“基于开源硬件的作品设计与制作”教学建议

杨琳玲 首都师范大学附属云岗中学

郭君红 北京教育学院

“基于开源硬件的作品设计与制作”是《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）选择性必修模块6“开源硬件项目设计”中的重要教学内容，是为学生个性化发展而设计的课程内容。因开源硬件自身的特点，在高中阶段教学面临诸多问题与挑战，教师应依据课标要求，结合选用教材，选择符合生活实际的主题，设计和实施教学活动，实现学习目标和学业要求，从而提升学生计算思维和数字化学习与创新能力。

● 教学面临的问题与困境

1.学生学习基础差异较大

随着微电子技术和计算机技术的发展，依托开源硬件的产品越来越多，基于开源硬件的作品设计呈现出低龄化的趋势。许多小学和初中不同程度地开设基于开源硬件的课程；在高中阶段必修2“信息系统与社会”中的“信息系统组成与应用”对开源硬件也有一定的探究。这样的学情基础造成选修该模块的学生学习基础存在很大差距。

2.对教师的综合专业能力要求较高

对“基于开源硬件的作品设计与制作”相关内容的教学，入门门槛低，网络资源丰富，从而导致很多人产生此内容教师容易教、学生容易学的错觉。但实际上，学生在经历低学段图形化界面的软件学习、黑匣子式的项目设计后，需要在高中阶段有所突破；同时，大多数高中信息技术教师所学专业为计算机科学与技术或教育技术学，在硬件开发、自动控制以及创客创新等方面的专业基础相对薄弱。因此，教师在选择硬件设备、专业技术准备和面向底层的原理思考等方面都需要多下功夫。

3.学科内容交叉问题难以厘清

“基于开源硬件的作品设计与制作”不仅是信息技术学科选择性必修6的核心内容，在通用技术选择性必修3“智能家居应用设计”模块中也有所呈现，它的重点落在产品设计和系统实现上，在内容方面两者有比较高的相似性，归属问题难以厘清。如果以跨学科融合教学的形式呈现，那么信息技术教师不仅要认真研读本学科课程标准和教材，还要深入研究通用技术课标和教材，这在实施层面上有一定的难度。

● 教学内容分析与整体把握

1.课标内容要求

作为选择性必修模块6“开源硬件项目设计”的第三部分，内容体系建立在基于实例分析的开源硬件特征和项目流程的基础上，是模块重要的组成部分，有益于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力。教师要根据课标要求，组织学生开展基于事物特征的分析，设计基于开源硬件的作品开发方案，根据设计方案选择恰当的开源硬件，利用开源硬件、相关组件与材料以及设计工具或编程语言，完成作品制作，测试、运行作品的各项功能，并能对设计方案进行优化。

从学科核心素养角度来看，既要引导学生利用各种材料、开源硬件与软件实现所设计的项目方案，利用开源硬件的设计工具、编程语言实现外部数据的输入、处理，利用输出数据驱动执行装置的运行等，提升计算思维，又要在整个设计与制作过程中，通过活动实施引导学生理解并自觉践行开源的理念与知识分享的精神，理解保护知识产权的意义，提升信息社会责任。

2.教材内容编排

针对本部分教学内容，各版本教材章节编排、内容以及实施难度差异都较大，有的将方案设计与项目制作并重，注重跨学科理念，有的弱化方案设计，重点落在相应技术的开发过程，强调学科知识技能，还有的全书是多个不同方向的项目开发过程，着重突出计算思维的培养。本部分教学内容建议20～30课时左右完成，其中设计与制作开发的比重差距较大，可根据所选教材进行适时调整。各版本教材相关内容编排如下图所示。

3.开源硬件的选择

因开源硬件普及度比较高，多个版本的教材在前面内容中均对常见的开源硬件功能、开放程度进行了介绍或对比探究。在硬件选取方面，满足Python编程的开源硬件功能大同小异，教师可根据学校已有硬件或选用教材版本推荐来进行教学，建议确保至少能够实现1～2人能有一套实验设备，3～5人小组有2套以上可供项目设计的设备。当然，部分有经济实力的学校也可以同时采购多款开源硬件给学生进行自主选择。

4.教材项目活动分析

为了满足不同学习基础的学生需求，各教材所选择项目的复杂程度区别很大，项目的选择都来源于生活实际和学科学习场景，大部分版本的教材的选题开放性很大，学生可选择范围很广，个别版本考虑到学情差别，注重基础，项目融入硬件功能学习中，选题小而多。而项目设计与制作的过程相对比较一致，都遵循这样的流程：选题、设计方案、硬件设计、程序实现、调试优化、分享或发布。下页表为部分版本教材项目活动设计情况。

