高中開源硬件技術(shù)教學實踐與思考

王振強 洪亮

2017年版普通高中課程方案中，信息技術(shù)和通用技術(shù)課程結(jié)構(gòu)方面分別增加了“開源硬件項目設(shè)計”和“智能家居應用設(shè)計”選修模塊內(nèi)容，為學生提供了一個技術(shù)與設(shè)計的應用性學習窗口。通過學習，學生能夠體驗開源硬件項目設(shè)計與開發(fā)的全過程。通過選擇適用的項目式教學案例，以專題的形式與技術(shù)課程教學內(nèi)容相結(jié)合，不僅能提升學生學習的興趣，也能拓展教學的內(nèi)容與學生視野，進而培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。本文以智能音箱為例，闡述如何利用Arduino這個載體開展教學。

● 高中Arduino技術(shù)教學的分析

1.相關(guān)選修模塊簡介

在信息技術(shù)課程中，基于開源硬件的項目設(shè)計與實施有益于激發(fā)學生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學生動手實踐的能力，同時也是在信息技術(shù)課程中實現(xiàn)STEAM教育的理想方法。本內(nèi)容是針對開源硬件項目設(shè)計流程、按照項目需求設(shè)計實施方案、制作作品而設(shè)置的。在通用技術(shù)課程中，智能家居應用設(shè)計模塊是關(guān)注學生未來職業(yè)和生活的需要。智能家居融合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)處理、自動控制等先進技術(shù)，意在創(chuàng)設(shè)一種智慧感知、協(xié)調(diào)控制、智能互聯(lián)、方便快捷的家庭居住環(huán)境。本模塊旨在為學生感受先進技術(shù)在家庭生活中的運用，并能通過開源的設(shè)計平臺構(gòu)建智能家居產(chǎn)品原型，進而為學生提供一個集通信、計算、控制于一體的應用性學習窗口。兩個學科選修模塊的課程設(shè)置，體現(xiàn)了學科特點及課程目標的差異性，但是作為普通高中技術(shù)領(lǐng)域的學習內(nèi)容，其指向?qū)W生職業(yè)及生活需要的基礎(chǔ)性教育內(nèi)容。通過選擇合適的開源硬件載體，以項目式教學的組織方式，整合兩學科相關(guān)內(nèi)容創(chuàng)新性地開展教學，即可實現(xiàn)STEAM教育理念下的多學科交叉學習，也能夠解決高中學生課時緊張的時間問題，提高技術(shù)課程的實施效率。

2.教學現(xiàn)狀分析

普通高中技術(shù)課程實踐性強的特點決定了課程實施的諸多問題。最明顯的就是硬件投入高，特別是新課標下的技術(shù)課程內(nèi)容，如3D創(chuàng)新設(shè)計課程、電子控制技術(shù)課程等所需要投入的機房、專用設(shè)備費用較高，對于相當多的學校來說投入存在一些困難。此外，技術(shù)課程實施普遍存在課時緊張的問題，對于選修模塊的內(nèi)容來說，有硬件條件的學校很少，正常開設(shè)課程教學的更少。學校只能按照國家規(guī)定課時來開設(shè)必修模塊的內(nèi)容。

3.Arduino應用優(yōu)勢分析

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源硬件產(chǎn)品，沒有復雜的單片機底層代碼，沒有難懂的匯編，只是簡單而實用的函數(shù)，而且具有簡便的編程環(huán)境IDE和教育版的ArduBlock，它是以圖形化積木搭建的方式編程的，這樣的方式會使編程的可視化和交互性加強，編程門檻降低，降低學習者的學習成本，特別適合學習緊張的高中學生學習。此外，近些年Arduino在全世界范圍內(nèi)快速地發(fā)展普及，使其作為一個開發(fā)平臺，在機器人教育、創(chuàng)客教育中都得到了廣泛的應用，網(wǎng)絡(luò)中開源的軟、硬件資源豐富。通過它開放的設(shè)計平臺，以軟、硬件結(jié)合的方式，將設(shè)計概念進一步深化，構(gòu)建智能產(chǎn)品原型和應用程序。借助Arduino平臺可使基于項目式教學的選修課教學可行、有效。

