“自制環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置”項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

楊志亞

【摘 要】在中小學(xué)開展開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的意識(shí)與能力。這既是國家對(duì)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。本研究以自制環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置為例，闡述如何利用掌控板開展開源硬件項(xiàng)目教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】開源硬件;項(xiàng)目教學(xué);學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2020）09-066-04

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是當(dāng)前教育的重中之重。2016 年 9 月《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》正式發(fā)布，以“全面發(fā)展的人”為核心，綜合表現(xiàn)為學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新等六大核心素養(yǎng)[1]?！督逃畔⒒笆濉币?guī)劃》要求，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、信息素養(yǎng)，培養(yǎng)高素質(zhì)人才[2]。在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中，特別強(qiáng)調(diào)以能力為重，提升學(xué)生的探索與創(chuàng)新精神，以及在解決問題方面的實(shí)踐能力，促成學(xué)習(xí)型社會(huì)的戰(zhàn)略目標(biāo)，綱要中提到未來十年，將創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)作為教育改革的重點(diǎn)[3]。如何在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與問題解決能力？2017版高中信息技術(shù)新課標(biāo)中增加了“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊，作為高中信息技術(shù)課程的選擇性必修模塊之一，為信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力找到了落腳點(diǎn)。課標(biāo)[4]建議，新知識(shí)的學(xué)習(xí)要以實(shí)例為依托，引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新性應(yīng)用，在活動(dòng)過程中應(yīng)把大部分時(shí)間留給學(xué)生去探索，通過多次迭代的過程完善項(xiàng)目設(shè)計(jì)，適時(shí)跟蹤學(xué)生完成項(xiàng)目的過程，及時(shí)給予知識(shí)指導(dǎo)和問題解決思路的指導(dǎo)。本研究以“自制環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置”項(xiàng)目為例，闡述如何利用掌控板這個(gè)載體開展教學(xué)。

相關(guān)概念與平臺(tái)介紹

1.開源硬件

開源硬件是指用與自由軟件、開源軟件相同的方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。開源硬件并不僅僅是硬件設(shè)計(jì)方法的開放，而且體現(xiàn)了一種開放的創(chuàng)新理念。開源硬件的設(shè)計(jì)者通常會(huì)將設(shè)計(jì)資料對(duì)外公布，主要如材料清單、電路圖、電路板布局?jǐn)?shù)據(jù)以及驅(qū)動(dòng)開源硬件的軟件開發(fā)工具包等。每一種開源硬件平臺(tái)都有自身的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，根據(jù)自身不同的特點(diǎn)以滿足不同的使用者需求。本研究中的開源硬件是指掌控板、擴(kuò)展板、外接模塊，通過數(shù)據(jù)線、藍(lán)牙通信、WiFi可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

2.掌控板及拓展板

掌控板是一款基于ESP32的開發(fā)板，集多種傳感器、感應(yīng)器于一身，支持WiFi和藍(lán)牙雙模通信，支持Python代碼編程。掌控板上集成OLED顯示屏、RGB燈、加速度計(jì)、麥克風(fēng)、數(shù)字光線傳感器、蜂鳴器、按鍵開關(guān)、觸摸開關(guān)、金手指外部拓展接口，通過MicroUSB接口進(jìn)行供電和與電腦連接，在電腦上會(huì)表示為一個(gè)虛擬串口COM口。利用掌控板，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、DIY創(chuàng)意作品以及智能控制類應(yīng)用。

掌控拓展板是掌控板衍生的一款體積小巧、易于攜帶的拓展板。引出了大部分掌控板的IO，支持電機(jī)驅(qū)動(dòng)、語音播放、語音合成等功能的IO引腳擴(kuò)展板，可擴(kuò)展12路IO接口和2路I2C接口。

