基于开源硬件的小学跨学科创意编程实践

【摘 要】结合小学信息科技课程内容设计与实施开源硬件项目，既是发展学生动手实践能力的有力举措，也是实现STEM跨学科学习的有效方法。“滨海创意编程”课程是基于神经元开源硬件而设置的。该课程融合了物联网、自动控制等前沿技术，旨在引导学生感受物联网技术在日常生活中的应用，体验开源硬件项目设计与开发的全过程，并通过开源硬件设计智能产品原型发展计算思维，实现智能应用。

【关键词】开源硬件；跨学科；创意编程

【中图分类号】G434 【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）09-048-04

创意编程是一种主动探索式的编程学习方式。与传统的课程教育不同，创意编程从充满趣味性的游戏开始，把模块化思维融入其中，强调实际应用编程的能力和独创性。开源硬件指与自由、开放的源代码软件拥有相同设计方式的计算机和电子硬件[1]。开源硬件作为一种数字化学习工具，因其开放性、跨平台和可扩展性特点，能支持学生个性化的创新学习，实现复杂问题的求解。开源硬件与编程软件相结合，体现了硬件资源和软件资源的对外开放，可以满足用户个性化的需求，实现技术交流和二次开发。

《义务教育课程方案（2022年版）》明确提出，要强化学科之间知识的关联，开展跨学科主题教学，以增强课程的协同育人功能。结合神经元开源硬件的“滨海创意编程”课程（以下简称“神经元创意编程课程”），以学校学生创新社团为载体，精准对接小学高年级信息科技课程，同时巧妙融合劳动、美术、音乐、科学等学科精髓，通过积极迁移、转化和重构现有认知与方法，开发出适合高年级小学生特点的创意编程课程，引导学生创造性地解决问题，实现学习的有意义发生。

小学开设基于开源硬件的跨学科创意编程教学的困境

当前许多小学基于开源硬件开展跨学科创意编程教学时，面临着诸多教学资源不均衡状况。一方面，由于硬件短缺落后、师资不足和学校开设意向较低[2]，导致部分信息科技教师在实施新课标要求的开源硬件项目时捉襟见肘。加之课时紧张，使得基于开源硬件的创意编程教学往往局限于“技术本位”的视角，过多重视学习技术知识，而忽略对思维能力的培养[3]。

另一方面，小学高年级学生对运用信息技术实现创意有强烈的兴趣，且认知能力正逐步从具象思维向抽象思维过渡。可是当他们独立面对问题情境时，往往不知如何进行资源的使用与重组、作品的设计与优化，在设计作品功能时容易忽略隐形需求及功能。虽然他们能完成作品，但是很少经历作品的二次改进、完善、再设计的过程。这些都为在小学基于开源硬件开展跨学科创意编程教学带来了挑战。

基于开源硬件的小学跨学科创意编程课程开发

为了使学生能体验跨学科研究和创造的乐趣，形成利用信息技术认识世界和改造世界的稳定思维品质，神经元创意编程课程应运而生。

1.课程背景介绍

“神经元创意实验室套件”是一款可编程智能电子积木平台（图1），面向STEM教育，拥有造型小巧、磁性接口操作便捷的数十种电子模块，包括声、光、感、动力等。“慧编程”软件是一款编程软件，能实现积木式编程和代码编程模式的快速切换。学生通过不断思考和尝试解决方案，在软件中结合神经元硬件创作有趣的故事、游戏、动画，并结合手工材料制作出有实用价值的创意作品。

图1 “神经元创意实验室套件”与“慧编程”软件相结合

2.课程内容介绍

本课程选取贴近学生生活的学习主题，使学生体验问题情境，引发认知冲突，主动提出要解决的具体问题[4]。由于学生对如何利用开源硬件制作创意作品还缺乏构思与实践，考虑制作成本和加工难度，本课程选择常见纸盒、双面胶等材料，利用神经元电子模块开创智能作品项目，即从跨学科阅读、劳动实践和生活中开展体验、实践、创新活动。在完整的学习活动中，学生既可以掌握开源硬件的原理知识和操作技巧，又能锻炼跨学科计算思维，实现创意编程（表1）。

