開源硬件在信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

湯向東

【摘 要】掌控板是國內(nèi)一款專為編程教育而設(shè)計的開源硬件，是一款普及STEAM創(chuàng)客教育、人工智能教育、編程教育的開源智能硬件。本文對掌控板融入高中信息技術(shù)教學(xué)的方式進(jìn)行探討，發(fā)揮信息技術(shù)課的教學(xué)環(huán)境優(yōu)勢，提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的能力和意識。

【關(guān)鍵詞】掌控板;信息技術(shù);開源硬件;編程

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）07-086-03

開源硬件及其特點

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由軟件、開源軟件相同的方式設(shè)計的計算機(jī)和電子硬件[1]。創(chuàng)客教育目前使用的開源硬件有 Arduino、Raspberry Pi、Micro.bit、Microduino、掌控板等。每一種開源硬件平臺都有自身的優(yōu)勢，可滿足不同使用者的需求。開源硬件走進(jìn)中小學(xué)課堂，有助于創(chuàng)客教育的開展，也促進(jìn)了學(xué)生實踐、交流、創(chuàng)新等能力的發(fā)展。

掌控板和mPython

掌控板是由創(chuàng)客教育專家委員會提出和設(shè)計的用于普及STEAM創(chuàng)客教育、人工智能教育、編程教育的開源智能硬件，是一款專為編程教育而設(shè)計的開源硬件。掌控板支持圖形化及Python代碼編程，可實現(xiàn)智能機(jī)器人、智造創(chuàng)客作品等智能應(yīng)用。

mPython是一款用于對掌控板編寫程序進(jìn)而學(xué)習(xí)編程的軟件，支持從圖形化編程入手對掌控板編寫程序，進(jìn)而掌握Python編程語言。

基于mPython的掌控板在教學(xué)中的應(yīng)用

1.為什么選擇開源硬件掌控板

（1）開源硬件項目設(shè)計是新課程高中信息技術(shù)選擇性必修模塊6，但由于選擇性必修不是每個高中學(xué)生都必須學(xué)習(xí)，所以能夠參與開源硬件項目設(shè)計模塊學(xué)習(xí)的學(xué)生數(shù)量有限。

（2）高中必修模塊中有程序設(shè)計的內(nèi)容，大部分學(xué)校選擇的程序設(shè)計語言是Python，使用掌控板能夠使Python程序運行結(jié)果更形象地呈現(xiàn)出來。

（3）在掌控板上集成了RGB燈、OLED顯示屏、加速度傳感器、光線傳感器、麥克風(fēng)、蜂鳴器、按鍵開關(guān)、觸摸開關(guān)等。掌控板通過USB線連接計算機(jī)就能實現(xiàn)一些簡單功能，無需另外連接傳感器，避免了線路連接給初學(xué)者帶來的困擾，所以掌控板更適合學(xué)生入門使用。另外，掌控板拓展性能好，接上拓展板后可實現(xiàn)智能機(jī)器人、智造創(chuàng)客作品等。

（4）使用掌控板易于實現(xiàn)課程整合，如可以通過mPython編程在掌控板上繪制函數(shù)圖像，可以進(jìn)行英語單詞拼讀糾錯等。另外掌控板作為學(xué)生創(chuàng)客大賽的設(shè)備，在信息技術(shù)教學(xué)中讓學(xué)生接觸掌控板，為學(xué)生參賽提供多一種選擇。

2.掌控板融入高中信息技術(shù)課的方式

（1）使用mPython的掌控板仿真功能。mPython有模塊化編程和代碼編程兩種模式，對于mPython的初學(xué)者，可以先使用模塊化編程，待熟悉時再使用代碼編程。學(xué)生編寫好程序后選擇掌控板仿真中的“運行”，讓程序虛擬在掌控板上運行并看到運行結(jié)果，使程序的運行結(jié)果清晰可見。大班教學(xué)時掌控板可能不是學(xué)生人手一個，在掌控板入門教學(xué)中，制作一個作品，使用仿真功能讓學(xué)生馬上能看到效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)習(xí)掌控板文字顯示和基礎(chǔ)的內(nèi)置圖像顯示時都可以采用仿真功能。