● “智能創(chuàng)意PVC管音箱”項目設(shè)計思路

1.項目背景介紹

音箱是學生生活中較熟悉的技術(shù)事物，但對于音箱各部分組成及各功能普遍缺乏了解，特別是對音箱音質(zhì)的各種影響因素更是陌生。根據(jù)前期調(diào)查，學生對音箱倒相孔作用、喇叭尺寸與箱體大小關(guān)系及高低音共振的處理等專業(yè)知識都不清楚?？紤]制作周期、加工難度及成本問題，選擇較常見的PVC管材料，利用音箱這個主體對象，確定制作項目為智能創(chuàng)意PVC管音箱，即從學生身邊的技術(shù)事物，向智能家居領(lǐng)域中的智能音箱過渡，讓學生親歷這個技術(shù)設(shè)計制作全過程，完成一個完整的項目設(shè)計流程、作品制作。在這個過程中，既可以系統(tǒng)學習到音箱專業(yè)的原理知識，又能夠接觸Arduino開源軟件平臺軟、硬件的學習，進而實現(xiàn)STEAM教育理念下的多學科交叉學習。

2.音箱的外觀主體方案設(shè)計與制作

外觀主體設(shè)計方案的設(shè)計與制作涉及多學科的知識學習。特別能突出通用技術(shù)學科專業(yè)的知識體系運用，如設(shè)計時需要考慮的穩(wěn)定性、強度等因素以及音箱系統(tǒng)功能單元劃分等。這個設(shè)計過程很好地解決了通用技術(shù)學科知識教學的目標。從問題的發(fā)現(xiàn)到明確設(shè)計中的技術(shù)問題，再尋求解決問題的方案，然后動手制作，學生親歷了一個典型的技術(shù)設(shè)計全過程。這也正是新課標指出的大項目的學習理念。

學生親歷結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作過程，一是可以更好地掌握相關(guān)音箱知識的運用層面；二是掌握了涉及工具的操作使用方法；三是制作過程中對方案的優(yōu)化與調(diào)整，再親歷構(gòu)思到圖紙的呈現(xiàn)再到實物加工的全過程，培養(yǎng)了學生良好的物化能力，幫助學生樹立了技術(shù)設(shè)計是需要不斷優(yōu)化的思想。

3.Arduino平臺應用于音箱的智能化項目設(shè)計

智能化方案設(shè)計主要涉及計算機與電子控制技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識。這方面也突出信息技術(shù)學科專業(yè)的知識體系運用。目前兼容Arduino平臺的電子傳感器配件較豐富，功能也較為強大，相關(guān)智能家居開發(fā)應用層面的軟件、硬件資料較多，在教學中都可以方便選用。建議教師可以提前提供帶有例子程序及視頻教程的學習套件資料，降低學生技術(shù)學習入門的門檻，便于高中學生在有限的課時內(nèi)，快速學習掌握項目設(shè)計全過程，以便更好實現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

● “智能創(chuàng)意PVC管音箱” 項目教學設(shè)計

1.以對技術(shù)的理解學習為目的：對傳統(tǒng)音箱的各控制單元功能進行探析

引導學生分析傳統(tǒng)音箱的控制方式（按鈕開關(guān)、旋鈕音量大?。?，分析其技術(shù)控制原理，并猜想利用Arduino UNO等零件實現(xiàn)控制的方式，以解決學生對技術(shù)事物的理解和對各元器件硬件功能的學習；再利用配套元器件構(gòu)建智能產(chǎn)品原型，解決學生從硬件原型制作到軟件編程控制實現(xiàn)的學習全過程，幫助學生理解、掌握真實的技術(shù)世界中廣泛使用技術(shù)的方法。上頁圖1、圖2是按鈕控制案例。

