設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用研究

盧雅 楊文正 許秋璇 周琴英

[摘? ?要] 作為一種開(kāi)放、智能、靈活的數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，開(kāi)源硬件是培養(yǎng)中小學(xué)生設(shè)計(jì)思維能力的重要載體。為了探索設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)與開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐雙向耦合的新路徑，文章首先解析了設(shè)計(jì)思維概念內(nèi)涵，對(duì)典型設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)模型及特征進(jìn)行分析，并將其解構(gòu)為更具顯性化操作意義的五大核心能力：換位思考、抽象定義、創(chuàng)意構(gòu)想、原型迭代和遷移應(yīng)用;其次，汲取設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)理論核心要義，借鑒“基于設(shè)計(jì)的雙循環(huán)探究模型”，構(gòu)建了設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)模式，從“調(diào)查/探究”“設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)”“反思”三個(gè)循環(huán)過(guò)程對(duì)其具體應(yīng)用進(jìn)行闡釋;最后，以“智慧校園生活”為項(xiàng)目主題開(kāi)展開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐，為新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊的教學(xué)實(shí)施提供范例。

[關(guān)鍵詞] 設(shè)計(jì)思維; 開(kāi)源硬件; 設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí); 信息技術(shù)課程; 數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 盧雅（1996—），女，山西長(zhǎng)治人。碩士研究生，主要從事信息技術(shù)教育應(yīng)用研究。E-mail：1165149255@qq.com。楊文正為通訊作者，E-mail：yang121@yeah.net。

一、引? ?言

近年來(lái)，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，探索讓學(xué)生在動(dòng)手中“創(chuàng)造作品”的技術(shù)實(shí)踐類課程愈來(lái)愈多，作為支持創(chuàng)新學(xué)習(xí)、促進(jìn)復(fù)雜問(wèn)題解決的開(kāi)源硬件工具在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域日益受到重視?！伴_(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”作為《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版，2020年修訂）》（簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）的選擇性必修模塊[1]，主要針對(duì)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展而設(shè)計(jì)，被列為學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。開(kāi)源硬件具備開(kāi)放性、跨平臺(tái)性和可擴(kuò)展性等特性，基于開(kāi)源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)可讓學(xué)生真切體驗(yàn)作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、運(yùn)行的完整過(guò)程，形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和求解問(wèn)題的能力。

設(shè)計(jì)思維是一套關(guān)于創(chuàng)新解決復(fù)雜問(wèn)題的方法論體系，其映射出的教育理念與核心素養(yǎng)一致，為學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供了新路向。它將創(chuàng)新作為一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程：學(xué)習(xí)者在與真實(shí)世界交互中提出問(wèn)題，在綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能解決問(wèn)題的各環(huán)節(jié)中，完成設(shè)計(jì)思維不同心智模式（理解、觀察、定義、構(gòu)想、原型、測(cè)試）的轉(zhuǎn)換，促進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程朝向最終“創(chuàng)新性”制品目標(biāo)逐步推進(jìn)[2]。這與開(kāi)源硬件教學(xué)所強(qiáng)調(diào)的“培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)意智造能力”的目標(biāo)是吻合的。開(kāi)源硬件并非只強(qiáng)調(diào)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)的開(kāi)源，而更多的是體現(xiàn)了一種創(chuàng)新理念的開(kāi)放，是設(shè)計(jì)思維能力培養(yǎng)的良好載體。如何將開(kāi)源硬件技術(shù)深度融入中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程，使其成為常態(tài)化的教學(xué)活動(dòng)，達(dá)成新課標(biāo)賦予的學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)？積極探索設(shè)計(jì)思維與開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐雙向耦合的路徑，凝練適合設(shè)計(jì)思維能力培養(yǎng)的開(kāi)源硬件教學(xué)模式顯得尤為重要。本文基于設(shè)計(jì)思維概念內(nèi)涵的解析，將其解構(gòu)為更具有實(shí)踐操作性的“換位思考、抽象定義、創(chuàng)意構(gòu)想、原型迭代和遷移應(yīng)用”五大核心能力;汲取設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（Design-Based Learning，DBL）理論要義，構(gòu)建設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)模式;最后以“智慧校園生活”為主題，進(jìn)行開(kāi)源硬件項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)，旨在探索開(kāi)源硬件教學(xué)中設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的實(shí)踐途徑，為新課標(biāo)中“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)施提供范例。

二、模式構(gòu)建依據(jù)

（一）設(shè)計(jì)思維內(nèi)涵與解構(gòu)

