基于PBL的开源硬件教学研究

吴苏媛

摘  要：《江苏省义务教育信息技术课程指导纲要》的总体目标是培养学生的信息素养。在信息技术教学中，教师要让学生了解计算机软、硬件知识与基本操作，尝试寻找方法处理学习、生活中信息化表达的常见问题，让学生了解信息技术在日常生活中的重要作用与价值，注重培养学生的创新意识和实践能力。各类开源硬件校本课程如雨后春笋般开展起来，Scratch图形化编程和开源硬件能让学生在操作中逐步提高自己的编程能力、操作能力、创造能力、合作能力等。

关键词：开源硬件；PBL教学方式；信息素养

一、条件：双“件”，必不可少的教学工具

1. 开源硬件

ArduBits Nano逐日夸父主控板是思泰姆在Arduino Nano基础上，采用Atmel Atmega328P-AU单片机，把主板和扩展板结合起来的控制板。其优点是接口全开放，且便于连接线路。

2. ArduBits Scratch软件

ArduBits Scratch软件是基于MIT媒体实验室的开源Scratch2.0代码和mBlock源码进行二次开发的一款图形化编程软件，它为Arduino生态系统里的电子模块开启了全新交互特性。此外，还可以用它来给ArduBits传感器模块编程。

3. 双“件”合璧，培养创造力

双“件”合璧，可以提高学生的动手造物能力，使学生的创造更直观、更生活化，同时能充分发挥学生的创造力，学以致用，解决日常生活中的问题，技术服务于生活的理念也在学生的心中生根发芽。

二、方法：PBL，基于问题的教学方式

PBL（Problem-Based Learning）也被称作问题式学习，是一种以问题为核心，以问题解决为驱动力，以分组阐述、展示、讨论及相互交流为手段，以激发学生积极主动自学、培养学生创造性思维为主要目标的全新的教学模式。PBL的教学目标尤其要突出学生的独立自学能力、资料组织能力、沟通交流能力和创新思维能力的培养。

开源硬件是指与自由及开放原始代码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件开始考虑对软件以外的领域开源，是开源文化的一部分。其中，Arduino的诞生可谓开源硬件发展史上的一个新的里程碑。开源硬件的特性便于小学教学的开展，采用PBL教学方式更加适合学生的学习，由问题出发，通过发问、解问、追问、反问等一系列环节，让学生在学习过程中通过探索尝试操作，解决生活中的问题，创造出智能化的作品，体会到开源硬件课程的魅力，同时培养学生的信息素养。PBL教学方式下的开源硬件课程实施更能激发学生的求知欲、探索欲和创造力。

三、过程：实施，层层递进的教学环节

1. 创设情境，抛出问题激兴趣

在开源硬件课程中，情境创设于问题解决的初期，根据问题进行前期的铺垫、中期的材料供给、后期的评价和整体学习效果的诊断。有效的问题设置，有利于激发学生的学习热情；创设与教学内容相符合的情境，有利于教学环节的推进。

例如，在教学苏科版《九年义务教育六年制小学教科书·信息技术》（以下统称“教材”）6年级“传感器与感知系统”这节课时，学生要掌握超声波传感器和红外传感器的用法，要能区分两者之间的异同点。超声波传感器和红外传感器的作用非常相似。为了让学生真正了解这两个传感器的区别，教师需要帮助学生创设有效的问题情境。传感器是人类五官的延伸。教师可以以“拐杖是盲人朋友必不可少的出行工具”为情境，引出帮助盲人朋友设计一个智能化的拐杖，让学生想一想该拐杖可以有哪些功能，如何实现这些功能，从而引出传感器——传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将该信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式进行输出。根据不同的功能搭配不同的传感器，让学生进一步了解各个传感器的功能。接下来，教师可以让学生尝试使用传感器。在操作中会发现超声波传感器和红外传感器都能实现测障碍物的效果，如何体会它们的区别呢？智能化拐杖可以分为白天模式和夜间模式，让学生在夜间进行测试。结果不难发现，红外传感器失效。也就说明了红外传感器反射光波，所以夜间失效，超声波传感器反射声波。

