小學(xué)“開源硬件+圖形化編程”校本課程設(shè)計與實踐

劉其政

摘要：自《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布以來，人工智能教育、跨學(xué)科綜合課程逐步走進(jìn)中小學(xué)課堂。作者以“開源機(jī)器人+圖形化編程”的應(yīng)用為例開展研究，以期能為信息科技和“田園課程”的校本課程實踐提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：信息科技；田園課程；開源硬件；圖形化編程；校本課程

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）15-0053-03

在創(chuàng)客教育中，開源機(jī)器人和編程技術(shù)是學(xué)生重要的學(xué)習(xí)工具。開源硬件和圖形化編程的結(jié)合不僅可以使硬件編程變得更加容易，降低編程門檻，而且能夠讓學(xué)生快速掌握設(shè)計和制作電路的基礎(chǔ)知識，完成從簡單到復(fù)雜的項目。通過開源機(jī)器人和編程的實踐，學(xué)生可以深入了解信息科技，提高邏輯思維能力和解決問題能力，同時也可以提高動手實踐能力，增強(qiáng)創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力。

“開源硬件+圖形化編程”的校本課程案例設(shè)計

1.主題選取

筆者結(jié)合海南省小學(xué)勞動課程—田園課程，選擇“智慧田園”作為校本課程主題，通過探究新興的農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生探索新科技，了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技和新技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)造力。

2.課程目標(biāo)

①學(xué)習(xí)和了解農(nóng)業(yè)科技的基礎(chǔ)知識，如傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等。

②應(yīng)用開源硬件來模擬智慧田園，提升田園的智能化。

③培養(yǎng)合作精神，增強(qiáng)實踐能力和解決問題的能力。

3.課程內(nèi)容

①介紹智能農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的相關(guān)知識。

②利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)建立智慧田園。

③通過Arduino、開源硬件和圖形化編程軟件，實現(xiàn)智能化管理和控制。

④設(shè)計和制作智慧田園的構(gòu)建和編程。

⑤組織學(xué)生合作，完成實驗。

4.學(xué)習(xí)支架

智慧田園的學(xué)習(xí)支架包括國內(nèi)外現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)方式和發(fā)展趨勢的相關(guān)視頻，硬件平臺、教材和文獻(xiàn)、實驗示范和實踐指導(dǎo)等文字和視頻資源。

5.課程實施

環(huán)節(jié)一：介紹智能農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的相關(guān)知識，思考并建構(gòu)問題的解決思路

問題：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展到什么層面？學(xué)校的“田園”或者你理想中的“田園”哪些方面應(yīng)智能化？如果你是農(nóng)場主，如何規(guī)劃和建設(shè)你的農(nóng)場？根據(jù)觀察和了解，針對學(xué)校的“田園”，我們能做哪些方面的智能技術(shù)升級？

學(xué)習(xí)內(nèi)容：①了解當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖業(yè)，觀察現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)和智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備，了解農(nóng)民的生產(chǎn)生活等。②從智能灌溉系統(tǒng)、智能監(jiān)測、自動化收割等方面了解智能農(nóng)業(yè)的技術(shù)應(yīng)用和優(yōu)勢，學(xué)習(xí)農(nóng)作物生長的基礎(chǔ)知識，如土壤肥力、水分和氣候、溫度、濕度等條件等。了解化肥、農(nóng)藥等現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的作用，以及它們?nèi)绾螏椭岣咿r(nóng)作物產(chǎn)量和保護(hù)環(huán)境。了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)運(yùn)用的新技術(shù)，思考其如何使農(nóng)業(yè)更加高效和環(huán)保。③實地考察學(xué)校的“田園”基地，深入體驗作物的生產(chǎn)過程。

學(xué)習(xí)方式：通過對比傳統(tǒng)與現(xiàn)代科技的農(nóng)業(yè)視頻，開展頭腦風(fēng)暴，“大話”智慧農(nóng)場，“獻(xiàn)策”學(xué)校的田園基地。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和環(huán)保意識，以及社會責(zé)任感和尊重勞動的精神，同時提高他們在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中的競爭意識。

環(huán)節(jié)二：介紹傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并讓學(xué)生了解如何使用這些技術(shù)來建立智慧田園

問題：實現(xiàn)智能化的硬件有哪些？它們分別完成什么功能？

學(xué)習(xí)內(nèi)容：①通過實物作品案例觀察和功能演示，了解傳感器技術(shù)。②通過“點燈科技”案例了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，感知傳感器技和物聯(lián)網(wǎng)作用。初步了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過集成傳感器技術(shù)來搜集環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建智能化的決策和實現(xiàn)思想。③初步了解圖形化編程工具，初步體驗讀模擬信號和高低電平的輸入輸出。

學(xué)習(xí)方式：以學(xué)習(xí)小組為單位，通過實物觀察和初步實踐，了解工作原理和感應(yīng)器的反饋結(jié)果。例如，Arduino主控板連接計算機(jī)，通過圖形化編程工具，將溫度傳感器、濕度傳感器、水位傳感器、光敏傳感器等模擬傳感器替換到模擬端口，觀察和了解數(shù)值的變化情況，并將風(fēng)扇、LED燈、蜂鳴器等連接到數(shù)據(jù)端口觀察該端口輸出高低電平的效果呈現(xiàn)。

