【摘 要】結合小學信息科技課程內(nèi)容設計與實施開源硬件項目，既是發(fā)展學生動手實踐能力的有力舉措，也是實現(xiàn)STEM跨學科學習的有效方法?！盀I海創(chuàng)意編程”課程是基于神經(jīng)元開源硬件而設置的。該課程融合了物聯(lián)網(wǎng)、自動控制等前沿技術，旨在引導學生感受物聯(lián)網(wǎng)技術在日常生活中的應用，體驗開源硬件項目設計與開發(fā)的全過程，并通過開源硬件設計智能產(chǎn)品原型發(fā)展計算思維，實現(xiàn)智能應用。

【關鍵詞】開源硬件；跨學科；創(chuàng)意編程

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）09-048-04

創(chuàng)意編程是一種主動探索式的編程學習方式。與傳統(tǒng)的課程教育不同，創(chuàng)意編程從充滿趣味性的游戲開始，把模塊化思維融入其中，強調(diào)實際應用編程的能力和獨創(chuàng)性。開源硬件指與自由、開放的源代碼軟件擁有相同設計方式的計算機和電子硬件[1]。開源硬件作為一種數(shù)字化學習工具，因其開放性、跨平臺和可擴展性特點，能支持學生個性化的創(chuàng)新學習，實現(xiàn)復雜問題的求解。開源硬件與編程軟件相結合，體現(xiàn)了硬件資源和軟件資源的對外開放，可以滿足用戶個性化的需求，實現(xiàn)技術交流和二次開發(fā)。

《義務教育課程方案（2022年版）》明確提出，要強化學科之間知識的關聯(lián)，開展跨學科主題教學，以增強課程的協(xié)同育人功能。結合神經(jīng)元開源硬件的“濱海創(chuàng)意編程”課程（以下簡稱“神經(jīng)元創(chuàng)意編程課程”），以學校學生創(chuàng)新社團為載體，精準對接小學高年級信息科技課程，同時巧妙融合勞動、美術、音樂、科學等學科精髓，通過積極遷移、轉化和重構現(xiàn)有認知與方法，開發(fā)出適合高年級小學生特點的創(chuàng)意編程課程，引導學生創(chuàng)造性地解決問題，實現(xiàn)學習的有意義發(fā)生。

小學開設基于開源硬件的跨學科創(chuàng)意編程教學的困境

當前許多小學基于開源硬件開展跨學科創(chuàng)意編程教學時，面臨著諸多教學資源不均衡狀況。一方面，由于硬件短缺落后、師資不足和學校開設意向較低[2]，導致部分信息科技教師在實施新課標要求的開源硬件項目時捉襟見肘。加之課時緊張，使得基于開源硬件的創(chuàng)意編程教學往往局限于“技術本位”的視角，過多重視學習技術知識，而忽略對思維能力的培養(yǎng)[3]。

另一方面，小學高年級學生對運用信息技術實現(xiàn)創(chuàng)意有強烈的興趣，且認知能力正逐步從具象思維向抽象思維過渡?？墒钱斔麄儶毩⒚鎸栴}情境時，往往不知如何進行資源的使用與重組、作品的設計與優(yōu)化，在設計作品功能時容易忽略隱形需求及功能。雖然他們能完成作品，但是很少經(jīng)歷作品的二次改進、完善、再設計的過程。這些都為在小學基于開源硬件開展跨學科創(chuàng)意編程教學帶來了挑戰(zhàn)。

基于開源硬件的小學跨學科創(chuàng)意編程課程開發(fā)

為了使學生能體驗跨學科研究和創(chuàng)造的樂趣，形成利用信息技術認識世界和改造世界的穩(wěn)定思維品質(zhì)，神經(jīng)元創(chuàng)意編程課程應運而生。

1.課程背景介紹

“神經(jīng)元創(chuàng)意實驗室套件”是一款可編程智能電子積木平臺（圖1），面向STEM教育，擁有造型小巧、磁性接口操作便捷的數(shù)十種電子模塊，包括聲、光、感、動力等?！盎劬幊獭避浖且豢罹幊誊浖軐崿F(xiàn)積木式編程和代碼編程模式的快速切換。學生通過不斷思考和嘗試解決方案，在軟件中結合神經(jīng)元硬件創(chuàng)作有趣的故事、游戲、動畫，并結合手工材料制作出有實用價值的創(chuàng)意作品。