如何设计智能化盲人拐杖充分体现了PBL的驱动性。课题来自生活中需要解决的问题，真实且贴近学生的日常生活，能激发学生的兴趣。这个问题具有可行性，也有一定的社会价值，且问题来源于生活。对于学生来说，这样的设计具有现实意义。

2. 探寻思路，解决问题启思维

PBL凸显教师的引导者作用。如果有学生的回答不是全面的、精准的，教师也不要急于否定学生的答案，而应该对学生的回答进行补充与引导；对于学生的思维定式或者思路不通，教师不能放任，而应该给予启发与引导。教师不仅要创设问题情境，也要为学生提供多种解决问题的方法或途径。

例如，教材5年级“弹奏音乐”这节课主要是认识超声波传感器的功能，会运用超声波传感器解决问题。教师可以结合生活实际创设情境，以节能风扇为例进行超声波传感器的讲解。常见的教学设计是利用超声波传感器进行测距，人到风扇开，人离开风扇关。通过软件编写程序，掌握条件语句的用法。设计前，教师启发学生思路，如“花盆”，可以给花盆装温度、湿度传感器，通过温度、湿度来决定是否要浇灌，还可以装补光器，促进植物生长。学生设计时可以采用组合重构法，将生活中多个物品的功能叠加在一起；也可以采用信息交合法，把一种物品的装置迁移到其他物品上，参考前人的构思，完善自己的作品。节能风扇的关键在于节能，不能固化在一个点里。教师可以让学生就节能展开讨论，不一定是节能风扇，有没有其他节能的物品，它们是以什么方式进行节能的？能否把这种方式迁移到风扇上？通过引导与交流，启发学生思考。学生会了解到多种节能方式，如测距节能、调速节能、调温节能等，学生了解了多种节能方式后设计出来的作品就更饱满，节能风扇会根据人距离风扇的远近自动调速，也会根据室温自动调速等。

教师、学生在PBL教学中相辅相成，同步教学。学生在项目学习的过程中通过交流、合作、探究等构建对共享资源的理解，一起解决问题。

3. 展开追问，刨根问底评效能

检测问题的解决效能是动态、持续的。教师和学生在项目进行中需要针对每个环节加以反思，主要包括教学内容、探究和项目执行的必要性、项目成果的品质，以及项目中遇到的问题和解决方法。教师可以尝试追问，从反思中得到问题的反馈，进而不断调整和完善自己的作品，方便教师了解当前的学情。

例如，教材6年级“初识人工智能”这节课主要让学生感知生活中的人工智能。教师可以先从理论出发介绍人工智能的发展，然后以“亮灯”为引子，让学生思考如何创造性地改造传统的亮灯方式。创造性改造问题能体现学生的综合创新能力、整合旧知能力、编程能力和表达能力等，是学生展示才华的载体。学生作品看似创新，实则不然。针对这种情況，教师可以通过追问来推进作品的优化。借助问题，有层次地进行追问，启发学生的思维，让学生在教师的问题下有所生成。教师可以通过一个个小问题逐渐引导学生解决大问题。（1）哪些方式可以让灯亮起来？（2）哪些方式亮灯比较适合？为什么？（3）哪些方法可以让灯亮得更绚丽？

教师有效追问，能发散学生的思维，搜集集体的智慧，学生的作品会更加丰富多彩。

4. “智”造成品，交流展示享成功

学生需要向同学、教师展示或者呈现他们的项目成果。学生之间以最后的作品进行讨论与交流，项目中的其他成员也要积极参加。在讨论与交流中，可能会产生新的问题或灵感，不断学习进步，享受“智”造给学生带来的成就感，增强他们的自信心，激发造物兴趣，培养综合素养。

在PBL教学中，基于开源硬件的教学应当充分考虑小学生的学习特点，创设合适的情境，尽量满足小学生的兴趣点和好奇心，通过解问和追问的过程，让他们的信息素养得到发展，从而领悟到开源硬件学习的快乐，使信息技术教育真正落到实处。

参考文献：

［1］王蕾. 思维可见的信息技术教学法及实证案例［M］. 南京：江苏凤凰科学技术出版社，2020.

［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（2）.