基于PBL的開源硬件教學(xué)研究

吳蘇媛

摘? 要：《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要》的總體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。在信息技術(shù)教學(xué)中，教師要讓學(xué)生了解計算機(jī)軟、硬件知識與基本操作，嘗試尋找方法處理學(xué)習(xí)、生活中信息化表達(dá)的常見問題，讓學(xué)生了解信息技術(shù)在日常生活中的重要作用與價值，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。各類開源硬件校本課程如雨后春筍般開展起來，Scratch圖形化編程和開源硬件能讓學(xué)生在操作中逐步提高自己的編程能力、操作能力、創(chuàng)造能力、合作能力等。

關(guān)鍵詞：開源硬件；PBL教學(xué)方式；信息素養(yǎng)

一、條件：雙“件”，必不可少的教學(xué)工具

1. 開源硬件

ArduBits Nano逐日夸父主控板是思泰姆在Arduino Nano基礎(chǔ)上，采用Atmel Atmega328P-AU單片機(jī)，把主板和擴(kuò)展板結(jié)合起來的控制板。其優(yōu)點是接口全開放，且便于連接線路。

2. ArduBits Scratch軟件

ArduBits Scratch軟件是基于MIT媒體實驗室的開源Scratch2.0代碼和mBlock源碼進(jìn)行二次開發(fā)的一款圖形化編程軟件，它為Arduino生態(tài)系統(tǒng)里的電子模塊開啟了全新交互特性。此外，還可以用它來給ArduBits傳感器模塊編程。

3. 雙“件”合璧，培養(yǎng)創(chuàng)造力

雙“件”合璧，可以提高學(xué)生的動手造物能力，使學(xué)生的創(chuàng)造更直觀、更生活化，同時能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，學(xué)以致用，解決日常生活中的問題，技術(shù)服務(wù)于生活的理念也在學(xué)生的心中生根發(fā)芽。

二、方法：PBL，基于問題的教學(xué)方式

PBL（Problem-Based Learning）也被稱作問題式學(xué)習(xí)，是一種以問題為核心，以問題解決為驅(qū)動力，以分組闡述、展示、討論及相互交流為手段，以激發(fā)學(xué)生積極主動自學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維為主要目標(biāo)的全新的教學(xué)模式。PBL的教學(xué)目標(biāo)尤其要突出學(xué)生的獨立自學(xué)能力、資料組織能力、溝通交流能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

開源硬件是指與自由及開放原始代碼軟件相同方式設(shè)計的計算機(jī)和電子硬件。開源硬件開始考慮對軟件以外的領(lǐng)域開源，是開源文化的一部分。其中，Arduino的誕生可謂開源硬件發(fā)展史上的一個新的里程碑。開源硬件的特性便于小學(xué)教學(xué)的開展，采用PBL教學(xué)方式更加適合學(xué)生的學(xué)習(xí)，由問題出發(fā)，通過發(fā)問、解問、追問、反問等一系列環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過探索嘗試操作，解決生活中的問題，創(chuàng)造出智能化的作品，體會到開源硬件課程的魅力，同時培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。PBL教學(xué)方式下的開源硬件課程實施更能激發(fā)學(xué)生的求知欲、探索欲和創(chuàng)造力。

三、過程：實施，層層遞進(jìn)的教學(xué)環(huán)節(jié)

1. 創(chuàng)設(shè)情境，拋出問題激興趣

在開源硬件課程中，情境創(chuàng)設(shè)于問題解決的初期，根據(jù)問題進(jìn)行前期的鋪墊、中期的材料供給、后期的評價和整體學(xué)習(xí)效果的診斷。有效的問題設(shè)置，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；創(chuàng)設(shè)與教學(xué)內(nèi)容相符合的情境，有利于教學(xué)環(huán)節(jié)的推進(jìn)。

例如，在教學(xué)蘇科版《九年義務(wù)教育六年制小學(xué)教科書·信息技術(shù)》（以下統(tǒng)稱“教材”）6年級“傳感器與感知系統(tǒng)”這節(jié)課時，學(xué)生要掌握超聲波傳感器和紅外傳感器的用法，要能區(qū)分兩者之間的異同點。超聲波傳感器和紅外傳感器的作用非常相似。為了讓學(xué)生真正了解這兩個傳感器的區(qū)別，教師需要幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)有效的問題情境。傳感器是人類五官的延伸。教師可以以“拐杖是盲人朋友必不可少的出行工具”為情境，引出幫助盲人朋友設(shè)計一個智能化的拐杖，讓學(xué)生想一想該拐杖可以有哪些功能，如何實現(xiàn)這些功能，從而引出傳感器——傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將該信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式進(jìn)行輸出。根據(jù)不同的功能搭配不同的傳感器，讓學(xué)生進(jìn)一步了解各個傳感器的功能。接下來，教師可以讓學(xué)生嘗試使用傳感器。在操作中會發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器和紅外傳感器都能實現(xiàn)測障礙物的效果，如何體會它們的區(qū)別呢？智能化拐杖可以分為白天模式和夜間模式，讓學(xué)生在夜間進(jìn)行測試。結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，紅外傳感器失效。也就說明了紅外傳感器反射光波，所以夜間失效，超聲波傳感器反射聲波。

如何設(shè)計智能化盲人拐杖充分體現(xiàn)了PBL的驅(qū)動性。課題來自生活中需要解決的問題，真實且貼近學(xué)生的日常生活，能激發(fā)學(xué)生的興趣。這個問題具有可行性，也有一定的社會價值，且問題來源于生活。對于學(xué)生來說，這樣的設(shè)計具有現(xiàn)實意義。