設(shè)計(jì)思維是將設(shè)計(jì)的方法與過(guò)程內(nèi)化而形成的一種獨(dú)特思維方式，其思想雛形可追溯至Simon出版的《人工科學(xué)》一書(shū)?！霸O(shè)計(jì)思維”概念因哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院教授Peter Rowe出版的同名著作《設(shè)計(jì)思維》（Design Thinking）而得到廣泛關(guān)注[3]，旨在為設(shè)計(jì)者提供實(shí)用的解決問(wèn)題程序和系統(tǒng)依據(jù)。當(dāng)前對(duì)設(shè)計(jì)思維的內(nèi)涵主要有三種理解：（1）設(shè)計(jì)思維作為方法（論）。設(shè)計(jì)思維既是用來(lái)指導(dǎo)人們解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的一種結(jié)構(gòu)化方法，也是一套關(guān)于創(chuàng)新式解決問(wèn)題的方法論體系。（2）設(shè)計(jì)思維作為過(guò)程。設(shè)計(jì)思維是一個(gè)“需求發(fā)現(xiàn)與整合、定義問(wèn)題、產(chǎn)生想法、原型構(gòu)建、測(cè)試學(xué)習(xí)，再到重新定義問(wèn)題”的循環(huán)過(guò)程。（3）設(shè)計(jì)思維作為工具箱。例如，世界著名設(shè)計(jì)公司IDEO與斯坦福大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了“教育者的設(shè)計(jì)思維（Design Thinking for Educators）”操作指南和工具包。我們認(rèn)為，設(shè)計(jì)思維是指人們?cè)诿鎸?duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)，能夠綜合運(yùn)用已有知識(shí)和技能，通過(guò)發(fā)散思維和聚合思維的協(xié)同作用，不斷迭代生成問(wèn)題解決策略，進(jìn)而形成創(chuàng)造性解決問(wèn)題的思路和方案的過(guò)程。

在教育領(lǐng)域，IDEO提出的設(shè)計(jì)思維模型包含“發(fā)現(xiàn)、解釋、設(shè)想、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)”五個(gè)關(guān)鍵要素[4];隸屬于德國(guó)波茨坦大學(xué)的哈索·普拉特納研究所（Hasso Plattner Institute）把設(shè)計(jì)思維分為理解、觀察、整合觀點(diǎn)、構(gòu)思、原型和測(cè)試六個(gè)步驟[5];斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院提出經(jīng)典的EDIPT設(shè)計(jì)思維模型，包括“同理心（Empathize）、定義問(wèn)題（Define）、構(gòu)想（Ideate）、原型（Prototype）和測(cè)試（Test）”五個(gè)步驟[6]。相較于前兩個(gè)模型，EDIPT模型的優(yōu)點(diǎn)在于以更加靈活和非線性思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，清晰地呈現(xiàn)了設(shè)計(jì)思維的情境性、靈活性和迭代性[7]。情境性強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)者需進(jìn)行同理心設(shè)計(jì)，明晰用戶需求，獲得對(duì)試圖解決問(wèn)題的共情理解，保證最終設(shè)計(jì)成果符合用戶的真實(shí)需求;靈活性體現(xiàn)在學(xué)生能夠突破傳統(tǒng)思維桎梏，嘗試選用多種設(shè)計(jì)思維工具，從不同角度提出多種彈性解決方案;迭代性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)循環(huán)過(guò)程中可以不斷回溯問(wèn)題，可以在任何時(shí)間根據(jù)個(gè)人需要重復(fù)整個(gè)過(guò)程或某些特定的階段，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的反思性評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方案優(yōu)化意識(shí)。

鑒于以上對(duì)設(shè)計(jì)思維概念內(nèi)涵和典型設(shè)計(jì)思維模型的剖析，本研究基于EDIPT模型，在設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)中，將其解構(gòu)為更具有顯性化操作意義的五大核心能力：（1）換位思考。學(xué)生與真實(shí)環(huán)境直接互動(dòng)，通過(guò)同理心觀察用戶行為，獲取用戶體驗(yàn)，從細(xì)節(jié)中分析用戶的顯性需求，探尋用戶的潛在需求，形成創(chuàng)新的起點(diǎn)。（2）抽象定義。對(duì)用戶需求信息進(jìn)行整理并建立關(guān)系，把需要解決的問(wèn)題通過(guò)提問(wèn)的形式進(jìn)行描述，以獲得有價(jià)值的創(chuàng)新活動(dòng)目標(biāo)，從而界定問(wèn)題。（3）創(chuàng)意構(gòu)想。結(jié)合定義問(wèn)題階段的核心判斷，鼓勵(lì)各小組通過(guò)頭腦風(fēng)暴提出多樣化解決問(wèn)題的思路，并選出最佳解決方案，激發(fā)創(chuàng)新性解決方案的提出。（4）原型迭代。為了將解決方案展示給更多的人以完善策略，需盡快建立關(guān)鍵功能原型，以故事、草圖、模擬信息系統(tǒng)等方式呈現(xiàn)，并在測(cè)試過(guò)程中獲得更加全面的反饋，持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)制品。（5）遷移應(yīng)用。學(xué)習(xí)者對(duì)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的重要組成成分進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建知識(shí)要素間新的聯(lián)系，達(dá)到知能的重組性遷移。這五大核心能力是判斷學(xué)生能否利用開(kāi)源硬件等數(shù)字化工具將信息知識(shí)和技能綜合應(yīng)用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的依據(jù)，以此促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)思維能力的發(fā)展。