部分版本教材项目活动设计

在教学内容的把控上，教师应在了解学生的学情基础上，结合地区文化和学校特色进行选题，选择不同版本教材的项目活动实施方式，为学生搭建适合的学习支架，引导学生合作完成基于开源硬件的项目创意设计与制作。

各版本教材相关内容编排

● 跨学科活动设计建议

课标的“学业要求”中提出“在信息技术环境下综合利用科学、技术、工程、人文艺术与数学学科的相关知识，理解利用信息技术解决问题的基本思路与方法”，这就要求在本模块的教学中，注重跨学科的项目活动设计。跨学科活动设计通常包括主题选择、知识与技能融合、实施工具与环境以及成果展示等方面。

1.跨学科主题选择

在选择基于开源硬件项目主题时，可以选择如单摆周期实验、个人反应训练、智能植物种植、动物喂养箱等物理、生物学科的课程内容作为主题，同时，邀请学科教师作为项目指导教师，为项目的功能和实现效果把关。

2.跨学科知识与技能融合

在项目实施过程中，可能会涉及外包装设计制作、电路图绘制和艺术包装等其他学科的内容，可以邀请其他学科教师参与到项目教学过程中，针对项目中其他学科的知识和技能进行重点介绍，引导学生构建跨学科间的知识和技能联系，形成以信息技术为主体、其他学科融合的跨学科项目模式。

3.跨学科实施工具与环境

在基于开源硬件的项目学习中借助其相关的学科工具，如物理、化学、生物学科传感器开展项目优化，能够更好地达成项目实施过程。另外，信息技术机房的布置，对基于开源硬件的项目学习教学存在着较大的局限性，如果能借助学科实验室开展活动设计，能够提升项目实施的便利性。

4.跨学科的成果展示

信息技术学科项目学习的成果常是多元的，如乐器演奏、绘画作诗、科学监测、体感互动以及人文交流等，可以邀请其他学科的教师作为成果评价的专家，帮助学生改进项目成果。

● 教学活动实施建议

1.教师熟练掌握开源硬件软硬件的使用

在开展本模块教学前，建议教师尝试利用所需教学的开源硬件资源和编程平台，完成基于开源硬件的作品设计开发全流程，尽量多地尝试不同元器件的使用，并将设计和制作过程记录下来，反思教学过程中可能出现的问题和需要学生注意的要点，结合自身实践过程开展项目教学设计，并合理设计项目实施方案帮助学生构建学习过程。

2.提供支持学生自主学习的学习资源

基于开源硬件的作品设计制作可选择的硬件资源非常丰富，功能也非常多元，很难在课堂中一一尝试和学习。在项目设计过程中，让学生能够选择到合适的硬件进行功能设计对项目的实施起着至关重要的作用，建议教师在项目实施前，将项目实施所需的软硬件资源，利用网络互动平台建设成线上课程，支持学生课上随时学习所需知识与技能。

3.组建分工合适的学生团队开展项目

本模块作品的设计制作建议在项目团队的建设上相对灵活一点。对于学习基础薄弱学生可以选择3～5位组成同质团队，适当降低项目难度，鼓励做出优质作品；对于领导力比较强且有较好基础的学生既可以鼓励其带领2～3位基础薄弱的同学，在完成组成设计制作作品的同时努力实现组内的共同进步，又可以组织在不同领域有一定长项的学生组成异质小组，完成具有一定挑战的创意作品。另外，对于个别能力非常强的学生，建议尝试个人成组或以2～3人同质成组，优化分工，提供支持，鼓励参与相关创新竞赛项目。

4.设计增值性、过程性评价为主的多元评价体系

学情差异、小组构成差异以及项目方向的差异都让基于开源硬件的设计与制作不能用一把尺子来衡量作品，同时也不能用同一标准来评价学生。在这一模块的评价中，要更加关注以学生进步为核心的增值性评价，以及在设计制作过程中对团队合作、文档设计、项目实现和展示交流等进行过程性评价；设计有层次的评价量规，鼓励小组成员间互写评语并展示，同时引导学生将作品上传到线上平台进行交流。当然，有条件的学校可以将学生作品录制成路演文件在微信公众号、班级群等平台进行展示，邀请家长和其他任课教师来评价，鼓励学生更好地创新创意。