表1 滨海创意编程课程

项 目

名 称 内 容 描 述

1.初识

神经元 了解电子模块及其分类，体验模块拼搭与系统设计

2.巧手

慧编程 连接电源和蓝牙模块，认识RGB灯模块；学习慧编程软件的基本操作

3.交通

信号灯 了解交通信号灯的颜色含义和切换规则，结合数学知识，运用逻辑思维，设计控制模块的指令逻辑；初步设计出能智能控制、自适应的信号灯

4.美化

笔筒 认识LED面板模块；编程点亮LED面板，培养审美意识与创新思维

5.闪烁

小星星 将音乐理论知识应用到编程中，通过操作灯带和无源蜂鸣器模块，创造出美观的视觉效果

6.心中

的彩色 运用色彩识别传感器模块制作颜色识别装置，思考颜色识别技术在实际生活中的应用与创新

7.光控

橱柜灯 编程控制光线传感器和RGB灯，实现节能高效的光控橱柜灯系统

8.趣味

水平仪 使用标志变量，判断和控制陀螺仪传感器数据并优化系统

9.噪音

提示器 判断和控制声音传感器数据，结合标志变量精准控制舵机的转动角度

10.卡通

温度计 认识温湿度传感器，根据实际需求校准和优化温湿度计的功能与精度

项 目

名 称 内 容 描 述

11.智能

小风扇 编程、处理人体红外传感器数据，结合随机控件实现风扇转速的自主可控

12.智能

浇花器 获取土壤湿度信息，以自动开关水泵；旋钮调整水泵工作持续的时间，实现节水型浇花系统

13.趣味水果琴 以水果为键盘，编程控制蜂鸣器发出不同音调，实践水果琴、节拍器等

14.趣味泡泡机 超声波获取人的信息，舵机转动泡泡圈移动到风扇位置，启动直流电机转动风扇吹出泡泡；组合使用舵机和直流电机实现多种情况的综合编程

15.迷你捕鼠器 根据捕鼠的功能需要，组合使用多个神经元模块并同步显示捕捉结果

16.绘本阅读灯 通过人体红外开启RGB灯，摇杆调节舵机角度和灯的亮度，以保护视力

3.教学模式建构

在神经元创意编程课程教学中，首先，教师围绕解决实际生活问题，激发学习兴趣，分析解决方案与实施步骤。然后，学生先拼搭合适的神经元模块和手工材料，再在流程图的帮助下运用慧编程软件编写程序，经过反复调试，检验是否解决问题，挖掘问题的本质。最后，师生思考是否有更好的办法、可增加的模块、更适合的材料来实现交互设计，运用生活材料美化作品，并利用微信等数字媒体工具分享作品及创意，促进作品的优化与迭代。教学环节体现了计算思维核心要素[5]，按照“问题导入、分析问题、提出方案、编程测试、优化方案、归纳总结”流程展开跨学科编程教学（表2）。

表2 跨学科编程教学的基本模式

教学环节 学习活动 问题解决 学科融合

问题导入 情境体验，提取问题 问题界定 学科学习的需求

分析问题 主动思考，分析问题 建立模型 语文、数学、科学、劳动、信息科技等学科资料的搜集、分析

提出方案 提出方案，绘制流程 数据表征 跨学科的规划设计

编程测试 编程测试，修改程序 算法设计、执行 信息科技学科为主，其他学科为辅，编程测试

优化方案 头脑风暴，优化方案 方案执行、优化 结合生活实际，依据STEM理念优化设计

归纳总结 同类归纳，交流分享 方案迁移 跨学科学习拓展

基于开源硬件的小学跨学科创意编程项目教学实践

1.以理解学习技术为目的，设计智能作品的功能

以制作“智能风扇”为例。首先，教师引导学生分析传统风扇的控制方式，发现在开关控制、转速大小、使用安全等方面存在改进空间，猜想利用合适的传感器实施控制的方式。由于风扇主要服务于人，因此将人作为被感知对象，通过了解人体红外传感器的特点和作用方式，学生学会运用该传感器获取人的信息，并控制电机模块转动扇叶，构建智能风扇原型（图2）。学生经历硬件制作到软件编程控制的全过程，建立问题解决与传感设备的对应关系，实现了对技术的理解和硬件功能的学习[6]。接着，学生尝试运用其他传感器控制直流电机模块，即运用不同传感器实现相同功能，实现对单一传感器作用的巩固与评测。

图2 智能风扇

2.以创设智能应用为目的，培养学生的创新意识

根据实际需要，实现多场景下风扇的应用。教师可以加深学生对风扇应用场景的理解，如惬意清凉帽、新风系统、油烟机等，利用相同的教学策略引导学生关注生活中存在的控制现象，使学生在可视化编程环境下，进一步理解智能控制的实现方式。

在学生运用不同传感器实现风扇旋转后，教师帮助学生梳理传感器在解决生活问题中的其他应用，建立问题与技术的关联，识别问题解决的模式[7]，以便学生发散思维，综合运用传感器及软件设计其他智能应用[8]，并不断优化改进。

3.以培养跨学科思维为目的，经历项目设计与开发的全过程

以制作一个具有实用价值的超声波测距仪为例。教师通过认识超声波和超声波测距仪在生活中的应用，引出学习任务。那么制作超声波测距仪有哪些关键要求？师生经过头脑风暴，提炼关键问题：超声波传感器是如何测距的？影响测距的因素有哪些？在真实问题情境下，学生融合数学、科学等学科的知识与方法，利用开源硬件设计智能产品并不断优化，亲历项目设计和开发的全过程，逐步形成稳定的跨学科思维模式。