（二）設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)理論要義與啟示

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)，又稱基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design-based Learning，DBL），最先由美國(guó)教育學(xué)者多林·尼爾森（Doreen Nelson）提出，并認(rèn)為“設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是一種將項(xiàng)目設(shè)計(jì)與知識(shí)學(xué)習(xí)緊密結(jié)合的學(xué)習(xí)方式”[8]。從探究的視角，珍妮特·克羅德娜（Janet L Kolodner）認(rèn)為，“設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是一種基于項(xiàng)目探究的方法，是學(xué)生在完成設(shè)計(jì)型挑戰(zhàn)任務(wù)的情境下習(xí)得知識(shí)與技能的途徑”[9]。從設(shè)計(jì)的視角，亞龍·多普爾特（Yaron Doppelt）認(rèn)為，設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是一種面向設(shè)計(jì)實(shí)踐的學(xué)習(xí)形式，即學(xué)生根據(jù)教師提出的挑戰(zhàn)，完成一系列設(shè)計(jì)任務(wù)的過(guò)程[10]。鑒于以上觀點(diǎn)，我們認(rèn)為設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是一種融合探究活動(dòng)和設(shè)計(jì)實(shí)踐的學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)者圍繞劣構(gòu)問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)探究與迭代設(shè)計(jì)完成項(xiàng)目任務(wù)。設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)更加突出知識(shí)內(nèi)容的跨學(xué)科性、實(shí)踐過(guò)程的探究性、設(shè)計(jì)活動(dòng)的迭代性，在培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力方面彰顯其獨(dú)特價(jià)值。

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)在中小學(xué)教育實(shí)踐中的典型應(yīng)用主要有尼爾森提出的“逆向思維（Backward Thinking）”學(xué)習(xí)過(guò)程模型[11]和克羅德娜提出的“基于設(shè)計(jì)的雙循環(huán)探究模型（Double Cycle Inquiry Model Based on Design）”[12]。其中，雙循環(huán)探究模型由“調(diào)查與探究”和“設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)”兩個(gè)循環(huán)圈關(guān)聯(lián)組成，“調(diào)查與探究”循環(huán)強(qiáng)調(diào)經(jīng)過(guò)探究獲得知識(shí)，即運(yùn)用科學(xué)方法探索解決問(wèn)題的途徑與一般性原則;“設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)”循環(huán)側(cè)重應(yīng)用知識(shí)設(shè)計(jì)與制作，在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改進(jìn)完善人工制品。本研究經(jīng)過(guò)對(duì)雙循環(huán)探究模型的構(gòu)成要素、學(xué)習(xí)流程的分析，結(jié)合開(kāi)源硬件教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)理論與開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐具有良好的適切性。兩者都提倡采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)迭代設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程，都以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、問(wèn)題解決、創(chuàng)新能力為共同取向。設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)能為開(kāi)源硬件教學(xué)提供理論指導(dǎo)，而基于開(kāi)源硬件的項(xiàng)目教學(xué)正是設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)實(shí)踐的良好場(chǎng)域。基于此，在開(kāi)源硬件教學(xué)過(guò)程中，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)非良構(gòu)的問(wèn)題情境，為學(xué)生提出挑戰(zhàn)性任務(wù);學(xué)生思考所面臨的真實(shí)挑戰(zhàn)，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)或身邊現(xiàn)象進(jìn)行類比，建立聯(lián)系，明確問(wèn)題;學(xué)生嘗試?yán)靡延兄R(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析解釋，并以小組為單位展開(kāi)調(diào)查探究活動(dòng);通過(guò)反復(fù)地探索與實(shí)踐，設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行初步實(shí)施;小組將設(shè)計(jì)方案與教師或其他同伴分享、交流，通過(guò)思維碰撞產(chǎn)生新想法，根據(jù)反饋建議修改完善方案;依托開(kāi)源硬件設(shè)備，完成作品原型，并進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化;最后進(jìn)行作品展示，對(duì)作品的科學(xué)性和實(shí)用性等方面進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，根據(jù)改進(jìn)建議與自我反思，形成作品改進(jìn)方案;如此迭代循環(huán)、改進(jìn)完善，發(fā)布最終作品。

