沈榮斌 劉 園

(1.當(dāng)涂縣教育局 2.當(dāng)涂第二中學(xué) 安徽馬鞍山 243000)

一、提出問題的背景

當(dāng)今社會，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展、知識經(jīng)濟(jì)和信息社會已經(jīng)來臨，迫切需要高素質(zhì)的、具有創(chuàng)造能力并全面發(fā)展的人才。教育部發(fā)布關(guān)于印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確提出，要“探索創(chuàng)客教育等新教育模式”，為創(chuàng)新教育的實施指明了方向。

普通高中信息技術(shù)最新課程標(biāo)準(zhǔn)，提出學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個核心要素組成。而在中小學(xué)開展開源硬件項目設(shè)計教學(xué)，可讓學(xué)生體驗研究和創(chuàng)造的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計的意識與能力。這既是國家對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑。

二、開源硬件項目設(shè)計教學(xué)的實踐

(一)初級階段，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造的熱情

1.學(xué)生學(xué)習(xí)主要所面臨的問題。對于開源硬件平臺我們選擇的是Arduino，之所以選擇它，因為這開源硬件價格實惠，大小適合、配件等唾手可得，非常有利于學(xué)校開展硬件項目設(shè)計的教學(xué)。對Arduino的學(xué)習(xí)主要分兩部分，硬件和軟件兩個方面。在學(xué)習(xí)的過程中需要對Arduino UNO 板、面包板、跳線、LED 燈，色環(huán)電阻、按鍵、有源蜂鳴器、超聲波等傳感器模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。

在編程方面，現(xiàn)在有初中和小學(xué)在使用圖形化編程工具(如Scratch教學(xué))，Scratch編程不失為低學(xué)齡階段編程教學(xué)的優(yōu)秀教學(xué)工具，但是，模塊化編程學(xué)習(xí)終究并非編程的本質(zhì)，編程最終還是需要回歸到代碼語言的編寫當(dāng)中去。所以我們選擇的是集成開發(fā)環(huán)境(Arduino IDE),類似C、C++語言。

主要面臨的問題，一根據(jù)項目，需要選擇不同的硬件連接、組裝，這會使一些不愛動手的學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。二對于幾乎沒有涉足過編程的高中生而言，在學(xué)習(xí)過程會產(chǎn)生畏懼的心理，表示不喜歡代碼。因此，如果學(xué)生對Arduino的學(xué)習(xí)沒有興趣與熱情的支持，教學(xué)將難以為繼。

2．應(yīng)對的教學(xué)策略。一要強調(diào)整體參與、小組合作學(xué)習(xí)，確保每位學(xué)生參與進(jìn)來。Arduino 對學(xué)生而言是一個的挑戰(zhàn)，學(xué)生的電路組裝能力與編程的學(xué)習(xí)能力的差異，對學(xué)習(xí)的結(jié)果影響顯著。為了不讓學(xué)生在初級階段的學(xué)習(xí)產(chǎn)生明顯差異，在初級學(xué)習(xí)階段，要強調(diào)小組合作學(xué)習(xí)，教師課前要分好組、選好組長(建議3至4人每組)，在每節(jié)課中以共同的合作學(xué)習(xí)成果給全組評價。評價由教師和學(xué)生互評組成，全體成員都獲得同一個分?jǐn)?shù)，用小組成績代替?zhèn)€人成績，促使小組成員的互幫互助，共同進(jìn)步。

二要運用馬斯洛的需要層次理論，培養(yǎng)與維持學(xué)生學(xué)習(xí)與創(chuàng)造的熱情。1943年美國人本主義心理學(xué)家馬斯洛在《人的動機理論》一書中從人體心理結(jié)構(gòu)的角度提出了需要層次理論。根據(jù)其理論，學(xué)生的學(xué)習(xí)必須要在滿足基本的生理、安全、自尊、愛的需要的同時，才會有強烈的學(xué)習(xí)需要。因此，基于這一理論，設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，以滿足學(xué)生需求，即尊重的需求。尊重需求既包括對成就或自我價值的個人感覺，也包括他人對自己的認(rèn)可與尊重。

首先，每節(jié)課都要展示多件優(yōu)秀的設(shè)計作品，對作品進(jìn)行細(xì)致的評價，用夸張的言語表達(dá)我對作品的贊賞。特別是在編程方面和設(shè)計上表現(xiàn)出的獨特想法和創(chuàng)新的作品，進(jìn)行毫不吝嗇的稱贊。在受到贊賞會產(chǎn)生一種潛在的快樂心情，這樣會維持學(xué)習(xí)熱情。