圖1 “神經(jīng)元創(chuàng)意實驗室套件”與“慧編程”軟件相結合

2.課程內(nèi)容介紹

本課程選取貼近學生生活的學習主題，使學生體驗問題情境，引發(fā)認知沖突，主動提出要解決的具體問題[4]。由于學生對如何利用開源硬件制作創(chuàng)意作品還缺乏構思與實踐，考慮制作成本和加工難度，本課程選擇常見紙盒、雙面膠等材料，利用神經(jīng)元電子模塊開創(chuàng)智能作品項目，即從跨學科閱讀、勞動實踐和生活中開展體驗、實踐、創(chuàng)新活動。在完整的學習活動中，學生既可以掌握開源硬件的原理知識和操作技巧，又能鍛煉跨學科計算思維，實現(xiàn)創(chuàng)意編程（表1）。

表1 濱海創(chuàng)意編程課程

項 目

名 稱 內(nèi) 容 描 述

1.初識

神經(jīng)元 了解電子模塊及其分類，體驗模塊拼搭與系統(tǒng)設計

2.巧手

慧編程 連接電源和藍牙模塊，認識RGB燈模塊；學習慧編程軟件的基本操作

3.交通

信號燈 了解交通信號燈的顏色含義和切換規(guī)則，結合數(shù)學知識，運用邏輯思維，設計控制模塊的指令邏輯；初步設計出能智能控制、自適應的信號燈

4.美化

筆筒 認識LED面板模塊；編程點亮LED面板，培養(yǎng)審美意識與創(chuàng)新思維

5.閃爍

小星星 將音樂理論知識應用到編程中，通過操作燈帶和無源蜂鳴器模塊，創(chuàng)造出美觀的視覺效果

6.心中

的彩色 運用色彩識別傳感器模塊制作顏色識別裝置，思考顏色識別技術在實際生活中的應用與創(chuàng)新

7.光控

櫥柜燈 編程控制光線傳感器和RGB燈，實現(xiàn)節(jié)能高效的光控櫥柜燈系統(tǒng)

8.趣味

水平儀 使用標志變量，判斷和控制陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)并優(yōu)化系統(tǒng)

9.噪音

提示器 判斷和控制聲音傳感器數(shù)據(jù)，結合標志變量精準控制舵機的轉動角度

10.卡通

溫度計 認識溫濕度傳感器，根據(jù)實際需求校準和優(yōu)化溫濕度計的功能與精度

項 目

名 稱 內(nèi) 容 描 述

11.智能

小風扇 編程、處理人體紅外傳感器數(shù)據(jù)，結合隨機控件實現(xiàn)風扇轉速的自主可控

12.智能

澆花器 獲取土壤濕度信息，以自動開關水泵；旋鈕調(diào)整水泵工作持續(xù)的時間，實現(xiàn)節(jié)水型澆花系統(tǒng)

13.趣味水果琴 以水果為鍵盤，編程控制蜂鳴器發(fā)出不同音調(diào)，實踐水果琴、節(jié)拍器等

14.趣味泡泡機 超聲波獲取人的信息，舵機轉動泡泡圈移動到風扇位置，啟動直流電機轉動風扇吹出泡泡；組合使用舵機和直流電機實現(xiàn)多種情況的綜合編程

15.迷你捕鼠器 根據(jù)捕鼠的功能需要，組合使用多個神經(jīng)元模塊并同步顯示捕捉結果

16.繪本閱讀燈 通過人體紅外開啟RGB燈，搖桿調(diào)節(jié)舵機角度和燈的亮度，以保護視力

3.教學模式建構

在神經(jīng)元創(chuàng)意編程課程教學中，首先，教師圍繞解決實際生活問題，激發(fā)學習興趣，分析解決方案與實施步驟。然后，學生先拼搭合適的神經(jīng)元模塊和手工材料，再在流程圖的幫助下運用慧編程軟件編寫程序，經(jīng)過反復調(diào)試，檢驗是否解決問題，挖掘問題的本質(zhì)。最后，師生思考是否有更好的辦法、可增加的模塊、更適合的材料來實現(xiàn)交互設計，運用生活材料美化作品，并利用微信等數(shù)字媒體工具分享作品及創(chuàng)意，促進作品的優(yōu)化與迭代。教學環(huán)節(jié)體現(xiàn)了計算思維核心要素[5]，按照“問題導入、分析問題、提出方案、編程測試、優(yōu)化方案、歸納總結”流程展開跨學科編程教學（表2）。