三、設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)模式構(gòu)建

“開(kāi)源”意指開(kāi)放源代碼，承襲“開(kāi)放、自由、互助、分享”的精神，最初主要指軟件源代碼能夠被公眾完整獲取，自由利用設(shè)計(jì)并且再次發(fā)行源代碼。隨著各種開(kāi)源軟件的成熟和人們對(duì)開(kāi)源文化的認(rèn)可，逐漸拓展到硬件領(lǐng)域，出現(xiàn)了開(kāi)源硬件。開(kāi)源硬件是指與開(kāi)源軟件相同方式設(shè)計(jì)的電子物理制品，它允許用戶進(jìn)行修改、分發(fā)和使用[13]。開(kāi)源硬件具有開(kāi)放共享、二次開(kāi)發(fā)、可擴(kuò)展性、跨平臺(tái)性、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。在具體教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生充分利用豐富的開(kāi)源硬件搭建面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場(chǎng)景，在教師鼓勵(lì)下積極探究、大膽實(shí)踐，激發(fā)創(chuàng)新思維。開(kāi)源硬件教學(xué)成為實(shí)現(xiàn)新課標(biāo)中培養(yǎng)學(xué)生“勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問(wèn)題的實(shí)踐能力”的有效途徑。

開(kāi)源硬件教學(xué)應(yīng)秉承信息技術(shù)學(xué)科思維的本質(zhì)，即強(qiáng)調(diào)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的同時(shí)，更需要關(guān)注其內(nèi)在思維發(fā)展，培養(yǎng)其形成利用信息技術(shù)認(rèn)識(shí)世界的獨(dú)特思維（主要包括計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維和批判性思維等）[14]。然而，當(dāng)前高中開(kāi)源硬件教學(xué)整體開(kāi)展情況不盡人意，一項(xiàng)關(guān)于教師對(duì)高中信息技術(shù)新課標(biāo)認(rèn)知的調(diào)查顯示：針對(duì)“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊，教師的興趣態(tài)度、能力基礎(chǔ)、學(xué)校硬件設(shè)施條件、師資條件和學(xué)校開(kāi)設(shè)意向都較低;大多數(shù)信息技術(shù)教師不愿或難于應(yīng)對(duì)新課標(biāo)中提出“利用開(kāi)源硬件開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體驗(yàn)研究和創(chuàng)造的樂(lè)趣，培養(yǎng)利用信息技術(shù)解決問(wèn)題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的意識(shí)和能力”的要求[15]。從設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)角度來(lái)看，高中開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐中存在的主要問(wèn)題有：多數(shù)情境創(chuàng)設(shè)僅關(guān)注于激發(fā)學(xué)生興趣，而在是否有利于學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題方面考慮不足;需求分析階段的探究性不充分，學(xué)生未能深刻體驗(yàn)利用同理心來(lái)挖掘用戶的隱性需求的過(guò)程;教師提出的挑戰(zhàn)任務(wù)有時(shí)不利于學(xué)生發(fā)散思維，較難將各科知識(shí)融合應(yīng)用;設(shè)計(jì)制品往往只停留于一次完成，未能突出多重迭代在作品改進(jìn)完善或再設(shè)計(jì)中的作用;未能將設(shè)計(jì)思想貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，較難實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)隨著學(xué)習(xí)的開(kāi)展而不斷深化。

開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐要凸顯信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)客教育關(guān)注的“問(wèn)題探究、動(dòng)手設(shè)計(jì)和作品創(chuàng)造”的過(guò)程體驗(yàn)，這與設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)存在內(nèi)在的一致性，二者均強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程的真實(shí)情境性、探究性、設(shè)計(jì)性、迭代性和成果化。開(kāi)源硬件項(xiàng)目教學(xué)是一種能較好地培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維的實(shí)踐模式，設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)能為開(kāi)源硬件教學(xué)實(shí)踐提供指導(dǎo)。綜合以上對(duì)設(shè)計(jì)思維內(nèi)涵、設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)理論要義和開(kāi)源硬件教學(xué)問(wèn)題的分析，本文以“提升學(xué)生設(shè)計(jì)思維能力為目標(biāo)、以項(xiàng)目為主體、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、以體驗(yàn)為促進(jìn)，在合作交流分享中迭代完成作品”為思路，借鑒“基于設(shè)計(jì)的雙循環(huán)探究模型”并進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，構(gòu)建設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)模式，如圖1所示。