其次，在每節(jié)課的開始都對上一節(jié)的知識進(jìn)行梳理，讓學(xué)生來充當(dāng)老師的角色帶領(lǐng)全班同學(xué)對舊知識的復(fù)習(xí),特別是分享自己的發(fā)現(xiàn)。這樣會最大限度地引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)活動中，極大地鼓舞了學(xué)生探索和學(xué)習(xí)的熱情，使學(xué)生在分享知識的過程中學(xué)會學(xué)習(xí)。

(二)中級階段，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供個性化支持與幫助

當(dāng)完成初級階段學(xué)習(xí)后，學(xué)生已經(jīng)掌握一些硬件基礎(chǔ)知識和編程的方法，但在這過程中小組之間的差異就更加明顯的表現(xiàn)出來了。盡管有小組之間的互助機制，但限于每個人的理解、接受能力不同，差異還明顯存在。學(xué)的快的同學(xué)想學(xué)更多的知識，學(xué)的慢的同學(xué)想減緩學(xué)習(xí)速度。這就需要按學(xué)生的認(rèn)知水平,實施分層教學(xué),因材施教。此時可以以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師需要為學(xué)生構(gòu)建自主學(xué)習(xí)的多維空間，具體做法可以是：

1.將階梯型的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)資源呈現(xiàn)在微信公眾號平臺上。學(xué)生可根據(jù)自己的實際出發(fā)來進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，做到循序漸進(jìn)，層層深入。

2.將教學(xué)中的難點和重點制作成微課，發(fā)布在平臺上，學(xué)生根據(jù)自己的需要隨時觀看，反復(fù)鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容。使學(xué)習(xí)的自主性、靈活性、探究性增強。

3.利用專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)(論壇，如：https://www.arduino.cn/)提供的資源來學(xué)習(xí)相關(guān)的內(nèi)容和經(jīng)典案例。也可以在論壇分享自己的作品和心得等。

這些方法解決了因?qū)W生的差異而帶來的問題，還使學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)相關(guān)的知識，而且還能掌握獲取知識的途徑、方法，培養(yǎng)了學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展能力。

(三)高級階段，通過實踐活動(解決生活中的問題為目的項目實踐)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力。

在完成Arduino 基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，學(xué)生有了一定的Arduino 軟硬件基礎(chǔ)之后，以開展圍繞相關(guān)主題活動方式進(jìn)行教學(xué)活動，如：開展“智慧家庭”、“智慧學(xué)?！?、“智慧社區(qū)”等主題。以“智慧家庭”為例，引導(dǎo)學(xué)生圍繞“智慧家庭”主題提出研究課題(如“室內(nèi)溫度自動控制系統(tǒng)”“室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”“智能窗戶”“智能晾衣架”“智能澆花系統(tǒng)”“智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)”“智能安保系統(tǒng)”等)，實現(xiàn)對開源硬件平臺的學(xué)習(xí)，體驗項目流程。

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對日常生活的問題進(jìn)行觀察和思考，發(fā)現(xiàn)適合的創(chuàng)客項目。在問題的解決過程中，學(xué)生需要調(diào)查研究、設(shè)計方案、動手制作、編寫程序、測試等過程，最終創(chuàng)作出有創(chuàng)意和思想內(nèi)涵的作品，例如手勢控制LED燈、智能家居、懶人花架、學(xué)校廁所節(jié)水系統(tǒng)、踩踏鬧鐘、安全拖鞋、智能限高桿等學(xué)生創(chuàng)意作品，在項目實踐過程中，學(xué)生體驗學(xué)習(xí)過程的艱辛與樂趣，培養(yǎng)分析問題和解決問題的思想和方法，提升學(xué)生的計算思維與創(chuàng)新能力。

三、總結(jié)與反思

經(jīng)過以上三個段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備較強電子制作和編程的能力，可以制作一些有創(chuàng)意又能解決問題的作品。并在這學(xué)習(xí)的過程中得到了快樂。動手能力、思維能力和創(chuàng)新能力都得到了很大的發(fā)展。不過在教學(xué)中也出現(xiàn)了一些問題，如個別學(xué)生因?qū)W習(xí)的動力不足而導(dǎo)致基本任務(wù)都完成不了，以至隨后出現(xiàn)的負(fù)面問題，課時不足，器材損耗大等都是需要進(jìn)一步進(jìn)行研究解決。