上課睡覺現(xiàn)象在中學(xué)校園里時(shí)有發(fā)生。這一現(xiàn)象直接影響了學(xué)生的上課效率，還影響了教師的上課熱情。相關(guān)研究表明，環(huán)境是影響學(xué)習(xí)效率一個(gè)很重要的因素?！白灾骗h(huán)境監(jiān)測(cè)裝置”項(xiàng)目是以這一真實(shí)問題為載體圍繞學(xué)科核心概念，以落實(shí)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，以STEAM教育理念為指導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出想法→設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決方案→利用開源硬件實(shí)現(xiàn)解決方案”的完整過程，制作一種基于掌控板和Python編程的空氣和土壤監(jiān)測(cè)裝置，體驗(yàn)研究和創(chuàng)造的樂趣，培養(yǎng)利用信息技術(shù)解決問題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的意識(shí)和能力。提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

1.教學(xué)基本情況

（1）學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。通過自制環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，學(xué)生能搜索并利用開源硬件及相關(guān)資料，體驗(yàn)作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、運(yùn)行的完整過程，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計(jì)算思維與創(chuàng)新能力。

（2）教學(xué)內(nèi)容。能利用各種材料、開源硬件與軟件實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目方案，能利用開源硬件的設(shè)計(jì)工具、編程語言實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入、處理，利用輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置的運(yùn)行。

（3）學(xué)情分析。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“Python語言程序設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)算法”，具備一定的編程基礎(chǔ)。此外，高一學(xué)生有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)，具備開展小型綜合性項(xiàng)目研究的基本能力，且他們對(duì)項(xiàng)目實(shí)踐有較強(qiáng)的動(dòng)手愿望。

（4）教學(xué)目標(biāo)。能根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，選擇恰當(dāng)?shù)碾娮悠鞑?，借助掌控板開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)算法，編寫程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能;選擇合適的材料和工具，進(jìn)行工程搭建，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目模型;通過項(xiàng)目實(shí)踐，體驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、展示評(píng)價(jià)的完整過程;增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐的能力，強(qiáng)化計(jì)算思維，提升信息素養(yǎng)。

（5）教學(xué)重難點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)：根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選擇恰當(dāng)?shù)碾娮悠鞑?，借助掌控板開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)算法，編寫程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能;體驗(yàn)課題研究及項(xiàng)目實(shí)踐的過程。教學(xué)難點(diǎn)：制定設(shè)計(jì)方案;搭建工程結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目原型。

2.教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

本課程以項(xiàng)目為主線構(gòu)建教學(xué)模式，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出項(xiàng)目-分析項(xiàng)目-利用開源硬件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目-優(yōu)化項(xiàng)目”的學(xué)習(xí)過程，目的是讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中掌握必要的理論知識(shí)，在實(shí)際動(dòng)手操作的過程中對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的模式有整體把握。

（1）情境導(dǎo)入

創(chuàng)設(shè)情境：學(xué)習(xí)效率真的只和自身有關(guān)？有研究表明，當(dāng)二氧化碳在1000ppm以上時(shí)，空氣中二氧化碳濃度越高，人的學(xué)習(xí)、工作效率越低，作業(yè)錯(cuò)誤率越高。當(dāng)空氣中含氧量下降，二氧化碳上升，會(huì)使腦細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)所需要的氧氣供應(yīng)得不到保證，因而大腦的功能會(huì)減弱，時(shí)間一長，學(xué)習(xí)效率自然下降。

提出問題：如何破解缺氧問題？

引出本次項(xiàng)目：自制環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。

學(xué)生根據(jù)教師引導(dǎo)，明確項(xiàng)目主題，對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生興趣。

（2）項(xiàng)目分析

教師展示生活中的環(huán)境監(jiān)測(cè)，引出本次項(xiàng)目的主要工具：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、電容式土壤濕度傳感器、CCS811二氧化碳和TVOC傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種高性價(jià)比的、帶有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。土壤濕度傳感器是一款電容式的土壤濕度傳感器。CCS811是一款MEMS氣體傳感器，可以利用內(nèi)置的金屬氧化物傳感器、微熱板技術(shù)，檢測(cè)空氣中的二氧化碳含量和TVOC總有機(jī)揮發(fā)物含量。

學(xué)生思考傳感器的功能應(yīng)該如何設(shè)置。自學(xué)微視頻，學(xué)生討論交流，回答教師問題。

（3）項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目功能分解為任務(wù)，通過系列微課講解知識(shí)點(diǎn)。

