基于开源硬件的项目式教学实践
来源:用户上传
作者:仇大成 商艳
摘要：基于开源硬件的“人工智能初步”单元教学，通过创设交互式趣味学习项目，引导学生在体验、连接、编程、调试开源硬件的过程中，主动探索人工智能技术并适度创新。本文以“智能风扇”项目活动为例，探讨在小学信息技术课堂中开展开源硬件教学、实现智能化应用的途径和方法，以模拟解决生活实际问题，发展学生的计算思维。
关键词：开源硬件；计算思维；智能化应用；项目式教学
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2023）01-0062-03
苏科版小学信息技术“人工智能初步”单元重点围绕开源硬件和传感器的学习应用，搭建创意与现实生活的桥梁，将学生领进“智能创新设计”的世界。笔者根据苏科版小学信息技术“人工智能初步”教材和配套的OSTD开源实验箱（以下简称实验箱）设计了“智能风扇”微项目课（2课时），引导学生了解一种新的交互方式――智能控制，并在体验“定速风扇―变速风扇―多功能风扇”设计与开发的过程中，学会利用计算思维解决生活中的实际问题。
项目背景分析
1.项目名称的由来与指向
根据前测可知，学生能从生活经验中分辨出常规风扇的使用场景、控制运行的方式、影响转速的因素。由于常规风扇在开关控制、使用安全等方面存在改进空间，因此，教师提出“智能风扇”项目，旨在拓展教学内容，培养学生的实践能力和创新意识，以适应学生未来发展的需要。
2.学习内容的选择与设计
在学习内容的选择上，笔者参考了苏科版中小学信息技术教材（五年级《弹奏音乐》、六年级《机器人传感器》和九年级《智能风扇》），通过对教材进行综合和拓展，提出了学习内容――超声波传感器工作原理。
3.学生情况的分析与思考
本课的学习者是六年级学生，他们善于思考，勤于设想，乐于探索，对智能化项目的学习始终保持着探究欲望，逻辑思维能力较中低年级有较大提高。经过一学期对机器人单元的学习，学生已经掌握机器人基本知识，对常见传感器的应用和价值有了具体直观的认识，但是对常见传感器的工作原理理解不深入。在学习本课之前，学生已经能设计简单的个性化智能作品，如智能灯等，但是结合流程图梳理算法的能力还较为薄弱，从具体现实问题中抽象出计算机能解决的问题的能力还有所欠缺。
由于风扇主体结构的设计与制作并非本课所要研究的内容，因此笔者在课前准备了半成品程序、实验器材、可视化工具，便于在有限的课时内，利用开源硬件使项目式教学更可行、有效。
“智能风扇”项目教学设计
1.创设趣味感知活动，体验传感控制
如下图所示，笔者播放《风扇给宠物降温》的视频，引导学生发现“传统风扇不够节能且存在安全隐患”的问题，启发学生尝试应用实验箱解决问题。笔者通过距离控制智能风扇模型的开关，激发学生探究“传感控制方式”的求知欲。项目聚焦真实问题和生活需求，结合现有的软硬件环境，通过xDingAI软件控制实验箱实现智能风扇，具有实际应用价值。
2.解构智能风扇模块，探究传感控制
根据“距离”这一要素，学生不难猜测出是“超声波传感器”在起作用。笔者紧接着提出核心问题：“超声波传感器是如何测量距离的呢？”引导学生将这个问题拆解为两个小问题：“超声波传感器测距的工作原理是什么？”“超声波传感器测距的范围是多少？”
（1）了解超声波传感器的工作原理。在前面的学习中，学生虽已了解超声波传感器的功能，但并不明确了解其工作原理。因此，本活动通过类比动物测量距离的方式，帮助学生理解超声波传感器的工作原理，并通过阅读材料进行数学运算，帮助学生理解超声波传感器的工作机制：根据发出超声波与接收到超声波的时间差t，计算出自己与障碍物之间的距离（s=1-2vt）。
（2）测一测超声波传感器的检测范围。本项目选取常见的9个测试物，分3类进行测试：Ⅰ类带曲面的测试物（铁罐、纸杯、塑料杯）、Ⅱ平直测试物（木板、塑料板、信息书）、Ⅲ类混合测试物（毛巾、铁罐、信息书）。由于需要观察程序参数和测试物距离，因此笔者对小组成员进行分工：汇报员领取实验包，程序员和操作员完成软硬件环境的搭建，程序员协助操作员的实验操作。在小组合作时，可先让学生自己尝试操作，遇到问题再通过讨论解决。通过对比刻度值、记录超声波传感器获取值，学生发现超声波传感器获取值表示的是距离信息。
本课应让学生学会区别比较设计值与获取值，以此发现超声波测距的影响因素，进而选用一种合适的测试物，规范地测量出超声波传感器的检测范围，最后自定义临界值，实现智能风扇脚本的编写。