仿真還有助于課堂展示。如果沒有仿真功能，教師展示作品要通過手機(jī)、展臺等途徑拍攝展示給學(xué)生看，既麻煩又浪費課堂時間。如圖1所示，如果學(xué)生沒有掌控板，教師可以把教師機(jī)的屏幕用教學(xué)軟件全屏廣播給學(xué)生，通過仿真功能觀看程序繪制的曲線;如果連接掌控板，則可以下載程序在掌控板的OLED屏上看到繪制曲線。

（2）在課堂中以小組合作的方式來完成項目?！盎谖锫?lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)”是高中信息技術(shù)必修2模塊“信息系統(tǒng)與社會”的內(nèi)容，這節(jié)課的目標(biāo)是通過分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例了解常見的傳感與控制機(jī)制，知道信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式。在教學(xué)中，可以讓學(xué)生使用掌控板完成一個“基于掌控板的小型信息系統(tǒng)”。以“使用掌控板監(jiān)測和控制聲音”項目為例，教師在課前制作好半成品終端程序，程序留空幾處，學(xué)生補(bǔ)充程序達(dá)到掌控板作為終端實現(xiàn)聲音監(jiān)測，并使用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行聲音控制的效果。在這個項目中需要教師先搭建好網(wǎng)絡(luò)平臺（并給出訪問網(wǎng)址），制作好控制端App程序（安裝在手機(jī)上），并做好半成品掌控板終端程序，上課時把半成品程序發(fā)給學(xué)生。學(xué)生先讀懂程序，了解掌控板是物聯(lián)網(wǎng)中的一個結(jié)點，然后準(zhǔn)確設(shè)置IP 地址及自己手中掌控板的結(jié)點名稱，使掌控板可以連上網(wǎng)。通過在mPython中修改半成品程序，使用掌控板獲取聲音值并可將這個聲音值傳到控制端，在控制端設(shè)置好范圍值，當(dāng)聲音值超出范圍時，在手機(jī)（或網(wǎng)頁）控制端可以看到是哪一個結(jié)點聲音值超標(biāo)，然后通過控制端發(fā)信息給相應(yīng)的掌控板（如在掌控板上亮燈、發(fā)出警報聲等）。程序做少許修改，就可以獲取光線值，并可實現(xiàn)通過控制端調(diào)節(jié)光線的功能。教師通過一塊小小的掌控板，就可以在課堂上實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，讓學(xué)生真實體驗物聯(lián)網(wǎng)項目。這既增加了課程的趣味性，也提高了課程的實用性，做到學(xué)以致用。

（3）在校本選修課中開設(shè)掌控板課程，讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)掌控板編程的知識。為了讓部分對掌控板有濃厚興趣的學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)掌控板知識，教師可以編寫掌控板校本課程，在學(xué)校的校本選修課中開設(shè)掌控板課程。開源硬件應(yīng)用教學(xué)以項目為主體，以任務(wù)為驅(qū)動，以體驗為促進(jìn)，在相互交流合作中完成項目[2]。掌控板校本選修課采用項目學(xué)習(xí)的方法，分為“情境導(dǎo)入—項目分析—項目實現(xiàn)—測試與優(yōu)化—拓展與應(yīng)用—評價與總結(jié)”六個環(huán)節(jié)，具體如圖2所示。

以案例“雙向開關(guān)燈”為例，課堂教學(xué)操作流程如下。

環(huán)節(jié)1：情境導(dǎo)入

教師活動：播放“雙向開關(guān)燈”的演示視頻。

學(xué)生活動：觀看演示視頻并思考雙向開關(guān)燈如何實現(xiàn)。

教學(xué)意圖：引入新課，明確主題。

環(huán)節(jié)2：項目分析

學(xué)生活動：說出雙向開關(guān)燈功能如何實現(xiàn)。

教師活動：使用PPT進(jìn)行歸納（按下掌控板A，B鍵控制板載RGB燈切換狀態(tài)）。

學(xué)生活動：完成任務(wù)1，將雙向開關(guān)燈的功能分解為任務(wù)，通過流程分析雙向開關(guān)燈功能如何實現(xiàn)（畫出任務(wù)流程圖）。

教學(xué)意圖：學(xué)生思考雙向開關(guān)燈的功能及實現(xiàn)方法。

環(huán)節(jié)3：項目實現(xiàn)

