摘? 要 分析樹莓派與Arduino的區(qū)別，對比二者的優(yōu)劣勢，探討引入樹莓派對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的作用和意義，同時分析引入樹莓派對教師專業(yè)發(fā)展的影響。

關(guān)鍵詞 樹莓派;Arduino;高中;信息技術(shù);學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.67? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）23-0040-03

1 前言

在信息技術(shù)課程中，基于開源硬件的課程設(shè)計與實施有益于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐的能力。隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的公布，如何加強信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，成為高中信息技術(shù)教師亟待解決的問題。近年來，筆者所在學(xué)校在高中學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)方面進行了初步探索，引入開源硬件類相關(guān)課程，旨在通過課程培養(yǎng)學(xué)生的信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任等。樹莓派課程在國內(nèi)高中學(xué)校中開設(shè)的并不多，但是樹莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育培養(yǎng)方面有很大的優(yōu)勢，高中信息技術(shù)教師應(yīng)積極探索樹莓派的教育教學(xué)方法和模式。

2 樹莓派簡介

樹莓派硬件簡介? 樹莓派是英國劍橋大學(xué)開發(fā)的搭載ARM架構(gòu)處理器的微型計算機主機，目的在于推進兒童和成人在計算機科學(xué)和相關(guān)學(xué)科方面的教育。樹莓派是含CPU和內(nèi)存的Mini主板，它的體積約等于一張信用卡，但是可以搭載Linux、Windows操作系統(tǒng)，里面配有Python、Java、

C等語言。樹莓派以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有USB接口、以太網(wǎng)卡，可以接入鼠標(biāo)、鍵盤和網(wǎng)線;同時，樹莓派有HDMI高清視頻輸出接口和視頻模擬信號的電視輸出接口。樹莓派有多種傳感器，包括聲音、光線、溫度、濕度、灰塵等各類傳感器，通過這些傳感器可以感知外部的變化。

樹莓派使用現(xiàn)狀? 國外很多學(xué)校開設(shè)有樹莓派課程，并有完整的教學(xué)培訓(xùn)和教學(xué)應(yīng)用。在這些學(xué)校中，樹莓派主要應(yīng)用于中小學(xué)計算機編程教育，教學(xué)流程包括教、學(xué)、做三個環(huán)節(jié)，分別是教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)生和教師一起完成項目。自2012年起，樹莓派基金會聯(lián)合英國劍橋大學(xué)和英國計算機協(xié)會等機構(gòu)，陸續(xù)開展各種教學(xué)活動和研討會，為中小學(xué)培訓(xùn)了數(shù)千名樹莓派的優(yōu)秀教師，為樹莓派在教學(xué)活動中的應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

在國內(nèi)，樹莓派已經(jīng)應(yīng)用于部分高校，并使用樹莓派開發(fā)設(shè)計出多種系統(tǒng)，如于志強的基于樹莓派的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)、王節(jié)旺的雷電預(yù)警系統(tǒng)等。部分學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)注將樹莓派應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計，如汪琴的基于樹莓派的高級語言程存設(shè)計類課程教學(xué)研究，李文勝的基于樹莓派的嵌入式Linux開發(fā)教學(xué)探索。

目前，樹莓派全球銷量已經(jīng)過百萬，樹莓派已經(jīng)廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、機器人、工業(yè)控制、教育教學(xué)等方面。但是樹莓派在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用還比較少，樹莓派強大的功能和推進計算機教育的設(shè)計，使得它在推進信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的進程中必定能發(fā)揮重大的作用。

3 樹莓派與其他開源硬件的比較

目前，國內(nèi)高中階段學(xué)校引入的開源硬件課程中多為Arduino。Arduino自2005年推出以來，受到電子愛好者的推崇。Arduino和樹莓派看起來很相似，都是小型的電路板，但是在功能、性能、價格等方面有很大區(qū)別。

1）樹莓派是電路板，但是它有SD卡，SD卡里只需要燒錄一次操作系統(tǒng)，之后可以在這個SD卡上編寫多個程序，不需要再次燒錄。Arduino也是一個電路板，可以通過USB同計算機通信。Arduino實現(xiàn)一個功能或設(shè)計，編寫好程序后，需要把程序燒錄在電路板上;每次有新功能或者新需求時，電路板都需要重新燒錄。

2）Arduino UNO是學(xué)校最常用的型號，它是工業(yè)領(lǐng)域中常見的8-bit ATMEGA328，運行頻率最高僅為20 MHz，而樹莓派卻有一顆運行在700 MHz的ARM11 CPU。

