淺議“開源硬件項目設(shè)計”的教學(xué)實施

摘 要：本文根據(jù)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中的“開源硬件項目設(shè)計”模塊內(nèi)容，以設(shè)計制作“自制輸液自動報警裝置”案例為例，對該模塊內(nèi)容的教學(xué)實施進行了探討，旨在通過具體的項目實施，讓學(xué)生在參與完成項目的過程中體會到創(chuàng)新的樂趣，形成利用所學(xué)知識解決實際問題的意識，進而使學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)得到提升。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);項目設(shè)計;教學(xué)策略

中圖分類號：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-624X（2021）24-0056-02

引 言

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，高中信息技術(shù)課程的根本目標(biāo)是全面提升全體高中生的信息素養(yǎng)，而信息技術(shù)的核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個核心要素組成。根據(jù)這一要求，《課程標(biāo)準(zhǔn)》對高中信息技術(shù)課程進行了重新設(shè)置，包含必修、選擇性必修和選修三類課程。其中，選擇性必修課程中的“開源硬件項目設(shè)計”模塊是為了發(fā)展學(xué)生的個性特征而設(shè)計的課程，并且其課程修習(xí)情況將列入綜合素質(zhì)評價中[1]。

本文將結(jié)合“自制輸液自動報警裝置”這一案例，對如何開展“開源硬件項目設(shè)計”模塊內(nèi)容的教學(xué)進行探討。

一、案例緣起

（一）社會發(fā)展的需要

眾所周知，醫(yī)院的輸液室往往是人員比較密集的地方，經(jīng)常座無虛席，甚至有的人只能在過道等地方進行輸液。而和病人扎堆的現(xiàn)象相反的是，輸液室的醫(yī)護人員卻相對較少，這就存在一個很現(xiàn)實的問題：較少的醫(yī)護人員，要及時發(fā)現(xiàn)每個患者的輸液情況，以及哪個病人什么時候輸完，這是一項很繁重的工作。有很多病人因為病情的影響，往往不能隨時關(guān)注自己的輸液情況。如果輸液完成但沒有及時拔掉針頭，就會發(fā)生血液倒流進輸液瓶的危險情況，所以及時結(jié)束輸液是很重要的一項工作。

有沒有辦法在輸液即將完成時能夠自動提醒呢？這樣就可以在確保病人生命安全的同時，適當(dāng)減輕醫(yī)務(wù)人員的工作。

（二）《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求

高中信息技術(shù)課程由必修、選擇性必修和選修三類課程組成，而選擇性必修是對必修課程的拓展與深化，可以滿足學(xué)生的升學(xué)和個性化發(fā)展的需求，其中就包含了“開源硬件項目設(shè)計”模塊。該模塊設(shè)置的內(nèi)容有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣，使學(xué)生的動手實踐能力得到培養(yǎng)，同時也可以將STEAM教育理念融入信息技術(shù)課程中[2]。

鑒于以上原因，我們擬通過“自制輸液自動報警裝置”案例，對高中信息技術(shù)新課程中的“開源硬件項目設(shè)計”內(nèi)容的教學(xué)模式進行探討。該裝置的主要功能是，在輸液即將完成時，能自動報警，提醒患者和醫(yī)務(wù)人員。通過該案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠培養(yǎng)信息意識、計算思維及數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)，并提升信息社會責(zé)任素養(yǎng)。

二、案例學(xué)習(xí)目標(biāo)

本案例是以現(xiàn)實生活事例為真實情境的跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)，也是以問題解決為導(dǎo)向的探究式學(xué)習(xí)。本案例將引導(dǎo)學(xué)生從人文及科學(xué)并重的角度去觀察問題、思考問題，體會并剖析社會現(xiàn)象中所蘊含的真實問題及其價值。通過參與案例的實施，學(xué)生能夠培養(yǎng)愛國主義情懷、社會主義核心價值觀、科學(xué)精神和態(tài)度等正確的價值觀，增強對自然和生命的敬畏感。同時，通過對該案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生會思考自己在解決社會實際問題中的社會責(zé)任，在真實問題的研究中主動去承擔(dān)社會責(zé)任，培養(yǎng)信息社會責(zé)任素養(yǎng)。

針對遇到的實際問題，學(xué)生通過查找資料，能搜索并利用開源硬件及相關(guān)傳感器，體驗作品的創(chuàng)意、設(shè)計、制作、測試、運行的整個過程，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科為主的觀察事物和解決問題的能力，并提升計算思維與創(chuàng)新能力。學(xué)生通過參與本案例的設(shè)計制作，可以達到增強信息意識，培養(yǎng)計算思維能力，提升信息社會責(zé)任意識，以及提升信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

