初中开源硬件编程教学与社会责任培育策略研究

摘要：本文在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》背景下，对初中阶段在校内开展开源硬件编程教学的课标课、校本课、课后服务课三类课型进行了分析，并针对三类课型特点，分别从教学装备配置和课堂教学技巧两个角度，探讨了开源硬件编程课堂的教学策略，最后规划了开源硬件编程教学的信息社会责任培育路径。

关键词：开源硬件；编程；课型；教学策略；信息社会责任

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）21-0036-04

背景阐述

在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中，关于初中学段的课程内容侧重指向互联网应用与创新、物联网实践与探索、人工智能与智慧社会和跨学科的互联智慧设计[1]四个主题，其教学提示倡导“教师充分利用简易开源硬件等试验设备手段进行相关应用场景的模拟仿真搭建和协同体验探究”，从而有效落实“学生为主体的学习方式创新”和“科学原理指导实践应用”的理念。而开源硬件编程教育有助于培养信息科技学科的计算思维和数字化创新两个核心素养，有助于培育以信息安全、信息伦理道德为代表的信息社会责任素养，树立以掌握“自主可控技术”[1]为代表的信息社会责任意识。

初中开源硬件编程教学课型分析

1.课型分类

在初中阶段，校内开展的开源硬件相关的教学活动形式，按校内课程教学活动类型差异，可划分为课标课、校本课、课后服务课三类。

①课标课是指按照初中学段新课标规定的教学内容和课时要求开设的，以开源硬件为核心或载体的常态课。

②校本课是指以学校为本位、由学校自己确定的，教学内容多由教师基于本校基本情况、办学特色和教育理念而设计开发的，利用学生稳定的课余在校时间开设的，以开源硬件为核心或载体的拓展训练课。

③课后服务课是指随着“双减”政策的提出和落实，利用学生不稳定的课后在校时间开设的，以开源硬件为核心或载体的，以研学、社团、兴趣小组等形式开展的活动课。

2.课型特点对比

笔者结合教学实践，围绕初中开源硬件编程教学的课标课、校本课、课后服务课的基本属性进行特点对比，如下页表1所示。

初中开源硬件编程分课型教学策略研究

1.教学装备配置

开源硬件编程教学活动中的关键要件，就是与自由及开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。因此，在开源硬件编程教学活动中，一套完备的软、硬件设备配置包括计算机（或教学平板）、开源电子硬件（实体的主编程板、拓展配件）和开源编程软件。其中，除了基础必备标配——计算机和开源编程软件外，由于受到教学活动的时空限制，软、硬件的搭配在教学实践中通常是可灵活变动、组合的，大致可划分为虚拟仿真硬件、实体单一主板、实体复合硬件三种搭配方案。

①搭配虚拟仿真硬件的装备方案，省略了实体硬件的OL82CqqitgmAYjUcC5K0XxLiNSZafRfNcOlWv0ZN9bc=连线搭建、故障排除等环节，相较于使用实体硬件最为节省时间，适用于理解知识性原理、设计方案的连线示意、仿真呈现模拟效果等的教学，此装备方案三种课型均有应用。特别是对于教学时间紧凑的课标课，其时间优势尤为突出。官方的开源编程软件通常搭载开源主板的虚拟仿真模块，但若要对拓展配件进行虚拟仿真，需要借助其他虚拟仿真系统。因此，其缺陷在于对硬件功能性效果、软硬件通讯和人机交互等的测试有较大局限。

②搭配实体单一主板的装备方案，简化了实体硬件的连线搭建、故障排除等环节，相较于搭配使用实体复合硬件，其时间代价相对适中，适用于理解和呈现简单的硬件功能性原理和效果，测试简单的软硬件通讯和人机交互等的教学，此装备方案三种课型亦均有应用。这在一定程度上，有效兼顾了教学时间分配和硬件功能性试验的课堂教学需求。

③搭配实体复合硬件的装备方案，其中通常兼备主编程板、拓展配件等多种实体硬件，其必须预留实体硬件的连线搭建、故障排除等环节，其时间代价相对较大，适用于理解和呈现复杂的硬件功能性原理和效果，测试复杂的软硬件通讯和人机交互等的教学，此装备方案多应用于教学时间相对充沛的校本课或时长大于50分钟的课后服务课。

笔者结合当前教学实践中常用的三类开源硬件主板+Micro：bit、掌控板、Ardunio，整理了其教学中的软、硬件装备方案，如表2所示。

2.课堂教学技巧

开源硬件编程教学中常存在“‘技术本位’思想”。[2]为改善这一情况，教师可以在课堂教学中运用如下技巧：①充分的课前学情准备和课中排障准备。由于开源硬件编程的教学项目通常涉及学科广、知识复合且抽象，对学生综合能力要求高，而学生的相关知识基础和信息技术能力水平参差不齐，教学难度较大。因此，要充分评估学生的前知识水平，铺垫跨学科知识。另外，在软、硬件交互的教学活动中要充分预估学生在操作中可能出现的软、硬件故障，给予高效的排障建议。②运用支架工具对“软硬件交互”逻辑的思维建模。开源硬件编程与其他信息科技模块的显著差异在于其活动中编程涉及软、硬件交互，因此，在教学过程中要注意引导学生将数据处理的系统流程，在软、硬件交互的实物化操作体验中进行迁移。通过分析学生以往的学习经历，可利用图形化编程，降低迁移操作的难度。下面，笔者分别以一节课标课、校本课为例进行具体说明（如表3）。