利用按鈕和旋鈕的元器件特點，連接好物理線路，通過可視化編程界面編寫程序控制LED的亮滅，讓學生親歷全過程，理解控制的實現(xiàn)方式，完成對軟、硬件的學習。教師可引導學生對LED燈進行更深入的了解，如多彩燈的控制等，并利用相同的教學策略引導學生對生活中存在的控制現(xiàn)象進行學習了解。

2.以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識為目的：引導學生對音箱功能進行創(chuàng)新設(shè)計

引導學生創(chuàng)新設(shè)計音箱的控制方式（手勢控制、定時控制、人體感應控制等），分析理解智能感知元件的工作原理及應用場景。手勢控制原理：測距元件檢測到手距離值的變化，Arduino判斷后使繼電器接通，進而實現(xiàn)音箱的開關(guān)智能控制。因此，教學設(shè)計主要通過各類元器件應用的場景，引導學生創(chuàng)新思考，并結(jié)合生活中真實的技術(shù)問題創(chuàng)造性地使用，以達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的目的。教學可以根據(jù)學生的功能設(shè)計展開，教師提供較多元器件供學生選擇使用，且鼓勵學生采用不同的元器件實現(xiàn)相同的功能，目的都是為了實現(xiàn)某個創(chuàng)意的想法或者解決現(xiàn)實中的某個問題，同時教師要準備好各類元器件的硬件原理、視頻教程、參考示例代碼等學習資料，提供給學生學習了解。

3.以綜合應用為目的：引導學生完成較完整的項目的設(shè)計與制作

這個環(huán)節(jié)的設(shè)計從教學的角度是讓學生親歷更大的項目制作，跳出之前單純的技術(shù)學習和完成任務(wù)，使學生基于自身的意愿主動去學習技術(shù)、主動去創(chuàng)造。以本文為例，智能音箱的項目主體對象，在后期會調(diào)整基于智能音箱的“智能家居應用設(shè)計”，給學生定一個創(chuàng)造的方向，但是不限定主體。學生獨立設(shè)計，學習新的Arduino及周邊傳感器軟、硬件知識，造物的過程中不斷優(yōu)化改進，最終達到親歷智能家居整體家居設(shè)計的教學目的。

● 教學實踐的思考

開源硬件平臺是新課標中增加的內(nèi)容，旨在通過這個平臺工具，使技術(shù)學科的相關(guān)內(nèi)容教學更有效，因此，選修模塊的教學應該緊緊圍繞課程核心的內(nèi)容展開。其教學策略選擇必須是以培養(yǎng)學生核心的素養(yǎng)為主，以運用Arduino平臺幫助學生更好地進行技術(shù)基礎(chǔ)知識、基本技能、基本思想、基本態(tài)度的學習和基本經(jīng)驗的積累，形成對技術(shù)的親近感、敏感性、理性精神、責任意識以及對技術(shù)的文化感悟。教學不可偏向單純Arduino技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)，教師切不可把網(wǎng)絡(luò)上側(cè)重技能培訓的教程直接拿過來運用于教學。教學中，讓學生把創(chuàng)新解決問題的想法實現(xiàn)出來是非常必要的。Arduino平臺在智能家居模塊教學中的應用價值是幫助學生方便地進入智能控制世界。圍繞著來自真實技術(shù)世界的問題，利用這個工具，通過進行程序的編寫驅(qū)動硬件工作，完成對技術(shù)事物的學習與智能造物目的，進而去創(chuàng)造更好的技術(shù)世界。教師需要提升對Arduino平臺技術(shù)的掌握情況，只有對Arduino平臺周邊軟、硬件有足夠的了解，才能更好地給予學生創(chuàng)意實現(xiàn)的方式上的指導，才能夠根據(jù)學生自身的編程基礎(chǔ)、動手能力不同，提供更為專業(yè)的技術(shù)學習建議，才能夠開設(shè)出針對性強的智能家居應用設(shè)計課程。