2. 探尋思路，解決問題啟思維

PBL凸顯教師的引導(dǎo)者作用。如果有學(xué)生的回答不是全面的、精準(zhǔn)的，教師也不要急于否定學(xué)生的答案，而應(yīng)該對學(xué)生的回答進(jìn)行補充與引導(dǎo)；對于學(xué)生的思維定式或者思路不通，教師不能放任，而應(yīng)該給予啟發(fā)與引導(dǎo)。教師不僅要創(chuàng)設(shè)問題情境，也要為學(xué)生提供多種解決問題的方法或途徑。

例如，教材5年級“彈奏音樂”這節(jié)課主要是認(rèn)識超聲波傳感器的功能，會運用超聲波傳感器解決問題。教師可以結(jié)合生活實際創(chuàng)設(shè)情境，以節(jié)能風(fēng)扇為例進(jìn)行超聲波傳感器的講解。常見的教學(xué)設(shè)計是利用超聲波傳感器進(jìn)行測距，人到風(fēng)扇開，人離開風(fēng)扇關(guān)。通過軟件編寫程序，掌握條件語句的用法。設(shè)計前，教師啟發(fā)學(xué)生思路，如“花盆”，可以給花盆裝溫度、濕度傳感器，通過溫度、濕度來決定是否要澆灌，還可以裝補光器，促進(jìn)植物生長。學(xué)生設(shè)計時可以采用組合重構(gòu)法，將生活中多個物品的功能疊加在一起；也可以采用信息交合法，把一種物品的裝置遷移到其他物品上，參考前人的構(gòu)思，完善自己的作品。節(jié)能風(fēng)扇的關(guān)鍵在于節(jié)能，不能固化在一個點里。教師可以讓學(xué)生就節(jié)能展開討論，不一定是節(jié)能風(fēng)扇，有沒有其他節(jié)能的物品，它們是以什么方式進(jìn)行節(jié)能的？能否把這種方式遷移到風(fēng)扇上？通過引導(dǎo)與交流，啟發(fā)學(xué)生思考。學(xué)生會了解到多種節(jié)能方式，如測距節(jié)能、調(diào)速節(jié)能、調(diào)溫節(jié)能等，學(xué)生了解了多種節(jié)能方式后設(shè)計出來的作品就更飽滿，節(jié)能風(fēng)扇會根據(jù)人距離風(fēng)扇的遠(yuǎn)近自動調(diào)速，也會根據(jù)室溫自動調(diào)速等。

教師、學(xué)生在PBL教學(xué)中相輔相成，同步教學(xué)。學(xué)生在項目學(xué)習(xí)的過程中通過交流、合作、探究等構(gòu)建對共享資源的理解，一起解決問題。

3. 展開追問，刨根問底評效能

檢測問題的解決效能是動態(tài)、持續(xù)的。教師和學(xué)生在項目進(jìn)行中需要針對每個環(huán)節(jié)加以反思，主要包括教學(xué)內(nèi)容、探究和項目執(zhí)行的必要性、項目成果的品質(zhì)，以及項目中遇到的問題和解決方法。教師可以嘗試追問，從反思中得到問題的反饋，進(jìn)而不斷調(diào)整和完善自己的作品，方便教師了解當(dāng)前的學(xué)情。

例如，教材6年級“初識人工智能”這節(jié)課主要讓學(xué)生感知生活中的人工智能。教師可以先從理論出發(fā)介紹人工智能的發(fā)展，然后以“亮燈”為引子，讓學(xué)生思考如何創(chuàng)造性地改造傳統(tǒng)的亮燈方式。創(chuàng)造性改造問題能體現(xiàn)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力、整合舊知能力、編程能力和表達(dá)能力等，是學(xué)生展示才華的載體。學(xué)生作品看似創(chuàng)新，實則不然。針對這種情況，教師可以通過追問來推進(jìn)作品的優(yōu)化。借助問題，有層次地進(jìn)行追問，啟發(fā)學(xué)生的思維，讓學(xué)生在教師的問題下有所生成。教師可以通過一個個小問題逐漸引導(dǎo)學(xué)生解決大問題。（1）哪些方式可以讓燈亮起來？（2）哪些方式亮燈比較適合？為什么？（3）哪些方法可以讓燈亮得更絢麗？

教師有效追問，能發(fā)散學(xué)生的思維，搜集集體的智慧，學(xué)生的作品會更加豐富多彩。

4. “智”造成品，交流展示享成功

學(xué)生需要向同學(xué)、教師展示或者呈現(xiàn)他們的項目成果。學(xué)生之間以最后的作品進(jìn)行討論與交流，項目中的其他成員也要積極參加。在討論與交流中，可能會產(chǎn)生新的問題或靈感，不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步，享受“智”造給學(xué)生帶來的成就感，增強(qiáng)他們的自信心，激發(fā)造物興趣，培養(yǎng)綜合素養(yǎng)。

在PBL教學(xué)中，基于開源硬件的教學(xué)應(yīng)當(dāng)充分考慮小學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，創(chuàng)設(shè)合適的情境，盡量滿足小學(xué)生的興趣點和好奇心，通過解問和追問的過程，讓他們的信息素養(yǎng)得到發(fā)展，從而領(lǐng)悟到開源硬件學(xué)習(xí)的快樂，使信息技術(shù)教育真正落到實處。

參考文獻(xiàn)：

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