教師活動(dòng)方面，教師在教學(xué)過(guò)程中主要充當(dāng)指導(dǎo)者、組織者、支持者和評(píng)價(jià)者的角色。第一，教學(xué)伊始，教師通過(guò)實(shí)地考察、場(chǎng)景模擬、互動(dòng)采訪等方式創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，激發(fā)思考;第二，教師呈現(xiàn)所要完成的挑戰(zhàn)，對(duì)挑戰(zhàn)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)敘述，確定學(xué)生迫切想去解決的具體問(wèn)題，并鼓勵(lì)學(xué)生在求解過(guò)程中增強(qiáng)對(duì)非良構(gòu)問(wèn)題的理解;第三，教師和學(xué)生共同建立學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指出學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程中哪些需要做、哪些不需要做，以此來(lái)引導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程的開(kāi)展;第四，教師依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，給予學(xué)生及時(shí)支持，如提供學(xué)習(xí)過(guò)程記錄表、常見(jiàn)問(wèn)題匯總表和作品測(cè)試改進(jìn)表等;第五，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，教師組織學(xué)生進(jìn)行作品發(fā)布，通過(guò)學(xué)生互評(píng)、教師評(píng)價(jià)和專家評(píng)價(jià)方式對(duì)設(shè)計(jì)制品作出評(píng)價(jià)，并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己的作品進(jìn)行反思和迭代完善。

學(xué)生活動(dòng)方面，學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中主要充當(dāng)探究者、設(shè)計(jì)者、實(shí)踐者和反思者的角色。學(xué)習(xí)活動(dòng)主要包括調(diào)查/探究、設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)、反思三個(gè)迭代循環(huán)過(guò)程。首先，學(xué)生在理解挑戰(zhàn)（包括理解所要解決的問(wèn)題、作品功能、適用場(chǎng)景、限制條件等）、明確任務(wù)之后，需要進(jìn)行調(diào)查與探究。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)查，并以小組為單位實(shí)施探究，將探究結(jié)果在全班范圍內(nèi)進(jìn)行交流分享，聽(tīng)取教師或他人的評(píng)價(jià)建議，修正完善探究方案，根據(jù)探究結(jié)果滿足需要程度決定是否再次實(shí)施探究調(diào)查活動(dòng)。其次，在調(diào)查/探究環(huán)節(jié)結(jié)果基礎(chǔ)上，學(xué)生利用所獲得的知能，初步生成設(shè)計(jì)方案，并將方案向他人展示分享，相互討論交流，對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。在相對(duì)完善方案后開(kāi)展原型制作的實(shí)踐，之后對(duì)原型作品進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，依據(jù)測(cè)試結(jié)果、反饋對(duì)原型作品進(jìn)行優(yōu)化完善，并判斷是否需要再設(shè)計(jì)。最后，在經(jīng)過(guò)“調(diào)查/探究”“設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)”兩個(gè)環(huán)節(jié)的反復(fù)循環(huán)后，作品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行展示。教師或他人從作品的科學(xué)性、價(jià)值性、實(shí)用性等方面進(jìn)行客觀評(píng)判，形成結(jié)論和改進(jìn)建議。學(xué)生對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行反思，結(jié)合改進(jìn)建議，再次行動(dòng)，如此，作品在迭代和改進(jìn)反復(fù)循環(huán)中不斷完善，最終發(fā)布作品。

三個(gè)循環(huán)彼此邏輯關(guān)聯(lián)，相互滲透，共同促進(jìn)學(xué)生完成設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)。“調(diào)查/探究”指向探尋科學(xué)原理和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并探索解決問(wèn)題的途徑。學(xué)生將“共情”作為探求用戶需求的工具，換位思考，站在用戶立場(chǎng)，發(fā)掘用戶潛在需求;通過(guò)設(shè)置問(wèn)題邊界，抽象定義，從而架構(gòu)一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題?！霸O(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)”指向原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新的物品，在思維發(fā)散中形成創(chuàng)意與構(gòu)想，在思維聚合中形成最優(yōu)方案，在原型迭代、不斷試誤中學(xué)會(huì)分析推理。反思循環(huán)突出評(píng)價(jià)的導(dǎo)向、診斷、調(diào)節(jié)、激勵(lì)等功能，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)作品的不斷完善中形成多元化思考和元認(rèn)知策略。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，每一次循環(huán)都是多學(xué)科知能的綜合應(yīng)用，都在問(wèn)題解決過(guò)程中逐步促進(jìn)和深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，學(xué)生的探究能力、復(fù)雜問(wèn)題解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和跨學(xué)科思維能力都得以發(fā)展。

