將樹(shù)莓派引入高中信息技術(shù)課堂的探討和分析

摘? 要 分析樹(shù)莓派與Arduino的區(qū)別，對(duì)比二者的優(yōu)劣勢(shì)，探討引入樹(shù)莓派對(duì)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的作用和意義，同時(shí)分析引入樹(shù)莓派對(duì)教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展的影響。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.67? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）23-0040-03

1 前言

在信息技術(shù)課程中，基于開(kāi)源硬件的課程設(shè)計(jì)與實(shí)施有益于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)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(qiáng)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(wèn)題。近年來(lái)，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(jìn)行了初步探索，引入開(kāi)源硬件類(lèi)相關(guān)課程，旨在通過(guò)課程培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任等。樹(shù)莓派課程在國(guó)內(nèi)高中學(xué)校中開(kāi)設(shè)的并不多，但是樹(shù)莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育培養(yǎng)方面有很大的優(yōu)勢(shì)，高中信息技術(shù)教師應(yīng)積極探索樹(shù)莓派的教育教學(xué)方法和模式。

2 樹(shù)莓派簡(jiǎn)介

樹(shù)莓派硬件簡(jiǎn)介? 樹(shù)莓派是英國(guó)劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)的搭載ARM架構(gòu)處理器的微型計(jì)算機(jī)主機(jī)，目的在于推進(jìn)兒童和成人在計(jì)算機(jī)科學(xué)和相關(guān)學(xué)科方面的教育。樹(shù)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(yǔ)言。樹(shù)莓派以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，卡片主板周?chē)蠻SB接口、以太網(wǎng)卡，可以接入鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和網(wǎng)線(xiàn);同時(shí)，樹(shù)莓派有HDMI高清視頻輸出接口和視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口。樹(shù)莓派有多種傳感器，包括聲音、光線(xiàn)、溫度、濕度、灰塵等各類(lèi)傳感器，通過(guò)這些傳感器可以感知外部的變化。

樹(shù)莓派使用現(xiàn)狀? 國(guó)外很多學(xué)校開(kāi)設(shè)有樹(shù)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(shù)莓派主要應(yīng)用于中小學(xué)計(jì)算機(jī)編程教育，教學(xué)流程包括教、學(xué)、做三個(gè)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(xiàng)目。自2012年起，樹(shù)莓派基金會(huì)聯(lián)合英國(guó)劍橋大學(xué)和英國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)，陸續(xù)開(kāi)展各種教學(xué)活動(dòng)和研討會(huì)，為中小學(xué)培訓(xùn)了數(shù)千名樹(shù)莓派的優(yōu)秀教師，為樹(shù)莓派在教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在國(guó)內(nèi)，樹(shù)莓派已經(jīng)應(yīng)用于部分高校，并使用樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出多種系統(tǒng)，如于志強(qiáng)的基于樹(shù)莓派的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)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(kāi)始關(guān)注將樹(shù)莓派應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計(jì)，如汪琴的基于樹(shù)莓派的高級(jí)語(yǔ)言程存設(shè)計(jì)類(lèi)課程教學(xué)研究，李文勝的基于樹(shù)莓派的嵌入式Linux開(kāi)發(fā)教學(xué)探索。

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

3 樹(shù)莓派與其他開(kāi)源硬件的比較

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

1）樹(shù)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(gè)SD卡上編寫(xiě)多個(gè)程序，不需要再次燒錄。Arduino也是一個(gè)電路板，可以通過(guò)USB同計(jì)算機(jī)通信。Arduino實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能或設(shè)計(jì)，編寫(xiě)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(shí)，電路板都需要重新燒錄。

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

3）樹(shù)莓派可以運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)，意味著可以用熟練的語(yǔ)言和庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。目前，人工智能使用的Python語(yǔ)言就可以用在樹(shù)莓派上。而Arduino使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，C語(yǔ)言是面向過(guò)程的語(yǔ)言。

4）樹(shù)莓派自帶的接口比較全面，USB、HDMI、網(wǎng)線(xiàn)、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(gòu)置接口板。

5）樹(shù)莓派的安裝過(guò)程比較煩瑣，需要燒錄操作系統(tǒng)到內(nèi)存卡上，通過(guò)串口配置IP，開(kāi)啟SSH連接，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接等，這些過(guò)程會(huì)用到Linux命令和網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。而Arduino的安裝很簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)USB將Arduino與計(jì)算機(jī)連接就可以。

6）樹(shù)莓派價(jià)格相對(duì)高昂，一個(gè)樹(shù)莓派初級(jí)套件價(jià)格約為400元人民幣。而Arduino初級(jí)套件價(jià)格是樹(shù)莓派的一半，約為200元人民幣。

4 樹(shù)莓派課程對(duì)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

增強(qiáng)學(xué)生信息意識(shí)? 當(dāng)今時(shí)代是信息的時(shí)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(shí)，有意識(shí)地挖掘有價(jià)值的信息，提取信息背后的有價(jià)值的知識(shí)。樹(shù)莓派在國(guó)內(nèi)高中階段學(xué)校的普及率不高，但是在國(guó)外已經(jīng)成為高中學(xué)生的必修課之一。在樹(shù)莓派課程開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師會(huì)結(jié)合樹(shù)莓派使用的場(chǎng)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(shù)莓派官網(wǎng)的視頻案例進(jìn)行講解，通過(guò)這些學(xué)習(xí)資料和視頻案例，引導(dǎo)學(xué)生理解樹(shù)莓派的功能和應(yīng)用，思考樹(shù)莓派可以解決學(xué)習(xí)和生活中的什么問(wèn)題，并提出創(chuàng)意。