表2 跨學科編程教學的基本模式

教學環(huán)節(jié) 學習活動 問題解決 學科融合

問題導入 情境體驗，提取問題 問題界定 學科學習的需求

分析問題 主動思考，分析問題 建立模型 語文、數(shù)學、科學、勞動、信息科技等學科資料的搜集、分析

提出方案 提出方案，繪制流程 數(shù)據(jù)表征 跨學科的規(guī)劃設計

編程測試 編程測試，修改程序 算法設計、執(zhí)行 信息科技學科為主，其他學科為輔，編程測試

優(yōu)化方案 頭腦風暴，優(yōu)化方案 方案執(zhí)行、優(yōu)化 結合生活實際，依據(jù)STEM理念優(yōu)化設計

歸納總結 同類歸納，交流分享 方案遷移 跨學科學習拓展

基于開源硬件的小學跨學科創(chuàng)意編程項目教學實踐

1.以理解學習技術為目的，設計智能作品的功能

以制作“智能風扇”為例。首先，教師引導學生分析傳統(tǒng)風扇的控制方式，發(fā)現(xiàn)在開關控制、轉速大小、使用安全等方面存在改進空間，猜想利用合適的傳感器實施控制的方式。由于風扇主要服務于人，因此將人作為被感知對象，通過了解人體紅外傳感器的特點和作用方式，學生學會運用該傳感器獲取人的信息，并控制電機模塊轉動扇葉，構建智能風扇原型（圖2）。學生經(jīng)歷硬件制作到軟件編程控制的全過程，建立問題解決與傳感設備的對應關系，實現(xiàn)了對技術的理解和硬件功能的學習[6]。接著，學生嘗試運用其他傳感器控制直流電機模塊，即運用不同傳感器實現(xiàn)相同功能，實現(xiàn)對單一傳感器作用的鞏固與評測。

圖2 智能風扇

2.以創(chuàng)設智能應用為目的，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識

根據(jù)實際需要，實現(xiàn)多場景下風扇的應用。教師可以加深學生對風扇應用場景的理解，如愜意清涼帽、新風系統(tǒng)、油煙機等，利用相同的教學策略引導學生關注生活中存在的控制現(xiàn)象，使學生在可視化編程環(huán)境下，進一步理解智能控制的實現(xiàn)方式。

在學生運用不同傳感器實現(xiàn)風扇旋轉后，教師幫助學生梳理傳感器在解決生活問題中的其他應用，建立問題與技術的關聯(lián)，識別問題解決的模式[7]，以便學生發(fā)散思維，綜合運用傳感器及軟件設計其他智能應用[8]，并不斷優(yōu)化改進。

3.以培養(yǎng)跨學科思維為目的，經(jīng)歷項目設計與開發(fā)的全過程

以制作一個具有實用價值的超聲波測距儀為例。教師通過認識超聲波和超聲波測距儀在生活中的應用，引出學習任務。那么制作超聲波測距儀有哪些關鍵要求？師生經(jīng)過頭腦風暴，提煉關鍵問題：超聲波傳感器是如何測距的？影響測距的因素有哪些？在真實問題情境下，學生融合數(shù)學、科學等學科的知識與方法，利用開源硬件設計智能產(chǎn)品并不斷優(yōu)化，親歷項目設計和開發(fā)的全過程，逐步形成穩(wěn)定的跨學科思維模式。

（1）模型的規(guī)劃與建構

一是建構模型。師生共同解構超聲波傳感器的結構與功能，分析超聲波傳感器的工作原理，感知超聲波傳感器測得到距離與往返時間的關聯(lián)，推導出超聲波傳感器測距的公式，用數(shù)學語言表述實際問題，建構問題解決模型。