本活动目标是测量超声波传感器的检测范围，这也是本节课的重点。通过小组分工与合作、表格支架等方式记录实验过程数据，学生在解决问题的过程中既动手又动脑。一方面，亲历传感控制的全过程，在不断试误、调整、优化中规范了操作行为，提高了信息素养；另一方面，进一步理解了生活中存在的控制现象，通过构建智能产品实现从认识硬件到编程控制的全过程。
3.拓展智能风扇需求，运用传感控制
由于定速风扇并不能完全满足降温的需要，结合生活经验，学生自然想要增添软硬件，在原有项目基础上做修改。
（1）设计“温控变速风扇”，理解条件嵌套结构。在构造“定速风扇”的活动中，学生已经掌握传感器的工作原理，学会测量并设置传感器参数。借助规划单改变智能风扇的控制方式，学生将“定速风扇”的实现过程迁移到“温控变速风扇”中去，实现对风扇功能的创新设计。通过实现类似的应用场景，学生掌握了条件嵌套的编程方法，突破学习难点，为进一步实现个性化的智能风扇和其他智能应用打好了基础。
当学生遇到生活中的真实问题或者提出某些创意想法时，教师应引导学生创造性地使用各电子元器件，甚至可以鼓励学生用不同元器件实现相同的功能，以达到培养学生创新意识的目的。学生围绕提出和聚焦的问题改进流程，尝试测试和分析数据，再通过交流获得探究结果和想法，以此形成一种立足整体的科学的解决问题思路。
nlc202301151706
（2）拓展已有程序，实现个性化风扇。学生只有H历超声波传感器测距的过程，反思背后的原理，才能在评价和交流中理解他人的行为，最终提炼出学习经验。在实现温控变速风扇、多功能风扇的过程中，学生会发现，当遇到类似项目时，只需要在原有项目基础上做修改，在知识迁移中升级创意，而不需要从零开始。
（3）综合应用多种传感器，实现其他智能场景。教师通过拔高问题，引导学生思考“怎样综合利用传感器解决更多的生活实际问题”，由浅入深，层层递进，让学生体会程序设计的迭代思维。
教学实践的思考
本课通过xDingAI软件控制实验箱，帮助学生快速掌握项目设计的全过程，并通过人工智能作品的6个环节――情境分析―确定项目―项目实现―测试与优化―拓展与应用―评价与总结，充分激发学生的学习兴趣，增强了学生的动手实践能力，让学生体会到技术在生活中的运用。
1.聚焦关键问题，促进学生理解
本课依据“传统风扇不够节能且存在安全隐患”这一问题展开，引导学生在xDingAI中设置传感器检测环境，实现对风扇的智能控制。其中最值得关注和解决的问题在于理解和运用传感器。虽然超声波传感器有测距功能，但是学生并不清楚距离是如何测量出来的、测量时的注意点有哪些。教师需要引导学生理解前因后果，帮助学生主动建构知识，促进思维的发展。首先，通过问题情境，调动学生已有认知经验，引发认知冲突，通过多种感官加深对问题的理解，这也是思维产生的基础和动力。其次，要引导学生基于问题合理地进行猜想与假设、推理与证实。最后，坚持培养学生的计算思维，引导学生在遇到类似问题情境时能采用科学的方法收集证据，验证自己的猜想，在迭代的过程中进一步发展思维及认识。
2.搭建学习支架，助力思维可见
在有限的教学情境下，为了帮助学生顺利穿越“最近发展区”，本课注重引导学生将思考的过程可视化。依据学生已有认知经验，搭建学习支架，帮助学生进行知识与技能的学习，提升综合应用能力和实践创新能力，以便做出正确的价值判断和行动选择。
3.基于学习视角，落实小组合作
本课采取“软硬配对”的学习模式，即一位学生作为程序员，负责软件操作和程序编写，一位学生作为操作员，负责观察记录和搭建调试硬件。其间小组成员会及时交换角色，以防止角色的固化和低效。配对学习方式有助于学生全面思考，理顺设计思路，并更早地发现问题，减少错误。
参考文献：
[1]刘佳宜，杨琳玲.基于开源硬件的项目式教学――以“智能火情警报装置的开发”教学设计为例[J].中小学信息技术教育，2022（01）：54-56.
[2]卢庆广.核心素养时代下高中信息技术学科课堂教学的实践与探索[J].中国现代教育装备，2019（22）：51-53.
[3]王振强，洪亮.高中开源硬件技术教学实践与思考――以基于Arduino的智能音箱项目教学为例[J].中国信息技术教育，2018（18）：45-47.
[4]钟柏昌，王艳霞.配对学习模式在机器人教育中的有效性[J].现代远程教育研究，2018（03）：66-74.
nlc202301151706
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15444247.htm