促進(jìn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)? 計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。由于計(jì)算思維是借助計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念進(jìn)行的思維活動(dòng)，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(shù)莓派引入高中信息技術(shù)課堂，可以促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）樹(shù)莓派雖小，但是它的功能和普通計(jì)算機(jī)一致。樹(shù)莓派可以做很多計(jì)算機(jī)能做的事情，可以利用樹(shù)莓派在課堂上創(chuàng)作一些解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的小產(chǎn)品，如鬧鐘、空氣指數(shù)顯示器、數(shù)字溫度計(jì)、廣告燈、音樂(lè)盒等。這些創(chuàng)意作品會(huì)使用到開(kāi)源硬件課程中基本的電子元件，教師通過(guò)對(duì)電子元件的介紹和現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際問(wèn)題的描述，由學(xué)生用對(duì)應(yīng)電子元件解決問(wèn)題，從而完成創(chuàng)意作品。學(xué)生通過(guò)創(chuàng)作這些小產(chǎn)品，完成從基本概念到問(wèn)題求解的過(guò)程。

2）樹(shù)莓派也可以完成計(jì)算機(jī)不能完成的事情，如實(shí)時(shí)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(bào)警器等。隨著課程的推進(jìn)，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)容的熟悉和掌握，教師可讓學(xué)生思考用樹(shù)莓派去實(shí)現(xiàn)智能家居、智慧城市、智能醫(yī)療、無(wú)人駕駛等方向需要的裝置或系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)前沿技術(shù)的探索，對(duì)問(wèn)題認(rèn)真思考，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力。

提高數(shù)字化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力? 樹(shù)莓派可以搭載Linux系統(tǒng)，而國(guó)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(fèi)的操作系統(tǒng)，它有支持多用戶(hù)、多任務(wù)，可以運(yùn)行在多種硬件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)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(guó)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(shù)莓派中可以使用Python、C、Java、Scratch等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，其中Python是目前流行的人工智能使用的語(yǔ)言。Python是一種代表簡(jiǎn)單主義思想的語(yǔ)言，有接近人類(lèi)自然語(yǔ)言的語(yǔ)法。Python解釋型的腳本語(yǔ)言不需要編譯。樹(shù)莓派為Python編程提供了一個(gè)便宜到令人無(wú)法置信的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。近幾年，國(guó)內(nèi)高中階段的編程語(yǔ)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(shí)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(qiáng)，國(guó)內(nèi)也有多個(gè)Python相關(guān)網(wǎng)站可以進(jìn)行學(xué)習(xí)。

樹(shù)莓派的官方網(wǎng)站也提供了很多樹(shù)莓派的學(xué)習(xí)資料，社區(qū)有來(lái)自世界各地的樹(shù)莓派愛(ài)好者的分享和交流，Blog中記錄樹(shù)莓派學(xué)習(xí)者的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)意作品實(shí)現(xiàn)。樹(shù)莓派在國(guó)外高中學(xué)校普及率很高，所以學(xué)生應(yīng)該多通過(guò)樹(shù)莓派官網(wǎng)了解國(guó)外學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和創(chuàng)意想法。

提高社會(huì)責(zé)任感? 在學(xué)習(xí)樹(shù)莓派的過(guò)程中，教師會(huì)對(duì)比國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀，很多最新的技術(shù)都源自歐洲或美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。近年來(lái)，我國(guó)各項(xiàng)技術(shù)也取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但在科技領(lǐng)域鮮有發(fā)明。在學(xué)習(xí)樹(shù)莓派、Python這些內(nèi)容的同時(shí)，應(yīng)該讓學(xué)生多學(xué)習(xí)國(guó)外技術(shù)人員追求極致、敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神，在未來(lái)的學(xué)習(xí)生活中為國(guó)家的科技進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。

5 樹(shù)莓派課程對(duì)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(mén)不斷實(shí)踐、不斷探索的學(xué)科。教師在教學(xué)過(guò)程中組織和實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)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?zhàn)龀稣{(diào)整，從而改進(jìn)教學(xué)效果。教師不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，不斷完善教學(xué)方法，不斷修訂教學(xué)進(jìn)度，逐漸達(dá)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(jì)和研究能力，針對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷反思，改進(jìn)教學(xué)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。將樹(shù)莓派引入信息技術(shù)課堂，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)學(xué)生學(xué)情不斷進(jìn)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(jìn)行教學(xué)，對(duì)Linux系統(tǒng)的掌握不夠精通。Linux系統(tǒng)的學(xué)習(xí)對(duì)高中信息技術(shù)學(xué)科教師來(lái)說(shuō)不是特別難，通過(guò)努力，一定可以取得很好的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生帶來(lái)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

樹(shù)莓派國(guó)內(nèi)高中階段學(xué)習(xí)資料較少，教師需要瀏覽國(guó)外網(wǎng)站，這就需要提高英文閱讀水平。同時(shí)，樹(shù)莓派項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要了解當(dāng)前的技術(shù)熱點(diǎn)，要求教師平時(shí)多留心技術(shù)熱點(diǎn)和技術(shù)難題，深入研究，將技術(shù)熱點(diǎn)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)消化轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的模型。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)Arduino與樹(shù)莓派在功能、性能、價(jià)格等方面進(jìn)行了對(duì)比，二者各有優(yōu)劣。但是樹(shù)莓派可以實(shí)現(xiàn)更多Arduino無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高級(jí)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(yǔ)言。在高中階段將樹(shù)莓派引入課堂，可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)這些新興技術(shù)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，也有利于教師的專(zhuān)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(lái)科技城學(xué)校，中學(xué)二級(jí)教師（102209）。