教師活動：在學(xué)生完成任務(wù)1的基礎(chǔ)上總結(jié)出雙向開關(guān)燈的流程圖（圖3）。

圖3? 雙向開關(guān)燈流程圖

學(xué)生活動：聽講，思考。

教學(xué)意圖：用流程圖的方法描述雙向開關(guān)燈的實現(xiàn)方法。

教師活動：講授實現(xiàn)雙向開關(guān)燈的方法。①了解位運算符的按位異或運算符“^”;②使用板載A，B鍵控制板載RGB燈的亮滅。

學(xué)生活動：聽講，思考。

教學(xué)意圖：學(xué)習(xí)新知。

學(xué)生活動：完成任務(wù)2，在mPython中編程實現(xiàn)雙向開關(guān)燈。

教師活動：巡視指導(dǎo)，及時了解學(xué)生的練習(xí)情況，對集中出現(xiàn)的問題進(jìn)行講解。

教學(xué)意圖：編程實現(xiàn)雙向開關(guān)燈。

環(huán)節(jié)4：測試和優(yōu)化

學(xué)生活動：①將編寫的mPython程序下載到掌控板測試雙向開關(guān)燈是否實現(xiàn);②思考程序如何優(yōu)化。

教師活動：巡視指導(dǎo)，觀察學(xué)生練習(xí)的情況，及時進(jìn)行指導(dǎo)。

教學(xué)意圖：測試程序。

環(huán)節(jié)5：拓展與應(yīng)用

教師活動：提問“雙向開關(guān)燈有哪些改進(jìn)的方法”。

學(xué)生活動：完成任務(wù)3“雙向開關(guān)燈功能的改進(jìn)”。①根據(jù)實際情況，思考雙向開關(guān)燈有哪些改進(jìn)的方法，如更改燈的顏色、更改顯示的文本、設(shè)置程序加載時是關(guān)燈狀態(tài)等;②嘗試修改程序?qū)崿F(xiàn)拓展功能。

教學(xué)意圖：思考程序如何優(yōu)化及嘗試實現(xiàn)。

環(huán)節(jié)6：評價與總結(jié)

學(xué)生活動：①提交作業(yè); ②學(xué)生展示并講解自己的作品。

教師活動：①進(jìn)行教學(xué)評價（對學(xué)生作品進(jìn)行點評）;②本節(jié)課總結(jié)（歸納重難點）。

教學(xué)意圖：進(jìn)行作品評價和課堂總結(jié)。

本節(jié)課的亮點在于遵循了“做中學(xué)、學(xué)中做”教學(xué)理念，讓學(xué)生先觀看視頻體驗范例，根據(jù)體驗分析范例的功能，在教師引導(dǎo)下分析出流程圖;再讓學(xué)生在輔助文檔的引導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)，完成作品制作，先學(xué)后教，做中學(xué)，學(xué)中做，在制作過程中理解其基本原理;通過優(yōu)秀作品的展示讓學(xué)生演示和分析其基本原理，再點撥重難點;通過拓展設(shè)計讓學(xué)生學(xué)以致用;最后是優(yōu)秀作品的演示，讓學(xué)生開拓思路并總結(jié)本節(jié)所學(xué)知識。

在信息技術(shù)課堂中引入掌控板，既發(fā)揮了信息技術(shù)課程的教學(xué)環(huán)境優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生了解常用的開源硬件，初步學(xué)會開源硬件的基本使用方法;同時也讓學(xué)生體會到創(chuàng)造的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計的意識，有助于學(xué)生信息素養(yǎng)的提升。

注：本文系廣東省2019年度教育信息化應(yīng)用融合創(chuàng)新專項課題“基于開源硬件的校本課程開發(fā)研究——以掌控板為例”（課題編號：19JX06030），廣州市天河區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“情境教學(xué)在高中信息技術(shù)課的應(yīng)用研究——以必修模塊為例”（課題編號：2021Y006）研究成果

參考文獻(xiàn)

雒亮，祝智庭. 開源硬件：撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿[J]. 中國電化教育，2015（4）： 7-14.

王巍. 我國開源硬件教育應(yīng)用研究綜述[J]. 教學(xué)研究，2020（1）.