基于Arduino平臺(tái)的初中信息科技項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674—2117（2025）12—0073-03

引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種契合學(xué)習(xí)科學(xué)理論以及技術(shù)工程知識(shí)需求的教學(xué)模式，在教育過(guò)程中扮演著極為關(guān)鍵的角色，它對(duì)全面提升學(xué)生的綜合能力、切實(shí)達(dá)成科學(xué)教育的各項(xiàng)目標(biāo)，起著不可忽視的重要作用。

項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種創(chuàng)新性的教學(xué)方法，將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了深度融合。它以具體且明確的項(xiàng)目為載體，圍繞項(xiàng)目設(shè)定的目標(biāo)，精心組織并有序開(kāi)展各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要親自動(dòng)手進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，查閱資料，收集、分析數(shù)據(jù)，以及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)踐中遇到的各類問(wèn)題等。通過(guò)這一系列環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠更加深人地理解和掌握相關(guān)的知識(shí)與技能，全方位培養(yǎng)自身的綜合能力。

基于Arduino平臺(tái)的“物聯(lián)網(wǎng)近場(chǎng)通信技術(shù)”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

下面，筆者以“物聯(lián)網(wǎng)近場(chǎng)通信技術(shù)”實(shí)驗(yàn)為例，具體談?wù)勅绾伍_(kāi)展項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.思路創(chuàng)新

基于教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)新穎的實(shí)驗(yàn)情境，以第一視角代入情境：奶奶喜歡聽(tīng)音樂(lè)，她的智能手機(jī)里收藏了不少的曲目。然而隨著年事漸高，奶奶的視力變得越來(lái)越差，常常選錯(cuò)曲目，這讓奶奶有點(diǎn)懊惱。你看在眼里，疼在心里，決定利用自己所學(xué)，給奶奶量身打造一個(gè)更便捷、更適老的音樂(lè)播放器。以這樣的方式創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境好處頗多。首先，源于對(duì)奶奶的心疼，內(nèi)心會(huì)燃起強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)力，驅(qū)使自己主動(dòng)鉆研知識(shí)，去探索打造適合老年人的音樂(lè)播放器，讓學(xué)習(xí)變得更積極主動(dòng)。其次，能把平日里所學(xué)的理論知識(shí)切實(shí)運(yùn)用到實(shí)際操作中，把抽象知識(shí)具象化，借此更好地掌握并靈活運(yùn)用這些知識(shí)，有效提升知識(shí)應(yīng)用和實(shí)踐能力。再次，在整個(gè)過(guò)程中設(shè)身處地為奶奶著想，會(huì)不斷強(qiáng)化關(guān)心他人、解決問(wèn)題的責(zé)任感，有助于培養(yǎng)同理心以及塑造良好的品德和價(jià)值觀。最后，為了讓播放器更貼合奶奶視力不好的特殊情況，必然要思考與眾不同的設(shè)計(jì)思路，嘗試各種創(chuàng)新方法。

2.技術(shù)與器材創(chuàng)新

Arduino是一個(gè)開(kāi)源電子原型平臺(tái)，在電子制作、創(chuàng)意項(xiàng)目以及教育等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。它能夠連接近場(chǎng)通信模塊等各類設(shè)備，構(gòu)建出豐富多元的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

DFRduino UNO R3是依據(jù)Arduino這一原型平臺(tái)設(shè)計(jì)的主控板平臺(tái)。該平臺(tái)支持學(xué)生參與真實(shí)項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生在模擬真實(shí)場(chǎng)景的操作中，鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作、問(wèn)題解決等綜合素養(yǎng)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)客項(xiàng)目的順利開(kāi)展提供強(qiáng)大助力。

3.方法創(chuàng)新

實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織形式是多維度且相輔相成的。采用團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作的方式，可分為兩人組，一人實(shí)踐一人記錄，也可分為四人組。分組的主要原則是依據(jù)班級(jí)學(xué)生人數(shù)與能力水平合理分組，實(shí)現(xiàn)成員能力互補(bǔ)，明確各成員職責(zé)，讓其分別負(fù)責(zé)器材準(zhǔn)備、電路搭建、編程以及測(cè)試記錄等，讓小組成員在緊密協(xié)作中共同攻克實(shí)驗(yàn)任務(wù)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