3）樹莓派可以運行完整的操作系統(tǒng)，意味著可以用熟練的語言和庫進行開發(fā)。目前，人工智能使用的Python語言就可以用在樹莓派上。而Arduino使用C語言編寫程序，C語言是面向過程的語言。

4）樹莓派自帶的接口比較全面，USB、HDMI、網(wǎng)線、SD讀卡器等;而Arduino的接口比較單一，與外部設(shè)備通信需要另外購置接口板。

5）樹莓派的安裝過程比較煩瑣，需要燒錄操作系統(tǒng)到內(nèi)存卡上，通過串口配置IP，開啟SSH連接，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接等，這些過程會用到Linux命令和網(wǎng)絡(luò)知識。而Arduino的安裝很簡單，只需要通過USB將Arduino與計算機連接就可以。

6）樹莓派價格相對高昂，一個樹莓派初級套件價格約為400元人民幣。而Arduino初級套件價格是樹莓派的一半，約為200元人民幣。

4 樹莓派課程對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

增強學(xué)生信息意識? 當(dāng)今時代是信息的時代，海量的信息不斷地沖擊人們。學(xué)生從高中階段就應(yīng)該培養(yǎng)信息意識，有意識地挖掘有價值的信息，提取信息背后的有價值的知識。樹莓派在國內(nèi)高中階段學(xué)校的普及率不高，但是在國外已經(jīng)成為高中學(xué)生的必修課之一。在樹莓派課程開發(fā)和設(shè)計過程中，教師會結(jié)合樹莓派使用的場景（如工業(yè)控制、智能家居、家庭防盜、探索太空等）提供學(xué)習(xí)資料，并結(jié)合樹莓派官網(wǎng)的視頻案例進行講解，通過這些學(xué)習(xí)資料和視頻案例，引導(dǎo)學(xué)生理解樹莓派的功能和應(yīng)用，思考樹莓派可以解決學(xué)習(xí)和生活中的什么問題，并提出創(chuàng)意。

促進計算思維能力培養(yǎng)? 計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。由于計算思維是借助計算機科學(xué)基礎(chǔ)概念進行的思維活動，因此，它是信息技術(shù)課在思維培養(yǎng)層面的教學(xué)目標(biāo)。將樹莓派引入高中信息技術(shù)課堂，可以促進學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）樹莓派雖小，但是它的功能和普通計算機一致。樹莓派可以做很多計算機能做的事情，可以利用樹莓派在課堂上創(chuàng)作一些解決現(xiàn)實問題的小產(chǎn)品，如鬧鐘、空氣指數(shù)顯示器、數(shù)字溫度計、廣告燈、音樂盒等。這些創(chuàng)意作品會使用到開源硬件課程中基本的電子元件，教師通過對電子元件的介紹和現(xiàn)實生活中實際問題的描述，由學(xué)生用對應(yīng)電子元件解決問題，從而完成創(chuàng)意作品。學(xué)生通過創(chuàng)作這些小產(chǎn)品，完成從基本概念到問題求解的過程。

2）樹莓派也可以完成計算機不能完成的事情，如實時拍照攝像的監(jiān)控系統(tǒng)、室內(nèi)溫度監(jiān)控器、紅外感應(yīng)報警器等。隨著課程的推進，學(xué)生對基礎(chǔ)內(nèi)容的熟悉和掌握，教師可讓學(xué)生思考用樹莓派去實現(xiàn)智能家居、智慧城市、智能醫(yī)療、無人駕駛等方向需要的裝置或系統(tǒng)。通過對前沿技術(shù)的探索，對問題認真思考，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)能力。

提高數(shù)字化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力? 樹莓派可以搭載Linux系統(tǒng)，而國內(nèi)大多數(shù)中學(xué)使用的系統(tǒng)基本是Windows系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)是一款免費的操作系統(tǒng)，它有支持多用戶、多任務(wù)，可以運行在多種硬件平臺的優(yōu)點，這些優(yōu)點使得Linux操作系統(tǒng)被互聯(lián)網(wǎng)公司和學(xué)術(shù)研究者青睞。高中學(xué)生不應(yīng)該拘泥于Windows上的Office、Flash等，而應(yīng)該和歐美國家的高中學(xué)生一樣學(xué)習(xí)Linux的基礎(chǔ)命令和文件系統(tǒng)。