（1）模型的规划与建构

一是建构模型。师生共同解构超声波传感器的结构与功能，分析超声波传感器的工作原理，感知超声波传感器测得到距离与往返时间的关联，推导出超声波传感器测距的公式，用数学语言表述实际问题，建构问题解决模型。

二是采集和分析数据。为了识别影响测距的因素，教师设计了探究实验，采集和分析数据，将实际问题转化为计算机能识别和解决的问题[9]。实验前，教师设计实验过程，思考自变量和因变量；实验时，学生小组分工，根据研究问题进行假设，并在一定的实验步骤下，完成数据记录，分析影响因素；实验后，学生交流传感器的摆放角度，进一步思考提高超声波检测准确度的其他方法。

三是自动化计算。教师借助流程图加深学生对算法的理解，增强学生逻辑思维能力的锻炼。学生通过设计草图、拼搭硬件（图3）、设计算法，实现利用计算机和其他工具自动化解决问题。

（2）模型的测试与评价

一是测试与优化。调试程序：对准不同物体，观察时间值的变化，验证距离与时间的对应关系。优化设计：输出结果的方式多样，除了液晶屏，还可以使用语音提示。美化作品：结合纸盒、双面胶美化作品。

二是展示与评价。学生展示作品的设计方案、使用范围，反思解决问题的过程、存在的问题、可改进的地方。虽然通过相互交流、评价和补充不能完全解决这些问题，但这是总结经验的过程，充分反映了学生对问题的反思、对方法的理解和其创造力。通过回顾学习超声波测距仪的过程，学生对自己的学习行为做出评价，将动手实践获得的感性经验上升为理性认识。反思将体验、经历活动推向深度理解，促进学生思维的发展和信息素养的提高。

（3）模型的归纳与分享

一是归纳模型。模型是指对某一对象进行抽象的形式化表达方式，体现了该对象的本质属性和关键特征。超声波测距仪项目建构了超声波传感器测距的模型，模型的功能是根据返回时间测算距离。其中返回时间是自变量，距离是因变量，被测物的摆放角度、材质等是干扰变量。如数学模型：用数学表达式表述测距问题，反映距离随着返回时间的变化而变化；程序模型：流程图反映超声波传感器测距的处理流程，程序指令代码计算超声波传感器测得的距离；系统模型：调查和分析制作测距仪的关键所在，归纳和总结超声波传感器的工作原理，通过数据表征建立模型，并不断验证超声波传感器测距功能的实现，经由方案的设计、实施、优化，制作出具有实用价值的超声波测距仪。

二是分享模型。迁移已有模型，实现类似问题的解决。拓展与应用：拓展测距仪功能，设计制作智能拐杖，引发学生更多的探索和思考，促进他们进一步理解技术与生活的关系；也可以运用新技术改进测距仪，提升测距仪的功能。感悟与思考：技术是可以迁移的，遇到类似问题情境时，能识别解决问题的模型，且要不断修正和完善，而不是仅限于课堂的那一点收获。

基于开源硬件的小学跨学科创意编程项目教学实践的思考

基于开源硬件的小学跨学科创意编程教学指向学生核心素养培养，有助于学生更好地掌握信息科技学科的基础知识、基本技能与思维模式。随着学习的深入与经验的积累，学生能逐步形成对技术的理性思考，强化了信息社会责任意识。

开源硬件教学仍处于发展阶段，教师应投身到案例的研究和开发中去，以便形成成熟的体系化思维培养模式，促进学生的发展。一方面，教学切不可只重视技能培训，而忽视学生创造性解决问题的想法，要支持他们将创意转化为智能创造。另一方面，教师应提升使用开源硬件的能力，加强对软硬件的了解，加强对学生创新意识的捕捉与训练。

注：本文系江苏省教育科学“十四五”规划课题“STEAM 背景下区域推进小学生跨学科阅读实践研究”（课题编号：D/2021/02/814）和江苏省现代教育技术研究课题“基于跨学科主题学习的小学创意编程实践研究”（项目编号：2021-R-92548）研究成果

参考文献

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郑莎. 思维可视化在小学开源硬件教学中的应用[J]. 中国信息技术教育，2022（4）： 101-104.

郭蓉. PBL教学模式在促进学生思维发展中的运用及反思：以图形化编程软件模块教学为例[J]. 中国信息技术教育，2020（22）：25-27.

魏烁佳 .立足学生发展的计算思维培养模式探索[J]. 中国信息技术教育，2021（7）： 26-28.

[8] 王振强，洪亮. 高中开源硬件技术教学实践与思考：以基于Arduino的智能音箱项目教学为例[J]. 中国信息技术教育，2018（18）： 45-47.

仇大成. 基于计算思维的创意编程教学策略[J]. 中小学信息技术教育，2022（7）： 56-58.

高士娟，曹恒来，丁婧. 融入计算思维的软件应用教学研究[J]. 中小学信息技术教育，2017（5）： 53-56.