。

4.实现编程，测试效果

运用关系运算条件表达式和分支语句，编程实现“遇到火情就发出警报”的效果，在MakeCode编程平台搭建“单分支结构”代码。下载测试发现预设问题：“遇到火情，警报响起却无法停止”，由此引申到“双分支结构”，赋予蜂鸣器“响起”“不响起”两个分支状态。启发学生思考生活中哪些现象或问题可以用分支结构的程序设计思想来体现和解决。

平台编程、测试完善，将抽象的程序设计知识落地，发现实际生活中问题的分支结构，运用信息技术解决生活实际问题，促进学生知识迁移，增强计算思维。

5.拓展能力，课堂总结

教师提出拓展问题：（1）蜂鸣器一直不响，就证明一定没火？学生猜测可能蜂鸣器坏了，因此提出可以升级装置的警报类型，如增加灯光、标志、图案、文字等。（2）该设备适用的场景有哪些？还可以增加哪些更智能、更及时的功能？学生表示可以增加自动出水、出干粉等及时控制火情的功能。最后教师进行课堂总结，强调在“创意→设计→制作（硬件、程序）→测试→运行”的开源硬件项目开发过程中，要理解产品背后的计算机科学知识与算法原理。另外，还要强调安全用火。

拓展问题要引发学生讨论，激发学生创意，为项目迭代提供思路，也为后来的分支结构的讲解做铺垫;点明用火安全的课堂德育点，增强“技术让生活更美好”的理念。

教学效果评价

本节课的教学效果评价来自学生量表自评和教师他评两方面。经统计，基本达成计算机科学学科概念掌握目标、思维能力和学习方法及德育等教育目标。

1.学生掌握计算机科学概念情况

计算机科学知识与概念的掌握是计算思维提升的基础和载体。学生主动探究，充分理解关系运算及其条件表达式、分支结构等抽象概念，并与自动化火情警报装置的运作原理结合，生成解决方案，产出项目成果，达到知识迁移。

2.学生思维能力与策略习得情况

学生发现生活中隐藏的“计算”问题，综合运用计算概念和工具形成解决方案;小组合作动手搭建项目原型，促进学生交流协作与创新实践能力;从确定项目主题到产出项目成果，再到项目测试迭代，体会“做中学”的学习方法。

3.学生情感道德教育情况

为减少人民群众的财产损失而开展项目学习，学生在提升计算思维的同时，增强了社会责任感和参与感，体会了信息技术给人类带来的便利和美好，打造了有温度的课堂。

参考文献

任友群，隋丰蔚，李锋. 数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J]. 中国电化教育，2016（1）： 2-8.

周业虹. 实施项目式学习，发展学科核心素养[J]. 中小学教师培训，2018（8）： 33-37.