学科核心素养视阈下的开源硬件课程探索与实证研究

张颖

摘要：本文先对学科信息素养、跨学科项目式学习、开源硬件项目开发进行了阐述，然后通过项目式学习的教学模式对普通高中开源硬件项目设计模块进行深入的教学研究，通过一系列的实验数据，得出基于开源硬件的项目式学习不仅可以提升学生的信息技术学科核心素养，而且能够使学生的创新力得到明显提升的结论。

关键词：核心素养;项目式学习;开源硬件;创新能力

中图分类号：G642.0  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）11-0042-03

● 学科核心素养

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提出，信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成，并增加了选择性必修模块开源硬件项目设计，旨在通过本模块的学习提升学生的计算思维与创新能力。[1]

● 跨学科项目式学习

跨学科项目式教学是一种全新的教学思想，它倡导在尊重各学科知识的基础上，打破原来各学科之间固有的知识体系，重新建立知识系统，跨越各学科之间的知识界限，建立一种以项目式学习或主题学习为引领，各个学科相互联系、相互包容的新型教学模式。如今已经进入“互联网+”时代，社会对人才的需求不只局限于某一学科领域，跨学科的人才培养模式已经成为未来教育发展的趋势。信息技术学科具有知识覆盖面广、与生活联系紧密的特点，适合开展跨学科教学，这不仅有利于学生获取更多的知识，还可以提升学生的创新意识、创新思维，打破学生头脑中的“信息孤岛”思维。

● 开源硬件课程开发

1.开源硬件的概念与种类

开源硬件通常是指一种具备基本物理特征的制品，开源硬件的开发者通常会发布详尽的硬件设计资料，如电路图、物料列表、电路板布局等，以及相关的软件开发工具包。同时，开源硬件的高度开放性特点，使它获得了史無前例的高速发展。随着开源硬件的蓬勃发展，开源硬件也被应用于教育领域，目前比较常用的包括Arduino、Paspberry Pi（树莓派）、Microduino、Micro：bit等。[2]

2.开源硬件Arduino应用优势分析

在程序设计方面，Arduino去除了一些烦琐的程序指令而保留了精髓的编程思想。在教学中教师可以采取“做中学”的方法，结合项目的具体情况进行讲解，Arduino也有ArduBlock等图形化的编程软件，更适合低年龄学生学习。

在硬件方面，Arduino控制板价格低廉并且非常容易获得。与Arduino结合的外部硬件也较为丰富，如LED灯、蜂鸣器、舵机、液晶屏、直流电机、步进电机、光敏电阻、热敏电阻、温度传感器、PH计、红外传感器、超声波传感器等常用元件，可以完成更多的实际项目的设计，开阔学生的眼界。

在资源方面，Arduino作为当今开源硬件发展的热点，其中文书籍和资料非常丰富，可以满足学生的学习需求。随着近年来Arduino在中国的蓬勃发展，网络资源和网络社区也得到了快速发展，利用这些资源可以帮助教师和学生更好地掌握知识。

● 开源硬件课程项目学习实证研究

1.检验开源硬件项目学习效果的实验设计

笔者选取任教的高一年级的学生为研究对象，在课堂教学中，分别设计了“自动感应灯”“坐姿提醒器”“噪音监测系统”“智能浇花系统”“智能水族箱”等不同的项目，共计18个学时的课程，采用跨学科项目式学习模式进行课程教学探索，开展准实验研究。

（1）高中学生信息素养发展状况调研问卷

选择上海师范大学研究生陈清清编制的中小学生信息素养的评价指标[3]，根据本次实验所需，节选出高中生部分的量表开展研究，该量表根据高中信息技术课程新课标所提出的信息素养的内涵，设计了评价学生信息素养的一、二级指标，在按照专家意见修改整理后，最终得出了4个一级指标和26个二级指标，如表1所示。

（2）威廉斯创造力倾向测量表

威廉斯创造力倾向测量表是通过测试来了解一个人在冒险性、好奇心、想象力和挑战性四个方面的性格特征，共计50个题目，经过测试后可得四大类别的分数，加上总分这一项可得五项分数，分数越高，则说明创造力水平越高，反之则低。下页表2所示为题目的具体分布情况。

2.实验假设及实验变量

（1）实验假设

在实施开源硬件项目设计课程后，学生的创造力得到提高，信息素养得以提升，重点关注数字化学习与创新方面的提高。

（2）实验变量

自变量：采用项目式学习模式开展开源硬件项目设计。

因变量：学生的创造力、信息素养（四个维度）的变化。

干扰变量控制：①实验对象的固定性及其学习能力和水平的随机性，符合真实的教学情境。②教师，教学环境，授课时间、地点的稳定性。③实验对象是第一次接触实验教学内容。

3.对实验数据综合性分析

（1）高中学生信息素养问卷分析

通过对学生的前后测数据进行汇总分析，可以看出，在未接受课程教学前，中学生的信息素养平均分在2.792，认为学生的整体水平处于水平2。而在课程结束后其信息素养有所提升，平均分在3.019，虽然数值并未远高于3，但仍认为学生的整体水平处于水平3阶段。其信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任方面的平均分均有所提高，但并未产生跨水平的跳跃。其中，信息意识、数字化学习与创新、信息社会责任维度上的提高比计算思维维度上的提高更加明显。由此可见，课程对于学生整体信息素养的提高有一定的效果。

（2）威廉斯创造力倾向测量表分析

通过对学生的前后测数据进行汇总分析，利用spss软件进行配对样本T检验，得出成对样本统计量表、成对样本相关系数表和成对样本检验表的数据统计。

由数据可知，实验对象在创造力总分、冒险性、好奇心、想象力、挑战性方面的平均值均有所提升，其中冒险性、好奇心、总成绩的sig值均小于0.05，达到了显著水平，想象力和挑战性的sig值分别为0.065和0.053，大于0.05，未达显著水平。由此分析，在STEAM项目学习中学生的创造力有了较为明显的提高。

4.检验开源硬件项目学习效果的实验结论

综合上述数据分析结果，经过18个课时的开源硬件项目式学习课程，学生的信息素养得到了明显提升，整体水平从水平2提升到了水平3，且信息意识与信息素养已达到显著水平，四个维度中除计算思维的提升稍弱外，其他维度的提升较为明显。

通过分析威廉斯创造力倾向测量表的数据可以发现，经过课程学习，学生在创造力的发展上有明显的提高，除冒险性维度外，其他维度均达到显著水平。由此可推断，开源硬件项目式学习课程对于创造力的培养和提升有较为明显的效果。

● 结语

教学实践证明，开源硬件项目学习有利于培养学生在生活情境中发现问题，提取问题的基本特征，对问题进行抽象、分解、建模，制订解决方案的能力，全面提升学生跨学科的创新意识、创新思维、创新能力，使其适应未来社会对人才的需求。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]刘刚刚，肖玉贤.面向中小学教学的开源硬件现状分析与比较[J].中国教育技术装备，2018（02）：4-8.

[3]陈清清.中小学生信息素养的评价指标设计与现状调查[D].上海：上海师范大学，2020.