开源硬件在中学信息技术教育中的应用

一、开源硬件在中学信息技术教学中的价值（一）促进学生学习兴趣提升在开源硬件的支持下，学生能够把所学习的信息技术理论知识应用于实践操作场景之中，在编程控制机器人和传感器等方面获得充分的探索机会，这样的即时互动与反馈可极大地促进学生学习兴趣的提升。（二）推动学生计算思维发展利用开源硬件平台，学生能够直接面对各种类型的现实生活问题，借助计算思维完成问题分析与解决任务。在此期间，学生应借助算法与逻辑结构审视生活问题，直观了解算法与逻辑结构对硬件行为造成的影响，进而深人领会计算思维。（三）刺激学生创新思维进步开源硬件所具有的开放性特点，使学生处在较为广阔的创造空间之內。在此空间中，学生能够从自身想法出发，选择多种硬件组合方式，并设计与之相对应的程序，实现个性化功能，对自我创新思维产生较强刺激。二、教学设计（一）教学框架设计在开源硬件教学中，教师应预先设计满足学生发展需要的教学内容，以促进教育效果的提升。依此前理论研究成果，越是高效的教学流程，在设计时越需要实现多重教育功能，从而使学生的创新思维得到培养，让其拥有更强的问题解决能力，且产生优化实验操作方案的意识等。为实现多重要求，本次教学设计准备在框架设计中分步操作，以生活中所发现的问题为导引，把问题转为有探索价值的课题（二）教学对象分析教学对象分析属于教学设计的前期重要环节，不管是确定教学目标还是具体的活动设计，以及相应的教学内容选择与编排，均应考虑到教学对象的情况。本研究所指向的中学生已经初步具备了一定的思维与能力，可以利用具体事物或者现象进行相对简单的抽象逻辑运算，完成开源硬件的探索与研究工作，这为巡逻机器人的设计与使用奠定了基础。除此以外，这一阶段的学生自制力更强，团队合作能力、观察力、注意力和问题解决能力等也有所发展，这使巡逻机器人的实际运用与迭代更新具有可能性。（三）教学资源提供为使学生快速进人情境，参与设计与使用巡逻机器人的过程更加顺利，教师需要准备充分的辅助教学资源，即在设计教学流程时，预先提供必要的与设计活动相关的知识与硬件资源，这将保证学生得到全程帮助，不断进行深入学习，同时保持学习的不间断。当学生接触到搭建巡逻机器人这部分内容时，他们已经能够基本了解机器人的概念，对机械结构有一定的认知，同时知道开源硬件的作用。据此，接下来所设置的实践操作课，需要学生学习编写程序，体验机器人的特定功能。教师可在课前准备以下内容。其一，电子教材一份，供学生随时阅读，为课前没有准备纸质教材的学生提供方便;其二，编程软件，使学生按照教师所出示的安装说明自主融入编程环境；其三，示例程序，供学生体验与理解程序的运行规则，并模仿使用。（四）教学活动设计开源硬件在中学信息技术教学中的应用以项目化学习为主，该设计形式强调合作、探索的必要性，也强调要进行真实性、综合性评价。实践环节中，学生需要具体探索巡逻机器人的操作流程，使理论知识与实践应用融为一体，这种理论结合实践的做法，是教学活动设计中另一个值得注意的点。具体活动设计可分为三个阶段。1.初步提供导学单框架，引导学生走近巡逻机器人教师列出导学单框架，要求学生在教师的引导下分步填写。八年级下册“搭建巡逻机器人\"导学单（1）学习目标了解巡逻机器人基本结构组成，如底盘、传感器、控制器、动力系统等。掌握基础编程逻辑，如循环、条件判断等，用于对机器人行为的控制。掌握红外传感器、超声波传感器的使用方法，应用环境感知功能。在动手实践中进行巡逻机器人硬件搭建和软件调试，以小组合作方式处理机器人巡逻路径规划之中的实际问题。培养团队协作意识、工程思维、人工智能与机器人技术兴趣及创新意识。（2）学习重点与难点（教师指导，学生填写）（3）课前准备工作（主要由学生填写）（4）课堂活动设计（主要由教师指导，学生填写）（5）课后拓展主要包括实践作业部分与探究思考部分。（6）评价与反馈（7）安全注意事项（教师指导，学生填写）本次授课中，教师利用真实情境，引导学生换位思考：作为一个具有防溺水功能的巡逻机器人，需要拥有哪些功能？这一环节可充分展现学生主体作用。