四、設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)應(yīng)用案例

在開(kāi)源硬件教學(xué)中融入設(shè)計(jì)思維的過(guò)程和方法，有助于讓學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中體驗(yàn)探究學(xué)習(xí)、作品迭代、深度反思等過(guò)程，經(jīng)歷“發(fā)散、聚合、細(xì)化、評(píng)估”等思維活動(dòng)，在不斷反思中確立學(xué)習(xí)的意義，拓展學(xué)生思維的寬度和深度。案例以“智慧校園生活”為主題，依托云南省昆明市X中學(xué)高一年級(jí)“開(kāi)源硬件”興趣拓展課的形式開(kāi)展，共8個(gè)課時(shí)，為期4周（每周2課時(shí)和課外活動(dòng)時(shí)間），有16名學(xué)生參與。教學(xué)對(duì)象掌握信息技術(shù)應(yīng)用的基本技能，能夠理解和編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序，他們的邏輯思維發(fā)展趨向成熟，具有相應(yīng)的問(wèn)題探究能力。本次教學(xué)活動(dòng)的目標(biāo)主要有：知道常用開(kāi)源硬件的功能與特征;熟悉利用開(kāi)源硬件完成項(xiàng)目的基本流程;根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選擇恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)源硬件，確定各組件的選調(diào)關(guān)系;學(xué)會(huì)審查與優(yōu)化作品方案;利用開(kāi)源硬件工具、編程語(yǔ)言和相關(guān)材料完成原型（作品）制作;踐行開(kāi)源與分享的精神，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手解決現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題的興趣，增強(qiáng)問(wèn)題意識(shí)和設(shè)計(jì)思維能力。學(xué)科核心素養(yǎng)方面，本次項(xiàng)目活動(dòng)側(cè)重于“設(shè)計(jì)思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”能力的培養(yǎng)，即“通過(guò)評(píng)估并選用常見(jiàn)的數(shù)字化工具，有效地管理學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，從而完成學(xué)習(xí)任務(wù)，形成創(chuàng)新作品的能力”[1]。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出挑戰(zhàn)

“智慧校園生活”主題旨在讓學(xué)生運(yùn)用設(shè)計(jì)思維方法來(lái)識(shí)別和解決日常校園生活中的問(wèn)題，即如何利用智能化技術(shù)使校園生活更加智能化、便利化，提升校園生活品質(zhì)。本環(huán)節(jié)的主要目標(biāo)是讓學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的劣構(gòu)、復(fù)雜問(wèn)題情境中，深入探索設(shè)計(jì)過(guò)程的共情階段，運(yùn)用同理心進(jìn)行觀察、訪談，繪制同理心地圖，從而理解挑戰(zhàn)，明確任務(wù)。

首先，教師拋出問(wèn)題：“物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展能給我們的校園生活帶來(lái)怎樣的改變呢？”學(xué)生對(duì)此展開(kāi)討論，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜集相關(guān)信息，形成應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的基本背景知識(shí)。然后，教師播放關(guān)于“未來(lái)校園”的視頻短片，讓學(xué)生充分展開(kāi)想象，并結(jié)合自己校園生活的真實(shí)體驗(yàn)進(jìn)行思考：“校園生活中哪些方面可以更加智能化？”緊接著，教師提示，本次活動(dòng)主要使用開(kāi)源硬件工具來(lái)嘗試解決大家發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，并要求完成實(shí)物作品的原型。隨后，在教師的組織引導(dǎo)下產(chǎn)生了四個(gè)小組（命名為A、B、C、D小組），各組的設(shè)計(jì)主題分別是“智能安保系統(tǒng)”“智能籃球裁判”“智能垃圾桶”“智能安全樓梯”。最后，為了更加明確各組任務(wù)，強(qiáng)化理解挑戰(zhàn)，教師鼓勵(lì)小組成員從更多視角來(lái)思考問(wèn)題，各小組完成同理心地圖的繪制。C小組的同理心地圖如圖2所示，從中分析出最大的痛點(diǎn)是“環(huán)境污染和資源浪費(fèi)”，需求是“垃圾分類與及時(shí)清理”。

（二）定義問(wèn)題，調(diào)查探究

首先，教師向?qū)W生講解訪談資料分析的具體方法，如何采用規(guī)范的語(yǔ)句描述用戶需求等。各小組對(duì)同理心地圖的信息進(jìn)行整合，進(jìn)一步探查用戶的真正需求，對(duì)用戶需求有清晰地描述，并以表格的形式列出哪些是“需要知道的”和“需要做的”，表1呈現(xiàn)C組定義問(wèn)題的過(guò)程。在教師指導(dǎo)下，每個(gè)小組經(jīng)過(guò)協(xié)商選擇出2～3個(gè)有意義且可行的關(guān)鍵問(wèn)題，以此確定需要解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并在全班內(nèi)分享觀點(diǎn)。然后，各小組進(jìn)入調(diào)查探究環(huán)節(jié)，探究?jī)?nèi)容主要有：?jiǎn)栴}產(chǎn)生的根源，解決問(wèn)題所需的科學(xué)原理知識(shí)，各類開(kāi)源硬件的功能、特征及不足，熟悉開(kāi)源硬件完成項(xiàng)目的基本流程等。最后，師生共同建立作品評(píng)價(jià)的基本標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要參考新課標(biāo)中“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”核心素養(yǎng)水平劃分內(nèi)容，從創(chuàng)新認(rèn)知、創(chuàng)新學(xué)習(xí)、創(chuàng)新技能、創(chuàng)新思維方面進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。