結(jié)果呈現(xiàn)：①用手握住溫度傳感器觀察數(shù)值的變化，再換上光敏傳感器，慢慢地遮住光線觀察讀取數(shù)值的變化，再換上水位傳感器慢慢地伸入水杯中，觀察讀取數(shù)據(jù)的變化；②將風(fēng)扇、LED燈、蜂鳴器接上主控板的數(shù)字端口，觀察高低電平輸出的結(jié)果。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、探究與實踐創(chuàng)新能力，以及團(tuán)隊合作能力。

環(huán)節(jié)三：應(yīng)用圖形化編程實現(xiàn)開源硬件中常用傳感器邏輯控制執(zhí)行設(shè)備

問題：如何運(yùn)用圖形化工具指揮硬件工作實現(xiàn)智能化？如果溫度高于36度，怎么讓數(shù)字端口9中的風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來？如果光敏傳感器光線值低于300，怎么讓數(shù)字端口7中的LED燈亮起來？如果水位傳感器的值高于800，數(shù)據(jù)端口5的抽水泵開始抽水，這是不是和問題一的現(xiàn)實原理一樣？光敏傳感器的值連續(xù)在從0～1023的范圍變化的過程，能不能實現(xiàn)LED燈的亮度也隨之變化呢？什么是數(shù)字信號？什么是模擬信號？這些感應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用原理有哪些相似之處？

學(xué)習(xí)內(nèi)容：①圖形化編程環(huán)境中的邏輯控制；②數(shù)字信號的輸入輸出以及PWM模擬量的輸出。

學(xué)習(xí)方式：提出問題、實踐實驗、合作學(xué)習(xí)、解決問題。

結(jié)果呈現(xiàn)：能夠應(yīng)用圖形化編程環(huán)境進(jìn)行簡單的條件邏輯控制，同時實現(xiàn)動態(tài)模擬量的智能化控制。

設(shè)計意圖：提高學(xué)生的編程水平，培養(yǎng)他們的邏輯思維和創(chuàng)造力，養(yǎng)成人機(jī)結(jié)合的思維和勇于探索的精神。

環(huán)節(jié)四：設(shè)計和制作搭建智慧田園場景，綜合開源硬件布置和編程實現(xiàn)

問題：你心中的智慧“田園”模型是怎樣的？如何構(gòu)建和制作？

學(xué)習(xí)內(nèi)容：規(guī)劃書的填寫、模具的制作、程序的編寫與調(diào)試。

學(xué)習(xí)方式：合作學(xué)習(xí)、實踐、制作。

結(jié)果呈現(xiàn)：運(yùn)用亞克力板、彩紙、剪刀、強(qiáng)力膠、熱熔槍等工具材料，通過作品的設(shè)計、實現(xiàn)、修復(fù)和修改以及藝術(shù)化場景等環(huán)節(jié)完成團(tuán)隊作品的制作。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意思維能力，團(tuán)隊協(xié)作能力，制作、實踐和操作能力，電子技術(shù)應(yīng)用和編程能力等各方面的綜合能力。

環(huán)節(jié)五：展示交流、評價反思

問題：作品解決了現(xiàn)實中的“田園”存在的哪些不足？還有哪些方面想實現(xiàn)但還沒有實現(xiàn)？哪些方面可以在下一步融入到自己的作品中？

學(xué)習(xí)內(nèi)容：作品簡單PPT的制作、演示與表達(dá)，找出不足。

學(xué)習(xí)方式：展示、分享、交流。

結(jié)果呈現(xiàn)：自述作品、評價其他作品、提出自己作品存在的不足。

設(shè)計意圖：展評和交流活動幫助學(xué)生提高創(chuàng)新思維和實踐能力，拓展知識和技能，增強(qiáng)自信和自主學(xué)習(xí)能力。

實施成效

在評估課程目標(biāo)是否實現(xiàn)環(huán)節(jié)，從學(xué)生的學(xué)習(xí)筆記和實踐成果可知，學(xué)生的人工智能思維、圖形化編程能力、動手實踐能力、團(tuán)隊合作能力、交流與表達(dá)能力都得到了充分的發(fā)展。同時，多樣化的作品，如“智能澆花系統(tǒng)”“智能火龍果基地”“智能蜂箱”等，提升了“田園”校本課程的定位。

“智慧田園”校本課程是一門應(yīng)用人工智能、開源硬件和圖形化編程技術(shù)的創(chuàng)新課程，人工智能等技術(shù)除了可以用于智慧田園的搭建和創(chuàng)作，還可以通過交叉學(xué)習(xí)的方式應(yīng)用到如數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)、物理等學(xué)科的教學(xué)中。在社會實踐方面，將“智慧田園”作為一種實踐方案，可以探究如何運(yùn)用智能技術(shù)解決當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)或農(nóng)戶面臨的問題。

結(jié)語

“智慧田園”校本課程是一門有意義的創(chuàng)新課程，課程實施需要多方面支持，包括校方的資源配置、教師隊伍的配備和培訓(xùn)、學(xué)生的積極參與、家長的支持等。同時，也需要不斷完善課程方案和教學(xué)方法，推動課程的發(fā)展和改進(jìn)。

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本文為海南省教育科學(xué)規(guī)劃2022年度專項課題“小學(xué)智能機(jī)器人圖形化編程教學(xué)的案例研究”（課題編號： QJH202210029）的研究成果。