在本环节中，预设的导学单需要学生填写完成，由此确认本次主要任务，即学习的重点包括机器人硬件结构搭建及编程逻辑实现避障、路线识别等巡逻功能。难点在于精准调试传感器和保证多任务程序的协调性，并按照实际情况优化机器人行动路径。教师要求学生共同观看溺水新闻，让学生讨论自己的心理感受与对事件的看法，再提出问题：有什么办法能够降低危险发生的可能性？如果借助人力去宣传和监督，在人力有限和全国河道众多的情况下，这一矛盾如何化解？我们可以把这些有必要然而又重复的工作交给谁呢？启发学生说出“机器人\"的答案。再利用小组讨论形式共同分析：如果让你担任设计师，你可以给巡逻机器人添加哪些功能？学生通过小组讨论得到答案，并且填入导学单之中。在师生共同努力之下，导学单能够全面汇总本次探索的项目目标与研究方向，最终明确学生所设计的巡逻机器人应当突出防溺水警示这一主要功能。2.继续认识巡逻机器人，做好基础知识的引导工作在导学单的引领下，教学活动持续推进。接下来，教师应在前述启发成果的基础上继续同学生讨论。讨论侧重于巡逻机器人的原理及表现关联性，并使学生明确：当接近设计预期时，巡逻机器人可以借助LED显示屏，在有可能发生溺水的危险位置及时警示大家，并给予紧急救援，即巡逻功能以保证水域安全为目的。机器人需要拥有高精度传感器、定位系统，可以识别水域范围内的障碍物位置，并给出安全标志，在隐患出现时报警。再者，机器人应能够白天关灯、夜间开灯，开关灯可以智能控制，这将确保机器人在自动启动照明状态下顺利完成巡防任务。然后，教师引导学生观看PPT上各种类型的机器人，说明固定式机器人和积木式机器人的特点，要求学生指出教师所示范的机器人的控制、传感与执行模块与哪些部件是一一对应的，并且思考：若想达到机器人巡逻效果，需要机器人做到什么、如何行动？机器人行动时，它的传感、控制和执行模块是如何工作的？换言之，教师需要向学生说明：当前我们所看到的机器人硬件模块是比较完整的，但是如果需要让这个机器人按照我们的意愿完成巡逻任务，我们还应当如何操作？对，我们要让它拥有“思想”，也就是要为它编写一个可以运行的程序。那么，我们可以使用哪些软件呢？教师让学生填写导学单中课前准备工作的部分，学生将在其中填入预习的知识，如传感器（如红外、超声波）工作原理;Scratch、Python或图形化编程工具基本操作技能。填人材料清单，如硬件中包含电机、轮子、传感器、主控板等机器人套件；软件中包括编程电脑、数据线、配套编程环境以及场地模拟地图等。3.基于导学单搭建硬件结构，完成巡逻机器人设计学生在前一环节已经制订出比较完整的项自方案，此时教师需要进一步给出阶段性任务，并要求学生完成相应的导学单课堂活动设计部分框架。学生将分两步填写，其一是搭建硬件结构，包括依说明书分组做机器人底盘、安装传感器与组装主控板，检查硬件连接，用以确保电机与轮子转动灵活、传感器固定稳固。其二是编程与调试，包括编写程序使机器人沿直线前进并能够做到自动停止。此外还可附设进阶任务，如红外传感器添加，以实现遇到障碍物自动转向等。填写之后，教师可让学生依此进行文本设计方案的细分，形成选择材料、搭建结构、编程调试等具体部分，再让各小组彼此配合，完成分项的巡逻机器人设计。学生需要结合已填写的导学单内容，进一步完善巡逻机器人设计步骤以及功能优化这两项任务。任务中，各小组分别负责各自的工作，如材料小组进行材料重量、密度等的研究，结构小组把建模拆分为组合零件，编程小组则重点基于开源硬件要求做辅助程式编写等。（1）步骤设计第一，在具体设计巡逻机器人过程中，教师要让学生在自主学习状态下掌握传感器知识，并使用恰当的传感器实现对应功能，同时思考什么是程序。教师给出学习任务：完成算法流程图，并按照教师所提供的使用指南做程序传输和测试。在此期间，教师进行学习引导：什么是程序？分散的各个指令与积木算不算程序？学生意识到，只有让一组指令处于集合状态才能算是程序。接下来，学生根据任务完成算法流程图，然后进入为机器人编写“思想\"的过程第二，教师需要让教学活动回到本课最初方案，从现有设备出发，要求学生按照工程师思维进行方案迭代更新，促使其在实践过程中发展信息素养。