基于开源硬件的小学信息科技项目式教学实施策略

摘要：作者从基于开源硬件的小学创客课程出发，根据维果斯基的“最近发展区”理论，提出在项目实施过程中，采用“小任务，初体验——微项目，夯基础——主题项目，拓展提升——竞赛项目，强创新”四步走的实施策略，以期解决目前在小学实施的基于开源硬件的项目教学中存在的问题，提升项目活动的效率，促使学生深度学习，培养学生的核心素养。

关键词：开源硬件；项目式教学；实施策略；核心素养

目前，小学创客教育课程主要依托开源硬件来解决现实问题，实现创意造物，达成培育学生核心素养的目的。而项目式教学能够激发学生的学习积极性，培养学生的学习能力、团队协作能力和创新能力，使他们更容易达到“潜在发展水平”，实现学生思维的延伸。笔者基于对项目式教学的理解，结合学生的认知水平和年龄特征以及创客教育课程的特点，将项目实践划分为“小任务，初体验——微项目，夯基础——主题项目，拓展提升——竞赛项目，强创新”四个阶段。这四个阶段贯穿整个课程，构成了一个循序渐进、相互联系和支撑的教学策略框架，旨在全面发展学生的核心素养。下面，笔者选取典型案例并结合项目式教学的四个阶段进行具体阐述。

“小任务，初体验”阶段

小学生普遍缺乏项目式学习经验，对开源硬件了解也不多。因此，教师要根据学生实际情况，利用项目式学习，做好开源硬件课程的启蒙。例如，教师带领学生从认识集成度较高、趣味性较强、上手较易的开源硬件入手，完成“点亮一盏LED灯”“我的屏幕亮起来”等小任务。通过明确的任务设定，让学生按照提示完成任务，实现教学目标，并且体验到成功的喜悦。

“微项目，夯基础”阶段

在本阶段，教师可以采用半成品策略，保证课堂聚焦关键问题开展探究。下面，笔者以“无线测距仪”微项目为例进行阐述。

1.情境体验，发掘项目

在选择微项目时，教师要考虑学生的真实情况，让学生通过这些项目学习掌握基础知识和技能，并学会如何解决问题。在开展“无线测距仪”微项目时，笔者先通过视频呈现两个场景：设计师拿着卷尺测量房屋尺寸和设计师用红外测距仪测量房屋尺寸。接着引导学生思考：如果你是设计师，愿意用哪种工具来测量尺寸？经历了真实情境的体验，学生的创作欲望被激发，于是提出“测量如何实现智能化”的问题并且有了制作“无线测距仪”模型的想法和欲望。

2.搜集资料，规划项目

教师为学生设置具体的项目情境和明确的主题，引导他们收集信息并制订计划来完成任务。当学生遇到困惑时，教师可以提供有助于学生更好地理解知识的框架和关键点，帮助他们更有效地思考和探索。在本环节中，笔者提供了微视频和设计了探究任务单，以辅助学生理解“超声波测距”这一关键概念。根据“无线测距”的线索，学生可以轻松推测出“超声波传感器”在起作用。接着，笔者又提出关键问题“超声波传感器是如何测量距离的”，引导学生深入探究超声波传感器的工作原理，并将其拆分为三个独立的问题：“它的基本原理是什么？”“超声波传感器可以测量多远的距离？”“超声波传感器的安装需要注意什么？”学生利用这些问题将复杂问题分解为多个可研究的小问题，降低了问题的难度，促进了高阶思维的养成。

3.协作探究，实施项目

项目实施过程遵循“学生主体，教师主导”的原则。笔者采用优势互补、自愿协商的原则，将学生分为4人一个小组，并根据每个组员的特点进行初步分工。设计师负责作品模型功能与外观设计；程序员负责程序编写，功能实现；营销员负责作品的分享和宣传；组长整体协调项目。其间小组成员需交换角色，以防止角色的固化和合作的低效。在模型搭建环节，笔者鼓励学生在模型搭建前用草图或者图表的方式呈现无线测距仪的基本样式，同时采用流程图来说明无线测距仪的程序运行逻辑。通过使用程序流程图，学生可以合作完成程序的编写和电路的连接。在“无线测距仪”微项目中，当按下按钮A时，数字管会发出由超声波检测得出的信号，若未按，则无法收到任何反馈。因此，笔者引导学生使用条件语句“如果…那么…”来判断按钮是否被触发，如果触发则显示检测数据，反之则无。由于以上检测是重复执行的，使用循环语句使测距仪具有重复检测的功能。看似简单的微项目，却包含了丰富的开源硬件知识和编程思想，学生合作和探究的能力在解决问题的过程中得到历练。

4.分享成果，评价项目

当学生完成项目后，教师可挑选部分小组展示成果并与其他同学交流。课堂上，笔者引导学生以小组为单位进行展示，讲解作品的优点，其他小组在倾听的过程中，从功能、美观、创意和技术等维度进行点评，并提出合理的建议。

“主题项目，拓展提升”

阶段

在本阶段，笔者将重点放在以自主挑战为导向的课程设计中，以实现真正的项目式教学。实施主题项目的过程与微项目有相似之处，但要求更高，其采用开放式教学模式，在教师的指导下，每个小组都要独立完成任务。以“智能垃圾桶”项目为例，项目小组前后共设计了五种不同的方案，借此来思考作品的适合性和迭代，以期获得最佳效果。