（三）創(chuàng)意構(gòu)想，設(shè)計(jì)方案

本環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)思維過(guò)程的關(guān)鍵，直接影響人工制作的創(chuàng)造性，主要包括方案構(gòu)想和方案優(yōu)化兩個(gè)階段。方案構(gòu)想聚焦于思維的發(fā)散，主要通過(guò)頭腦風(fēng)暴來(lái)讓學(xué)生發(fā)表多元化的觀點(diǎn)和多樣化解決問(wèn)題的構(gòu)想，充分利用思維導(dǎo)圖工具使小組成員的思維可視化更加清晰。方案優(yōu)化則聚焦于思維的收斂，通過(guò)分析來(lái)篩選或整合小組成員的創(chuàng)意構(gòu)想，形成匯集小組集體智慧的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化。

首先，教師鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新性地解決問(wèn)題，根據(jù)所具備的知識(shí)和技能，初步設(shè)計(jì)方案。接著，教師向?qū)W生介紹頭腦風(fēng)暴規(guī)則和思維導(dǎo)圖工具的使用技巧，各小組針對(duì)各自任務(wù)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式的創(chuàng)想，并將創(chuàng)意過(guò)程可視化呈現(xiàn)出來(lái)。然后，為了避免學(xué)生受最先提出設(shè)想的限制，最大限度地開(kāi)闊學(xué)生的思路，教師啟發(fā)學(xué)生使用SCAMPER方法進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)想。即從替代（Substitute）、合并（Combine）、改造（Adapt）、調(diào)整（Modify）、他用（Put to other uses）、去除（Eliminate）、重排（Rearrange）七個(gè)方向去構(gòu)思創(chuàng)意，對(duì)作品的功能進(jìn)行審查和優(yōu)化。最后，教師組織各小組分享方案，各小組在分享過(guò)程中收集反饋意見(jiàn)，討論是否有更簡(jiǎn)潔、高效的方法來(lái)調(diào)整和改進(jìn)方案。例如，C組在設(shè)計(jì)智能垃圾桶時(shí)，意識(shí)到還可以提升作品的實(shí)用性，增設(shè)了火災(zāi)報(bào)警與夜間照明等功能，增加了火焰?zhèn)鞲衅骱碗p色LED燈元件，并運(yùn)用Fritzing軟件繪制出智能垃圾桶的電路原理圖。

（四）制作原型，迭代改進(jìn)

本環(huán)節(jié)是學(xué)生將構(gòu)想、方案變成現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，學(xué)生充分利用開(kāi)源硬件套件和身邊容易可得的材料快速地將方案以實(shí)物呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)對(duì)比作品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不斷測(cè)試制品，明確方案的優(yōu)勢(shì)與不足，學(xué)生在試錯(cuò)、反思中記錄下問(wèn)題，從而改進(jìn)和完善作品。

首先，教師給各小組提供Arduino套件、紙板、彩色卡紙、膠水、馬克筆、剪刀等材料，鼓勵(lì)學(xué)生積極動(dòng)手實(shí)踐，在試錯(cuò)中改進(jìn)原型。接著，學(xué)生利用開(kāi)源硬件元件、材料動(dòng)手創(chuàng)造小組作品，編寫(xiě)程序，完成初步原型制品。最后，各小組通過(guò)場(chǎng)景模擬、可用性測(cè)試等形式對(duì)原型作品進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組內(nèi)測(cè)試并評(píng)估作品，分析初步程序存在的問(wèn)題，列出問(wèn)題清單，并進(jìn)行調(diào)整。例如：C組智能垃圾桶的程序中由于超聲波傳感器位置和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)置不恰當(dāng)，出現(xiàn)垃圾桶蓋不能正常感應(yīng)和開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)調(diào)整超聲波傳感器位置與舵機(jī)零位，實(shí)現(xiàn)超聲波靈活測(cè)距和舵機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)功能。C組經(jīng)過(guò)迭代優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)程序和作品最優(yōu)化，其最終原型作品如圖3所示。其中，圖形化編程代碼（部分）主要完成顯示超聲波測(cè)距并控制舵機(jī)打開(kāi)桶蓋的功能。智能垃圾桶的人體靠近檢測(cè)、填滿測(cè)試、及時(shí)提醒的功能，通過(guò)代碼窗口編程完成。

（五）評(píng)估反思，遷移應(yīng)用

通過(guò)系列設(shè)計(jì)思維活動(dòng)的成功應(yīng)用，各小組完成作品的創(chuàng)作。在項(xiàng)目開(kāi)展的最后環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生進(jìn)行成果展示，既包括元件連接、程序設(shè)計(jì)、功能應(yīng)用等方面的介紹，也分享需求分析、抽象定義、創(chuàng)意構(gòu)想、方案優(yōu)化、作品改進(jìn)等過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。教師提供作品綜合評(píng)價(jià)表、拓展應(yīng)用反饋表，各小組制作視頻短片或演示文稿呈現(xiàn)小組解決問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生在相互觀看作品的同時(shí)，開(kāi)展互評(píng)和反思。