學(xué)生學(xué)習(xí)微課：掌控板連接DHT11讀取空氣溫濕度;掌控板連接電容式土壤濕度傳感器;掌控板連接CCS811二氧化碳和傳感器，進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建與代碼編寫。

首先是結(jié)構(gòu)搭建。教師提供所需要的材料清單，提供所需零件：掌控板（1.0或2.0）、掌控IO拓展板、DHT11溫濕度傳感器模塊、CCS811空氣質(zhì)量傳感器模塊、SEN-0193土壤濕度傳感器。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察不同傳感器的構(gòu)件，進(jìn)行講解。演示掌控拓展版的使用方法，連接引腳的方法。

學(xué)生觀察有不同傳感器模塊的構(gòu)件，根據(jù)清單和教師演示，嘗試線路連接，如圖1所示。

其次是程序設(shè)計(jì)。

①掌控板連接電容式土壤濕度傳感器

教師需要講解的內(nèi)容：模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào);模擬信號(hào)如何讀取轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);OLED顯示讀取值;測(cè)試土壤濕度傳感器的方法。

學(xué)生使用Python編寫程序，并將土壤濕度傳感器的傳感部分放到水里，或者用手捏傳感器觀察數(shù)字變化。思考：土壤濕度變化時(shí)，傳感器輸出電壓如何變化？

②掌控板連接CCS811二氧化碳和傳感器

教師需要講解的內(nèi)容：CCS811庫;CCS811庫的功能;掌控板與CCS811測(cè)試。

學(xué)生根據(jù)教師的講解，對(duì)CCS811傳感器實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行代碼編寫。教師巡視，對(duì)存在問題的學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，觀察學(xué)生整體狀況。

③掌控板連接DHT11讀取空氣溫濕度

教師需要講解的內(nèi)容：函數(shù);模塊化程序設(shè)計(jì);多個(gè)組件的組合編程。

學(xué)生完成程序：整理，美化代碼;測(cè)試并根據(jù)出錯(cuò)信息debug;測(cè)試按鍵的功能是否有效。

（4）測(cè)試與優(yōu)化

學(xué)生完成全部程序設(shè)計(jì)后，把程序下載到掌控板上測(cè)試程序。教師觀察學(xué)生操作，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)程序的運(yùn)行情況，調(diào)試并優(yōu)化程序。學(xué)生記錄程序在運(yùn)行過程中遇到的問題。小組討論，分析原因，嘗試解決。

（5）拓展與優(yōu)化

教師觀察學(xué)生完成情況，針對(duì)完成效率高的小組提出進(jìn)階要求：制作個(gè)性化的監(jiān)測(cè)裝置，如添加時(shí)鐘功能。教師提示嘗試己經(jīng)學(xué)習(xí)過的其他組件。學(xué)生進(jìn)行自由創(chuàng)作，小組共同完成作品。

（6）評(píng)價(jià)與總結(jié)

小組匯報(bào)對(duì)作品進(jìn)行互評(píng)和自評(píng);教師從線路搭建、程序設(shè)計(jì)、功能效果角度對(duì)學(xué)生作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，給出修改建議。

教師對(duì)課堂進(jìn)行總結(jié)，回顧傳感器、引腳、線路搭建的知識(shí)點(diǎn)。教師鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行完善，留意關(guān)注生活中的電路知識(shí)。

總結(jié)與反思

在中小學(xué)開展開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)，可讓學(xué)生體驗(yàn)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(jì)的意識(shí)與能力。這既是國家對(duì)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。本研究以項(xiàng)目的形式組織課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，通過小組協(xié)作式學(xué)習(xí)，跨學(xué)科思維來解決問題，引導(dǎo)學(xué)生努力從多角度看問題，享受實(shí)踐與分享的快樂，創(chuàng)新與分享相互促進(jìn)。數(shù)字化時(shí)代，越來越多的數(shù)字化工具資源可以為教師學(xué)生所有，越來越多的開源平臺(tái)可以創(chuàng)作作品。信息時(shí)代，教師應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，在探索前進(jìn)的路上改變教學(xué)，更加注重創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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