开源硬件在信息技术教学中的应用

汤向东

【摘 要】掌控板是国内一款专为编程教育而设计的开源硬件，是一款普及STEAM创客教育、人工智能教育、编程教育的开源智能硬件。本文对掌控板融入高中信息技术教学的方式进行探讨，发挥信息技术课的教学环境优势，提高学生利用信息技术解决问题的能力和意识。

【关键词】掌控板;信息技术;开源硬件;编程

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2022）07-086-03

开源硬件及其特点

开源硬件（Open Source Hardware）是指用与自由软件、开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件[1]。创客教育目前使用的开源硬件有 Arduino、Raspberry Pi、Micro.bit、Microduino、掌控板等。每一种开源硬件平台都有自身的优势，可满足不同使用者的需求。开源硬件走进中小学课堂，有助于创客教育的开展，也促进了学生实践、交流、创新等能力的发展。

掌控板和mPython

掌控板是由创客教育专家委员会提出和设计的用于普及STEAM创客教育、人工智能教育、编程教育的开源智能硬件，是一款专为编程教育而设计的开源硬件。掌控板支持图形化及Python代码编程，可实现智能机器人、智造创客作品等智能应用。

mPython是一款用于对掌控板编写程序进而学习编程的软件，支持从图形化编程入手对掌控板编写程序，进而掌握Python编程语言。

基于mPython的掌控板在教学中的应用

1.为什么选择开源硬件掌控板

（1）开源硬件项目设计是新课程高中信息技术选择性必修模块6，但由于选择性必修不是每个高中学生都必须学习，所以能够参与开源硬件项目设计模块学习的学生数量有限。

（2）高中必修模块中有程序设计的内容，大部分学校选择的程序设计语言是Python，使用掌控板能够使Python程序运行结果更形象地呈现出来。

（3）在掌控板上集成了RGB灯、OLED显示屏、加速度传感器、光线传感器、麦克风、蜂鸣器、按键开关、触摸开关等。掌控板通过USB线连接计算机就能实现一些简单功能，无需另外连接传感器，避免了线路连接给初学者带来的困扰，所以掌控板更适合学生入门使用。另外，掌控板拓展性能好，接上拓展板后可实现智能机器人、智造创客作品等。

（4）使用掌控板易于实现课程整合，如可以通过mPython编程在掌控板上绘制函数图像，可以进行英语单词拼读纠错等。另外掌控板作为学生创客大赛的设备，在信息技术教学中让学生接触掌控板，为学生参赛提供多一种选择。

2.掌控板融入高中信息技术课的方式

（1）使用mPython的掌控板仿真功能。mPython有模块化编程和代码编程两种模式，对于mPython的初学者，可以先使用模块化编程，待熟悉时再使用代码编程。学生编写好程序后选择掌控板仿真中的“运行”，让程序虚拟在掌控板上运行并看到运行结果，使程序的运行结果清晰可见。大班教学时掌控板可能不是学生人手一个，在掌控板入门教学中，制作一个作品，使用仿真功能让学生马上能看到效果，提高学生的学习兴趣。在学习掌控板文字显示和基础的内置图像显示时都可以采用仿真功能。

仿真还有助于课堂展示。如果没有仿真功能，教师展示作品要通过手机、展台等途径拍摄展示给学生看，既麻烦又浪费课堂时间。如图1所示，如果学生没有掌控板，教师可以把教师机的屏幕用教学软件全屏广播给学生，通过仿真功能观看程序绘制的曲线;如果连接掌控板，则可以下载程序在掌控板的OLED屏上看到绘制曲线。

（2）在课堂中以小组合作的方式来完成项目。“基于物联网的信息系统”是高中信息技术必修2模块“信息系统与社会”的內容，这节课的目标是通过分析物联网应用实例了解常见的传感与控制机制，知道信息系统与外部世界的连接方式。在教学中，可以让学生使用掌控板完成一个“基于掌控板的小型信息系统”。以“使用掌控板监测和控制声音”项目为例，教师在课前制作好半成品终端程序，程序留空几处，学生补充程序达到掌控板作为终端实现声音监测，并使用物联网进行声音控制的效果。在这个项目中需要教师先搭建好网络平台（并给出访问网址），制作好控制端App程序（安装在手机上），并做好半成品掌控板终端程序，上课时把半成品程序发给学生。学生先读懂程序，了解掌控板是物联网中的一个结点，然后准确设置IP 地址及自己手中掌控板的结点名称，使掌控板可以连上网。通过在mPython中修改半成品程序，使用掌控板获取声音值并可将这个声音值传到控制端，在控制端设置好范围值，当声音值超出范围时，在手机（或网页）控制端可以看到是哪一个结点声音值超标，然后通过控制端发信息给相应的掌控板（如在掌控板上亮灯、发出警报声等）。程序做少许修改，就可以获取光线值，并可实现通过控制端调节光线的功能。教师通过一块小小的掌控板，就可以在课堂上实现物联网，让学生真实体验物联网项目。这既增加了课程的趣味性，也提高了课程的实用性，做到学以致用。