第一階段：識(shí)別NFC讀寫(xiě)器、LED模塊和電子標(biāo)簽，理解近場(chǎng)通信的工作原理。

教師介紹科學(xué)家法拉第、麥克斯韋、赫茲，讓學(xué)生了解無(wú)線電波的發(fā)展歷程，引導(dǎo)其探究近場(chǎng)通信技術(shù)的工作原理和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，進(jìn)而幫助學(xué)生理解近場(chǎng)通信技術(shù)的核心原理，清楚數(shù)據(jù)在設(shè)備間是如何通過(guò)信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)?。同時(shí)，將近場(chǎng)通信技術(shù)與實(shí)際生活相結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)到該技術(shù)在生活中的應(yīng)用，如門禁系統(tǒng)、公交卡支付等場(chǎng)景都運(yùn)用到了近場(chǎng)通信技術(shù)，以此增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用意識(shí)。

學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)編寫(xiě)和上傳程序，使用連接線來(lái)連接各個(gè)硬件設(shè)備以及保障數(shù)據(jù)傳輸和供電，用DFRduino UNO R3作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的主控板，用NFC讀寫(xiě)器讀取電子標(biāo)簽中的信息，用LED燈直觀展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用I2C模式進(jìn)行通信，將NFC模塊的綠線連接到主控板的SDA引腳，藍(lán)線連接到SCL引腳，黑線連接到GND引腳，紅線連接到5V引腳。將LED模塊連接到主控板的數(shù)字引腳，連接時(shí)需注意引腳匹配相同顏色，保證連接正確。在將LED模塊連接到數(shù)字引腳后，當(dāng)程序控制該引腳輸出高電平或低電平時(shí)，LED燈能夠相應(yīng)地亮起或熄滅。

學(xué)生可根據(jù)自身掌握程度選擇圖形化代碼或其他編程方式進(jìn)行編寫(xiě)。將程序上傳至主控板并運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中，學(xué)生需要仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)電子標(biāo)簽靠近讀寫(xiě)器時(shí)，如果成功讀取，程序會(huì)獲取到電子標(biāo)簽的UID（唯一識(shí)別碼），并將其顯示在計(jì)算機(jī)的串口監(jiān)視器上，學(xué)生記錄下獲取到的UID。同時(shí)，由于程序設(shè)定，當(dāng)讀取成功時(shí)，連接在數(shù)字引腳的LED燈會(huì)亮起，直觀地展示讀取成功的狀態(tài)。如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)LED燈未亮起或無(wú)法獲取UID等問(wèn)題，學(xué)生需要檢查硬件連接是否正確、程序代碼是否存在邏輯錯(cuò)誤，通過(guò)調(diào)試解決問(wèn)題并繪制簡(jiǎn)易流程圖，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作的理解。

第二階段：識(shí)別MP3語(yǔ)音、顯示屏模塊和無(wú)源音箱，學(xué)會(huì)使用MP3模塊。

將MP3語(yǔ)音模塊與主控板進(jìn)行連接，依據(jù)模塊說(shuō)明書(shū)確定相應(yīng)的引腳連接方式，連接電源引腳以保證模塊正常供電，連接通信引腳UART接口實(shí)現(xiàn)主控板與MP3模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸與指令交互。顯示屏模塊同樣連接到主控板的I2C接口，確保能夠準(zhǔn)確接收主控板發(fā)送的顯示數(shù)據(jù)。無(wú)源音箱連接到MP3語(yǔ)音模塊的音頻輸出接口，從而實(shí)現(xiàn)聲音播放功能。各模塊連接時(shí)要注意正負(fù)極性與引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系，避免因連接錯(cuò)誤損壞設(shè)備。

學(xué)生需通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3模塊的控制。可借助圖形化編程軟件（如Mind+）或文本代碼編程。功能包括選擇MP3模塊內(nèi)存儲(chǔ)的音頻文件、控制音頻播放的開(kāi)始與暫停、調(diào)節(jié)音量大小，以及在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示播放曲目、音量大小。編程完成后，將程序上傳至主控板，運(yùn)行程序測(cè)試MP3模塊功能。在程序上傳過(guò)程中，必須將MP3模塊的兩個(gè)數(shù)字接口拔出，否則會(huì)出錯(cuò)，學(xué)生仔細(xì)觀察MP3模塊、顯示屏與無(wú)源音箱的工作狀態(tài)。若音頻無(wú)法正常播放，需檢查模塊之間連接是否穩(wěn)固、音頻文件格式是否正確、音頻控制指令是否準(zhǔn)確。通過(guò)不斷調(diào)試能夠按照預(yù)期播放音頻，顯示屏準(zhǔn)確顯示信息，實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的協(xié)同工作，達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，同時(shí)繪制該實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易流程圖。