樹莓派中可以使用Python、C、Java、Scratch等開發(fā)語言，其中Python是目前流行的人工智能使用的語言。Python是一種代表簡單主義思想的語言，有接近人類自然語言的語法。Python解釋型的腳本語言不需要編譯。樹莓派為Python編程提供了一個便宜到令人無法置信的開發(fā)平臺。近幾年，國內(nèi)高中階段的編程語言多是積木式編程，如Scratch、Mixly等，并不能真正提高學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。目前，學(xué)生可以從Python官網(wǎng)下載Python最新的安裝包，同時可以查看Python社區(qū)論壇的討論。如果學(xué)生的英文水平不強，國內(nèi)也有多個Python相關(guān)網(wǎng)站可以進行學(xué)習(xí)。

樹莓派的官方網(wǎng)站也提供了很多樹莓派的學(xué)習(xí)資料，社區(qū)有來自世界各地的樹莓派愛好者的分享和交流，Blog中記錄樹莓派學(xué)習(xí)者的項目經(jīng)驗和創(chuàng)意作品實現(xiàn)。樹莓派在國外高中學(xué)校普及率很高，所以學(xué)生應(yīng)該多通過樹莓派官網(wǎng)了解國外學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和創(chuàng)意想法。

提高社會責(zé)任感? 在學(xué)習(xí)樹莓派的過程中，教師會對比國內(nèi)外的現(xiàn)狀，很多最新的技術(shù)都源自歐洲或美國等發(fā)達國家。近年來，我國各項技術(shù)也取得長足進步，但在科技領(lǐng)域鮮有發(fā)明。在學(xué)習(xí)樹莓派、Python這些內(nèi)容的同時，應(yīng)該讓學(xué)生多學(xué)習(xí)國外技術(shù)人員追求極致、敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神，在未來的學(xué)習(xí)生活中為國家的科技進步作出貢獻。

5 樹莓派課程對教師素質(zhì)的提升

提高教師教學(xué)研究能力? 信息技術(shù)學(xué)科是一門不斷實踐、不斷探索的學(xué)科。教師在教學(xué)過程中組織和實施教學(xué)活動，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷向教師反饋學(xué)習(xí)狀態(tài)，教師給予指導(dǎo)，并根據(jù)學(xué)生的反饋做出調(diào)整，從而改進教學(xué)效果。教師不斷改進教學(xué)內(nèi)容，不斷完善教學(xué)方法，不斷修訂教學(xué)進度，逐漸達到教學(xué)的最優(yōu)化。因此，這就要求教師具有教學(xué)設(shè)計和研究能力，針對教學(xué)過程進行評價，不斷反思，改進教學(xué)，不斷總結(jié)經(jīng)驗。將樹莓派引入信息技術(shù)課堂，教師在教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)學(xué)生學(xué)情不斷進行教學(xué)研究和探討，從而提高教師的教學(xué)研究能力。

提高教師自我學(xué)習(xí)能力? 目前，高中信息技術(shù)教師多采用Windows系統(tǒng)進行教學(xué)，對Linux系統(tǒng)的掌握不夠精通。Linux系統(tǒng)的學(xué)習(xí)對高中信息技術(shù)學(xué)科教師來說不是特別難，通過努力，一定可以取得很好的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生帶來全新的學(xué)習(xí)體驗。

樹莓派國內(nèi)高中階段學(xué)習(xí)資料較少，教師需要瀏覽國外網(wǎng)站，這就需要提高英文閱讀水平。同時，樹莓派項目設(shè)計需要了解當(dāng)前的技術(shù)熱點，要求教師平時多留心技術(shù)熱點和技術(shù)難題，深入研究，將技術(shù)熱點經(jīng)過學(xué)習(xí)消化轉(zhuǎn)換成簡單易懂的教學(xué)材料;將技術(shù)難題與生活融合，形成學(xué)生可以實現(xiàn)的模型。

6 結(jié)語

本文對Arduino與樹莓派在功能、性能、價格等方面進行了對比，二者各有優(yōu)劣。但是樹莓派可以實現(xiàn)更多Arduino無法實現(xiàn)的高級功能，有目前學(xué)術(shù)界和互聯(lián)網(wǎng)公司使用較多的Linux操作系統(tǒng)和Python語言。在高中階段將樹莓派引入課堂，可以開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。同時，通過對這些新興技術(shù)的學(xué)習(xí)和實踐，也有利于教師的專業(yè)發(fā)展。

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作者：靳孝芳，北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)未來科技城學(xué)校，中學(xué)二級教師（102209）。