方案一：超声波感应垃圾桶。采用Bit主控板控制，结合超声波传感器检测到人体接近的信号，利用舵机精准地打开传统的脚踏式垃圾桶的盖子，以提高垃圾处理效率；当超声波传感器发现周围没有任何障碍物时，操纵舵机将垃圾箱的盖子自动关闭。超声波感应垃圾桶能够不接触就投放垃圾。

方案二：有趣的超声波语音提醒垃圾桶。在第一个方案的基础上进行功能升级，在打开垃圾桶盖的同时播放语音，提示分类投放垃圾，静止2分钟，然后合上垃圾桶盖。

分析以上两个方案的优点和缺点。优点：都实现了自动化。缺点：虽然两个方案都实现了自动化，但是智能程度不高，容易误触发，如行人或宠物路过，也可能被误认为是有人要倒垃圾。

方案三：语音自动垃圾桶。本作品使用了人工智能中的语音识别技术，可以通过人机对话对投放垃圾的人进行语音提示。使用到的硬件有掌控板、语音识别传感器、MP3模块和舵机。当人对着垃圾桶说声“倒垃圾”时就会触发语音识别系统，通过舵机打开垃圾桶盖。这个作品解决了超声波传感器无法区别是人还是物的问题，减少了误判。

方案四：语音识别分类垃圾桶。在方案三的基础上，进行了进一步的功能升级。当人对着垃圾桶说“倒垃圾”时，触发语音识别系统，系统会提示说出垃圾的种类，可以回答“可回收垃圾”“其他垃圾”“易腐垃圾”或“有害垃圾”中的任何一个，系统会根据人的回答提示进行垃圾所属分类。同时，舵机会打开相应的垃圾桶盖。

在展示方案三和方案四后，请学生说出它们的优缺点。

方案五：图像识别分类垃圾桶。在以上方案的基础上，学生又思考能否利用人工智能模块中的图像识别传感器进行拍照识别？人们带着垃圾，安装在垃圾桶上的摄像头自动拍照，经过与数据库中的垃圾图片比对，经过图像识别，自动判断出人带的是什么类别的垃圾，接着通过开源硬件主控板发出指令，驱动相应舵机打开垃圾桶盖，完成分类投放。投放结束，当人离开垃圾桶后，垃圾桶就会自动盖好。

从上述“智能垃圾桶”作品方案分析中可以看出，与微项目相比，同一个主题下的项目可以有很多，选题更为开放，学生根据主题，通过小组合作协商自行选定。教师在规划设计阶段，巡视并解决小组提出的疑惑，确保方案的科学性；在项目实施过程中，教师指导学生分析作品中的问题，并不断改进它们，以实现从模仿到创新的转变，为“竞赛项目”阶段的成功奠定基础。

“竞赛项目，强创新”阶段

在第三阶段的基础之上，“竞赛项目”阶段提出了更高的标准和挑战，要求学生不仅要将累积的知识运用于实践，而且需设计出既创新又能满足实际需求的产品原型。此阶段不在常规课堂内进行，主要通过学生参与学校举办的各类科技创新竞赛实现，这种参与机制不仅加强了学生在开源硬件项目中的实施能力，而且在项目的层次和深度上实现了显著的飞跃，促进了学生在综合应用知识与技能、解决问题以及创新能力等方面的全面提升。

1.以赛促学，搭建激发创新热情的平台

本着“以赛促教、以赛促学”的教学理念，通过观察学生的日常表现和对创客的兴趣，教师会选择部分优秀的学生参加创客兴趣小组。为了满足小学五、六年级学生的需求，学校每周安排两节社团课，社团人数控制在24人以内，每组4人，每2人一套设备，采用项目式教学。教师平时注意收集第三阶段产生的优秀成果，鼓励组员在原基础上改进或者迭代，碰到技术瓶颈，也可以重新选题，设计出更合适的作品参赛。

2.迭代更新，促进成果创新螺旋式上升

这一阶段的作品关注的是能够解决实际问题的产品原型，在此过程中突出产品的迭代与升级。以“智能垃圾桶”项目为例，可以从多方面进行思考和改进：第一，作品的封装需要美化。垃圾桶的箱体可以用激光切割机加工椴木，利用榫卯结构组装，也可以通过3D设计，打印出一体成型的3D模型。第二，作品功能还需要改进。各种垃圾需要人工智能模块事前进行机器学习，当出现实物时，与数据库比对识别，进行分类。当前，将所有的垃圾都收集起来进行机器学习还有一定的难度，那是否有更佳的途径呢？

结语

基于“小任务，初体验—微项目，夯基础—主题项目，拓展提升—竞赛项目，强创新”四步走的实施策略，遵循“最近发展区理论”，能够在一定程度上解决目前小学阶段基于开源硬件的项目式教学难度大的问题。通过课堂和后续社团分步骤落地的项目式学习，既是培养学生问题解决能力的尝试，也是对现有项目式教学模式的有力补充。

参考文献：

李维明.解剖麻雀，体验流程——开源硬件项目流程的教学策略[J].中国信息技术教育，2023（02）：14-17.