二是采集和分析數(shù)據(jù)。為了識別影響測距的因素，教師設計了探究實驗，采集和分析數(shù)據(jù)，將實際問題轉化為計算機能識別和解決的問題[9]。實驗前，教師設計實驗過程，思考自變量和因變量；實驗時，學生小組分工，根據(jù)研究問題進行假設，并在一定的實驗步驟下，完成數(shù)據(jù)記錄，分析影響因素；實驗后，學生交流傳感器的擺放角度，進一步思考提高超聲波檢測準確度的其他方法。

三是自動化計算。教師借助流程圖加深學生對算法的理解，增強學生邏輯思維能力的鍛煉。學生通過設計草圖、拼搭硬件（圖3）、設計算法，實現(xiàn)利用計算機和其他工具自動化解決問題。

（2）模型的測試與評價

一是測試與優(yōu)化。調(diào)試程序：對準不同物體，觀察時間值的變化，驗證距離與時間的對應關系。優(yōu)化設計：輸出結果的方式多樣，除了液晶屏，還可以使用語音提示。美化作品：結合紙盒、雙面膠美化作品。

二是展示與評價。學生展示作品的設計方案、使用范圍，反思解決問題的過程、存在的問題、可改進的地方。雖然通過相互交流、評價和補充不能完全解決這些問題，但這是總結經(jīng)驗的過程，充分反映了學生對問題的反思、對方法的理解和其創(chuàng)造力。通過回顧學習超聲波測距儀的過程，學生對自己的學習行為做出評價，將動手實踐獲得的感性經(jīng)驗上升為理性認識。反思將體驗、經(jīng)歷活動推向深度理解，促進學生思維的發(fā)展和信息素養(yǎng)的提高。

（3）模型的歸納與分享

一是歸納模型。模型是指對某一對象進行抽象的形式化表達方式，體現(xiàn)了該對象的本質(zhì)屬性和關鍵特征。超聲波測距儀項目建構了超聲波傳感器測距的模型，模型的功能是根據(jù)返回時間測算距離。其中返回時間是自變量，距離是因變量，被測物的擺放角度、材質(zhì)等是干擾變量。如數(shù)學模型：用數(shù)學表達式表述測距問題，反映距離隨著返回時間的變化而變化；程序模型：流程圖反映超聲波傳感器測距的處理流程，程序指令代碼計算超聲波傳感器測得的距離；系統(tǒng)模型：調(diào)查和分析制作測距儀的關鍵所在，歸納和總結超聲波傳感器的工作原理，通過數(shù)據(jù)表征建立模型，并不斷驗證超聲波傳感器測距功能的實現(xiàn)，經(jīng)由方案的設計、實施、優(yōu)化，制作出具有實用價值的超聲波測距儀。

二是分享模型。遷移已有模型，實現(xiàn)類似問題的解決。拓展與應用：拓展測距儀功能，設計制作智能拐杖，引發(fā)學生更多的探索和思考，促進他們進一步理解技術與生活的關系；也可以運用新技術改進測距儀，提升測距儀的功能。感悟與思考：技術是可以遷移的，遇到類似問題情境時，能識別解決問題的模型，且要不斷修正和完善，而不是僅限于課堂的那一點收獲。

基于開源硬件的小學跨學科創(chuàng)意編程項目教學實踐的思考

基于開源硬件的小學跨學科創(chuàng)意編程教學指向學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)，有助于學生更好地掌握信息科技學科的基礎知識、基本技能與思維模式。隨著學習的深入與經(jīng)驗的積累，學生能逐步形成對技術的理性思考，強化了信息社會責任意識。

開源硬件教學仍處于發(fā)展階段，教師應投身到案例的研究和開發(fā)中去，以便形成成熟的體系化思維培養(yǎng)模式，促進學生的發(fā)展。一方面，教學切不可只重視技能培訓，而忽視學生創(chuàng)造性解決問題的想法，要支持他們將創(chuàng)意轉化為智能創(chuàng)造。另一方面，教師應提升使用開源硬件的能力，加強對軟硬件的了解，加強對學生創(chuàng)新意識的捕捉與訓練。

注：本文系江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃課題“STEAM 背景下區(qū)域推進小學生跨學科閱讀實踐研究”（課題編號：D/2021/02/814）和江蘇省現(xiàn)代教育技術研究課題“基于跨學科主題學習的小學創(chuàng)意編程實踐研究”（項目編號：2021-R-92548）研究成果

參考文獻

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