初中开源硬件编程教学的信息社会责任培育策略研究

1.策略分析

（1）明确培育目标

在初中阶段，开源硬件编程通常嵌入“物联网实践与探索”和“人工智能与智慧社会”两大内容模块的教学中。因此，初中阶段将借由开源硬件编程教学落实信息社会责任素养，其主要涉及以下方面：①网络空间中物品标识和虚拟身份[5]的意义及其具备的信息安全防护能力；②人工智能对社会的影响以及对科技伦理的挑战；③人工智能的控制系统存在的安全风险，采用自主可控技术实现安全风险的降低。[6]

（2）分课型的培育策略分析

①课标课教学策略。通过基础知识和技能的普及，引导学生初步了解信息社会责任的概念和重要性。引入简单的开源硬件编程案例，如基础的数据处理或物联网应用，结合案例讲解信息安全、隐私保护等知识点。利用课堂讨论、小组合作等课堂互动形式，增加学生的参与度和理解深度。

②校本课教学策略。基于学生已有的基础知识，进行深度拓展，讲解更复杂的开源硬件编程项目。通过实际项目，让学生在实践中体验信息社会责任的重要性。

③课后服务课教学策略。利用课后服务课的时间，根据学生的兴趣爱好，引导他们参与开源硬件编程的社团活动或兴趣小组。鼓励学生自主探究，自主选择研究课题或项目，培养他们的自主学习能力和创新能力。引导学生参与开源社区，与全球的开发者交流学习，了解开源文化和信息社会责任的国际标准。

2.路径规划

（1）时间维度的培育路径规划

①短期规划。主要分为“启动阶段—实施阶段—评估阶段”三个阶段，其细化如下：首先，在课程开始前，进行信息社会责任教育的培训和科普，让教师和学生都明确教育目标及其重要性。其次，在课标课、校本课和课后服务课中逐步融入信息社会责任教育，设计相应的教学活动和任务。最后，通过常态作业等方式初步评估学生的掌握情况，并根据反馈进行调整和改进。

②中期规划。主要分为“深化阶段—拓展阶段—反思阶段”三个阶段，其细化如下：首先，在短期规划的基础上，通过案例分析、角色扮演等课堂活动方式，进一步深化信息社会责任教育，提高学生的实践能力和责任感。其次，组织学生参与开源项目、竞赛、研学等课外活动，让他们在实践中体验信息社会责任的重要性，并学习如何与他人协作、尊重他人的贡献。最后，定期组织师生进行反思和总结，找出教学过程中的问题和不足，并提出改进措施。

③长期规划。主要分为“持续教育+制订规范+社会联动”三个部分，其组成如下：首先，将信息社会责任教育作为开源硬件编程教学的长期目标之一，持续进行教育和引导。其次，建立和完善信息社会责任教育的相关教学规范，确保培育目标的达成。最后，加强与社会团体的合作与交流，在共同推动信息社会责任教育开展的同时，丰富培育资源和培育形式。

（2）“自主可控技术”为导向的培育路径规划

①自主可控技术意识和价值观养成。教师应通过“从理论讲解到案例分析”的方式，向学生明确阐述自主可控技术的定义内涵及其对国家安全、信息安全和国家经济发展的重要性。通过引入对国内外相关领域，如技术封锁、数据泄露等的实际案例分析，让学生深刻理解“掌握自主可控技术”的战略意义和价值，从而逐步培养学生的自主可控意识，并树立信息安全和自主可控的价值观。

②结合具体项目开展自主可控技术实践。首先，在选择开源硬件编程项目时，结合课程内容，优先考虑涉及自主可控技术的项目。其次，在课堂项目实践中，设置技术挑战，让学生模拟“需要依靠自主可控技术解决困境”的体验，通过实践加强对自主研发能力的训练。同时，学校可以与相关企业联动、协作，让学生有机会在真实项目中观察、思考，甚至锻炼和提升自主可控技术的研发能力。此外，鼓励学生参与开源社区，与全球开发者互动交流，学习最新的自主可控技术动态，拓展学生的技术视野。

总结

本文对初中阶段在校内开展开源硬件编程教学的课标课、校本课、课后服务课三类课型进行了分析，并针对三类课型特点，分别从教学装备配置和课堂教学技巧两个角度，探讨了开源硬件编程课堂的教学策略，最后从“时间维度”和“‘自主可控技术’为导向”两个视角，规划了开源硬件编程教学的信息社会责任培育路径。笔者认为，唯有坚持不断地对课堂教学和素养培育的策略进行钻研，才能转变以往教学中“技术本位”的思想，助力学生核心素养养成和自主可控技术意识提升。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]王巍.我国开源硬件教育应用研究综述[J].教育研究，2020（01）：71-77.

[3]许力.信息技术（2020年修订版）八年级/下册[M].福州：福建教育出版社，2020.

[4]樊磊，梁森山.人工智能 初中版[M].北京：清华大学出版社，2020.

[5][6]黄荣怀，熊璋.义务教育信息科技课程标准（2022年版）解读[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

本文系2023年度福建省中青年教师教育科研项目基础教育研究专项课题项目“培育中小学生‘信息社会责任’素养的实践路径研究”（项目编号：JSZJ23001）阶段性成果。