三、案例分析論證

“輸液自動報警裝置”是為了實現(xiàn)當(dāng)藥液快輸完時，能夠自動提醒病人及醫(yī)護人員及時進行處理。鑒于該設(shè)備的特殊性，所用設(shè)備不能接觸到藥液，否則會造成污染，從而危害到病人的生命安全。根據(jù)這一預(yù)期目標(biāo)，我們對完成該案例需解決的幾個問題及大致解決方案進行了歸納，如表1所示。

只有完成了以上幾個問題，“輸液自動報警裝置”才有實際使用價值。所以在項目真正開始實施前，我們必須對上述需求進行逐一論證。另外，僅僅準(zhǔn)備好硬件（見圖1）還不行，還必須配上相應(yīng)的軟件，才能實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

經(jīng)過比較，我們選擇了mBlock編程軟件。這是一款能夠兼容Arduino板的軟件，且使用模塊化編程，直觀易懂，便于學(xué)生理解。同時，該軟件還有“說”的功能，可以將傳感器檢測到的值直接顯示出來，更便于調(diào)試程序。

四、案例實施過程

（一）連接液位傳感器

因為液位傳感器測到的值會根據(jù)檢測物體的不同而實時發(fā)生變化，且它會根據(jù)檢測到的值的不同來判斷藥瓶里面有沒有藥液，所以應(yīng)該將其接在模擬口。那么檢測到的值是多少時表示有藥液或沒有藥液呢？為了解決這個問題，我們需要在程序中用到“說”的功能，即當(dāng)傳感器位于不同位置時，可以將測到的值“說”出來。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)藥瓶里有藥液時，檢測到的值約為1000;而當(dāng)藥瓶里沒有藥液時，檢測到的值約為0。根據(jù)這個結(jié)果，我們將500設(shè)為閾值，當(dāng)檢測到的值大于500時表示有藥液，反之則表示沒有藥液。

（二）連接發(fā)光二極管

發(fā)光二極管的作用是當(dāng)藥瓶里沒有藥液時，通過發(fā)出亮光來提醒患者和醫(yī)護人員及時處理。因為當(dāng)處于高電平時，發(fā)光二極管會發(fā)光，而處于低電平時，發(fā)光二極管是不會發(fā)光的，所以只要將其接在數(shù)字口即可，這可以通過程序的分支結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

（三）連接無源喇叭

無源喇叭的作用和工作原理與發(fā)光二極管類似，所以也可以接在某個數(shù)字口上。

通過下面的三個步驟，基本能夠達到預(yù)期效果，程序如圖2所示，具體接線方式：液位傳感器接模擬3號口;無源蜂鳴器接數(shù)字2號口;發(fā)光二極管接數(shù)字6號口。

經(jīng)過實際檢測，教師可以引導(dǎo)學(xué)生提出改進意見：如果輸液將完成、已經(jīng)發(fā)出聲光報警，而患者或醫(yī)護人員又沒有及時進行處理，就要加大報警的力度。如何實現(xiàn)呢？經(jīng)過討論、測試，我們將程序進行了改進，最終實現(xiàn)了這一功能：當(dāng)已經(jīng)報警但是沒有及時進行處理時，報警聲會越來越急促、音調(diào)也會越來越高，以提醒醫(yī)護人員馬上進行處理，程序如圖3所示。

至此，“輸液自動報警裝置”基本完成，且通過了測試，對于不同成分的液體（礦泉水、膠水、洗潔精），不同材質(zhì)顏色的藥瓶（透明、不透明、黑色），都可以準(zhǔn)確地進行檢測。

五、案例反思

通過參與“輸液自動報警裝置”的整個制作過程，學(xué)生親身經(jīng)歷了作品的創(chuàng)意、設(shè)計、制作、調(diào)試及完善的整個過程，體驗到了創(chuàng)新設(shè)計的樂趣，初步形成了利用信息技術(shù)學(xué)科知識去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思維模式，也提升了計算思維和創(chuàng)新能力。同時，學(xué)生對“開源硬件進行項目設(shè)計”的一般流程有了一定的了解，并能將其應(yīng)用于實際項目中。

結(jié)? ? 語

隨著案例實施過程的推進，學(xué)生能夠在信息技術(shù)環(huán)境下綜合利用STEAM教學(xué)理念，理解利用信息技術(shù)解決問題的基本思路與方法，認(rèn)識到數(shù)字化工具在現(xiàn)實問題解決過程中的價值與作用，同時提升信息意識和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的信息素養(yǎng)。

[參考文獻]

樊磊，吳俊杰.高中新課標(biāo)“開源硬件項目設(shè)計”模塊：課程實施與實驗室建設(shè)[J].中國信息技術(shù)教育，2018（22）：4-8.

連玉麗.新課標(biāo)下的初中信息技術(shù)課教學(xué)創(chuàng)新研究[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師通訊），2017（01）：26.

作者簡介：金松（1970.3—），男，浙江麗水人，中學(xué)高級教師。