第三階段：識(shí)別按鈕模塊等，學(xué)會(huì)根據(jù)流程圖搭建硬件和編寫(xiě)程序。

學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求將按鈕模塊連接到主控板的指定數(shù)字引腳，連接時(shí)需注意正負(fù)極性和引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系，防止因連接錯(cuò)誤導(dǎo)致設(shè)備損壞。同時(shí)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，把按鈕模塊與此前熟悉的NFC讀寫(xiě)器MP3模塊、顯示屏模塊等進(jìn)行組合連接，構(gòu)建起更為復(fù)雜的硬件系統(tǒng)。通過(guò)按下按鈕控制LED燈的亮滅、控制MP3模塊播放特定音頻或者切換顯示屏顯示內(nèi)容，要求學(xué)生繪制完整流程圖，要清晰描述從按鈕被按下或松開(kāi)，到主控板接收信號(hào)、進(jìn)行邏輯判斷，再到控制相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作的整個(gè)過(guò)程。

在程序上傳后，學(xué)生通過(guò)按下和松開(kāi)按鈕，觀察連接設(shè)備的響應(yīng)情況。若設(shè)備未按照預(yù)期動(dòng)作，需要排查硬件連接是否松動(dòng)、思考流程圖設(shè)計(jì)是否存在邏輯漏洞以及代碼是否存在錯(cuò)誤等。在成功實(shí)現(xiàn)功能后，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)程序和硬件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整按鈕的響應(yīng)靈敏度、增加多個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)不同功能組合等，從而提高效率。

第四階段：終極調(diào)試并展示交流。

學(xué)生針對(duì)前三個(gè)階段整合后的系統(tǒng)程序展開(kāi)全面調(diào)試，檢查程序在復(fù)雜操作和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性，如在連續(xù)多次讀取電子標(biāo)簽信息、頻繁切換MP3音頻播放、多次觸發(fā)按鈕控制不同設(shè)備動(dòng)作等操作后，系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)卡頓錯(cuò)誤響應(yīng)甚至死機(jī)的情況。通過(guò)串□監(jiān)視器輸出詳細(xì)的調(diào)試信息，分析程序運(yùn)行流程，查找潛在的邏輯錯(cuò)誤和內(nèi)存泄漏等問(wèn)題。若發(fā)現(xiàn)程序出現(xiàn)異常，需要回溯代碼，檢查變量的賦值與使用、函數(shù)的調(diào)用邏輯以及各模塊之間的協(xié)同工作，逐步修復(fù)程序漏洞，優(yōu)化程序性能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

要求學(xué)生通過(guò)多種方式展示實(shí)驗(yàn)成果：制作PPT來(lái)闡述實(shí)驗(yàn)背景、目標(biāo)、過(guò)程、成果以及遇到的挑戰(zhàn)和解決方案；現(xiàn)場(chǎng)演示，如當(dāng)NFC讀寫(xiě)器讀取到特定電子標(biāo)簽時(shí)，MP3模塊播放指定音樂(lè)，同時(shí)顯示屏顯示相關(guān)信息，并且通過(guò)按鈕可以靈活控制音樂(lè)播放和顯示內(nèi)容切換等；撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以文字記錄實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)和成果。在展示過(guò)程中，支持團(tuán)隊(duì)之間提出問(wèn)題和建議，這種交流不僅能夠讓學(xué)生相互學(xué)習(xí)、拓寬思路，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力和批判性思維進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)成果。

總結(jié)與分析

從實(shí)驗(yàn)的整體效果來(lái)看，學(xué)生通過(guò)參與各個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)操作，在知識(shí)和技能方面有了一定的收獲。在知識(shí)層面，學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)近場(chǎng)通信技術(shù)的概念、工作原理，以及數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制有了更深入的理解。在實(shí)際生活應(yīng)用案例的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠?qū)⒊橄蟮募夹g(shù)知識(shí)與生活場(chǎng)景相聯(lián)系，增強(qiáng)了知識(shí)的應(yīng)用意識(shí)。在技能層面，學(xué)生掌握了Arduino開(kāi)發(fā)板與讀寫(xiě)器、MP3模塊、顯示屏模塊、按鈕模塊等多種硬件設(shè)備的連接方法，能熟練運(yùn)用圖形化編程軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件設(shè)備的控制。團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作模式讓學(xué)生學(xué)會(huì)了與他人溝通交流、合理分配任務(wù)，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞含盛，徐光濤.信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)：價(jià)值定位、教學(xué)模式與實(shí)施策略[J.中國(guó)信息技術(shù)教育，2024（05）.5-8+68

[2]宿慶.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2021.