（3）在校本选修课中开设掌控板课程，让学生系统学习掌控板编程的知识。为了让部分对掌控板有浓厚兴趣的学生系统学习掌控板知识，教师可以编写掌控板校本课程，在学校的校本选修课中开设掌控板课程。开源硬件应用教学以项目为主体，以任务为驱动，以体验为促进，在相互交流合作中完成项目[2]。掌控板校本选修课采用项目学习的方法，分为“情境导入—项目分析—项目实现—测试与优化—拓展与应用—评价与总结”六个环节，具体如图2所示。

以案例“双向开关灯”为例，课堂教学操作流程如下。

环节1：情境导入

教师活动：播放“双向开关灯”的演示视频。

学生活动：观看演示视频并思考双向开关灯如何实现。

教学意图：引入新课，明确主题。

環节2：项目分析

学生活动：说出双向开关灯功能如何实现。

教师活动：使用PPT进行归纳（按下掌控板A，B键控制板载RGB灯切换状态）。

学生活动：完成任务1，将双向开关灯的功能分解为任务，通过流程分析双向开关灯功能如何实现（画出任务流程图）。

教学意图：学生思考双向开关灯的功能及实现方法。

环节3：项目实现

教师活动：在学生完成任务1的基础上总结出双向开关灯的流程图（图3）。

图3  双向开关灯流程图

学生活动：听讲，思考。

教学意图：用流程图的方法描述双向开关灯的实现方法。

教师活动：讲授实现双向开关灯的方法。①了解位运算符的按位异或运算符“^”;②使用板载A，B键控制板载RGB灯的亮灭。

学生活动：听讲，思考。

教学意图：学习新知。

学生活动：完成任务2，在mPython中编程实现双向开关灯。

教师活动：巡视指导，及时了解学生的练习情况，对集中出现的问题进行讲解。

教学意图：编程实现双向开关灯。

环节4：测试和优化

学生活动：①将编写的mPython程序下载到掌控板测试双向开关灯是否实现;②思考程序如何优化。

教师活动：巡视指导，观察学生练习的情况，及时进行指导。

教学意图：测试程序。

环节5：拓展与应用

教师活动：提问“双向开关灯有哪些改进的方法”。

学生活动：完成任务3“双向开关灯功能的改进”。①根据实际情况，思考双向开关灯有哪些改进的方法，如更改灯的颜色、更改显示的文本、设置程序加载时是关灯状态等;②尝试修改程序实现拓展功能。

教学意图：思考程序如何优化及尝试实现。

环节6：评价与总结

学生活动：①提交作业; ②学生展示并讲解自己的作品。

教师活动：①进行教学评价（对学生作品进行点评）;②本节课总结（归纳重难点）。

教学意图：进行作品评价和课堂总结。

本节课的亮点在于遵循了“做中学、学中做”教学理念，让学生先观看视频体验范例，根据体验分析范例的功能，在教师引导下分析出流程图;再让学生在辅助文档的引导下自主学习，完成作品制作，先学后教，做中学，学中做，在制作过程中理解其基本原理;通过优秀作品的展示让学生演示和分析其基本原理，再点拨重难点;通过拓展设计让学生学以致用;最后是优秀作品的演示，让学生开拓思路并总结本节所学知识。

在信息技术课堂中引入掌控板，既发挥了信息技术课程的教学环境优势，引导学生了解常用的开源硬件，初步学会开源硬件的基本使用方法;同时也让学生体会到创造的乐趣，培养学生利用信息技术解决问题的能力和创新设计的意识，有助于学生信息素养的提升。

注：本文系广东省2019年度教育信息化应用融合创新专项课题“基于开源硬件的校本课程开发研究——以掌控板为例”（课题编号：19JX06030），广州市天河区教育科学“十四五”规划课题“情境教学在高中信息技术课的应用研究——以必修模块为例”（课题编号：2021Y006）研究成果

参考文献

雒亮，祝智庭. 开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J]. 中国电化教育，2015（4）： 7-14.

王巍. 我国开源硬件教育应用研究综述[J]. 教学研究，2020（1）.