教师提出关键问题：结合实际，你认为巡逻机器人还可以怎样改进？学生在问题的带动下学习传感器相关功能，找出合理的传感器优化方案，将方案填入优化单并分享。教师进行评析：大家参与设计的巡逻机器人是非常具有创新性的，同时能够应用到实际生活中，我们来看看它们的具体应用场景（展示学生设计成果的可能应用环境，再将巡逻机器人应用案例视频播放给大家看）。当然，巡逻机器人的外形不止这一种，还可以有其他形式，如这款无人机外形，还有这款水下作业外形，等等。（2）内容优化课程进行到这里，学生已经大致了解了巡逻机器人的设计步骤，但是本环节的整体完成度普遍不理想，只有部分小组能够完全实现巡逻机器人的功能，其余小组均要做进一步调试与修改。对于需要调试与修改的小组，教师应使之同时思考迭代更新的策略，在功能优化中逐渐使机器人功能更加完善。此时教师可引导学生进一步添加机器人功能，如使之具有防溺水警示特点。教师提出问题：怎样使巡逻机器人具有警示功能？利用问题分解与小组自主探究形式，使学生再次进行知识构建。为达到理想效果，教师可要求学生DIY，使警示标志个性化，更加发人深省。此时教师可提示：我们已经使巡逻机器人具备了基本功能，接下来请思考：生活中的警示标志都具备哪些特点？教师利用PPT出示现实生活中常见的警示标志，让学生将它们的特点概括出来，再基于警示标志特点设计简单易懂的警示标志。学生设计之后，教师发现大家没有遇到无法解决的困难，普遍可以借助编程让机器人具有显示标志的功能。4.展示巡逻机器人，并做好评价总结工作教学后期，教师需要引导小组成员汇报演示成品，并由小组互相点评、提出建议，接下来再进行完善、优化，并进行终结性评价。为了使该过程顺利进行，教师要做好平台搭建工作。教师帮助学生搭建具有多种功能的、能够全面展示研究成果的平台，可以通过线下实体展示与线上虚拟展示两种不同形式进行，关键点在于支持学生完整且真实地呈现项目成果。关于平台创设与使用方法，当学生完成巡逻机器人设计和制作工作以后，一般教师可选择学校实验室及展示厅等位置搭建利于成果可视化的多功能平台，使学生把机器人成果放在平台区域之内，并附上功能和理念介绍，同时使参观者能够近距离体验。与此同时，教师可以在条件允许的情况下上传开源程式到编程开源网站上面，使网站其他用户可以评价、学习与借鉴，并要求学生在导学单内填写剩余部分，如注意事项等，如轻拿轻放电子元件，避免短路或损坏；调试时远离旋转部件，防止受伤等。具体展示与评价过程如下：（1）教师提出问题：怎样使巡逻机器人做到在河边行走而又不会误人警戒区域？该问题可直截了当地使学生思考如何使巡逻机器人能够按照轨迹完成巡逻任务。（2）教师进一步申明问题：怎样使巡逻机器人在虚拟地形中按照轨迹进行巡逻？学生利用知识建构环节得来的知识，掌握机器人的操作方法，即让RGB灯与光线传感器在遇到不同情况时显示不同数值。这就要求学生新建变量，使变量一直显示出光线传感器的值。（3）教师要求学生对算法进行分析，提出问题：怎样借助流程图对机器人按照特定轨迹进行巡逻的算法加以分析？学生以问题为引导，按照导学单上的提示性文字绘制巡逻机器人理想的巡逻轨迹，同时说明它的算法流程图，再做小组汇报展示，由其他同学做出评价，使问题解决方案得以更清晰地呈现出来。（4）继续完成编程任务，即把算法转化为程序，上传到设备中尝试运行。在此期间，学生思考教师所提出的问题：怎样做好编写程序与上传设备工作？再按照运行过程中所出现的新问题，进一步调整与完善程序。并把调试期间已经解决的问题、还没有解决的问题以及应当留意的问题一一记录下来。（5）在优化迭代与评价阶段，教师要让学生思考还能在什么地方进行巡逻机器人的再次优化，对方案加以个性化的迭代更新。在实际运用中发现，有一些很具有代表性的问题，教师可将其总结起来供学生共同讨论。如巡逻机器人红外传感器在运用时可能有理解上的偏差，当机器人在巡逻时，应利用RGB灯、光线传感器、补光灯等多种模块，保证这些模块共同发挥作用，在发出蓝光后检测蓝光强度、返回数值，为达到理想效果，应输入反射光强度范围参数，直接确定精确数值的做法是不合理的。针对