“智慧校園生活”主題案例的挑戰(zhàn)源自接近學(xué)生的現(xiàn)實(shí)世界，培養(yǎng)學(xué)生的共情觀察技能，強(qiáng)調(diào)大膽創(chuàng)意、動(dòng)手實(shí)踐，注重團(tuán)隊(duì)的有效協(xié)作，使學(xué)生體驗(yàn)到一種真實(shí)的設(shè)計(jì)感，感受“做中學(xué)”的真正樂(lè)趣，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)接受”向“主動(dòng)探究、設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變。在課后訪談中，有學(xué)生樂(lè)觀、堅(jiān)定地表示：“方法總比問(wèn)題多，而且會(huì)存在比現(xiàn)有選擇更好的辦法”。有學(xué)生認(rèn)為，“整個(gè)過(guò)程讓自己體會(huì)到科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性和創(chuàng)造過(guò)程中應(yīng)具備‘精益、專注、創(chuàng)新的精神”。多數(shù)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)思維提倡的“同理心、發(fā)散思維、聚合思維、反復(fù)迭代、協(xié)同合作”理念有更深刻的認(rèn)知。學(xué)生不僅掌握了開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)的知識(shí)與技能，而且認(rèn)可設(shè)計(jì)思維方法有助于作品的優(yōu)化與完善，對(duì)自己的問(wèn)題解決能力、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力均有所提升，并樂(lè)意將設(shè)計(jì)思維遷移應(yīng)用于其他項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程中。

五、結(jié)? ?語(yǔ)

為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造能力，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，新課標(biāo)設(shè)立了“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”選擇性必修模塊，讓學(xué)生經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→提出構(gòu)想→設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決方案→利用開(kāi)源硬件實(shí)現(xiàn)解決方案”的完整過(guò)程，提升學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。相較于以左腦為主的思維方式，設(shè)計(jì)思維更突出直覺(jué)性、發(fā)散性、聯(lián)想性等右腦思維，其過(guò)程不再受線性思考或固有模式的束縛，而是通過(guò)非線性、循環(huán)式的思考方式，創(chuàng)設(shè)新的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)新的可能性[16]。探索設(shè)計(jì)思維方法運(yùn)用于信息技術(shù)課程教學(xué)中的路徑與要點(diǎn)，能為“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊的教學(xué)落地提供借鑒。

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)能為學(xué)生提供一套實(shí)用可行的思維訓(xùn)練方法，可有效避免學(xué)生過(guò)度模仿操作等問(wèn)題，讓學(xué)生真正意義上體驗(yàn)探究學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)、迭代反思等過(guò)程，有利于拓展學(xué)生的想象空間，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和自信心。本文充分汲取“基于設(shè)計(jì)的雙循環(huán)探究模型”和“EDIPT設(shè)計(jì)模型”的情境性、連續(xù)性、迭代性和靈活性優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了“設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開(kāi)源硬件教學(xué)模式”，旨在提升學(xué)生“換位思考、抽象定義、創(chuàng)意構(gòu)想、原型迭代和遷移應(yīng)用”五大核心能力。教學(xué)案例采取“邊摸索、邊實(shí)踐”的方式展開(kāi)，限于課時(shí)，只完整地進(jìn)行了一次循環(huán)過(guò)程，部分小組制品還可以再次迭代改進(jìn)，只能在后續(xù)課外活動(dòng)中由學(xué)生自行完善。設(shè)計(jì)思維的內(nèi)涵是豐富的，具有生成性和創(chuàng)造性的自然稟賦屬性，其教育價(jià)值在于設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)在支持學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識(shí)體系的同時(shí)，引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之間的聯(lián)系，由此形成運(yùn)用新知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。學(xué)生的設(shè)計(jì)思維能力也就在問(wèn)題解決的過(guò)程中得到強(qiáng)化與發(fā)展。誠(chéng)然，設(shè)計(jì)思維對(duì)于中小學(xué)生思維品質(zhì)的提升大有裨益，但開(kāi)源硬件作為一種技術(shù)工具，只有經(jīng)過(guò)有效教學(xué)設(shè)計(jì)，才能與教學(xué)深度融合，發(fā)揮其賦能作用。我們不應(yīng)指望開(kāi)源硬件能承載設(shè)計(jì)思維能力培養(yǎng)的全部?jī)?nèi)容，而是期待更多學(xué)科教師對(duì)設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)有更深入的理解、認(rèn)同并掌握系統(tǒng)應(yīng)用方法，從而自覺(jué)地將其融入具體學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中。

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