在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》深入实施的背景下，全球信息科技的飞速发展推动教育教学转型，教育领域正积极探索新型教学模式以培养学生的核心素养以及实践能力、创新能力。开源硬件作为一种新兴的教育工具，凭借其开放性和灵活性，逐渐受到一线教育工作者的青睐，成为连接学科理论与工程实践的重要载体。微项目学习作为项目式学习的轻量化形态，以其“短、小、精、趣”的特点，成为探索课堂教学改革的新方向。笔者系统探究了开源硬件与微项目学习深度融合的教学模式，通过“智能光控路灯”具体案例，展示微项目学习模式下开源硬件资源对核心素养发展的促进作用。
1 开源硬件教育研究现状
近年来，开源硬件在教育领域的应用逐渐兴起，成为创客教育、STEAM教育的重要实践工具之一
［1］。国外以美国、德国为代表的西方国家，在高校和中小学领域中开设创客空间，将开源硬件作为创客教育的实践工具来培养学生的创造能力。国内开源硬件教学相关研究持续增长，研究范畴贯通中小学与高校，研究内容涵盖高校创客课程建设、开源硬件赋能学科课堂、中小学社团特色科创课程三类实践方向。其中以Arduino主板为核心的促进创客教育的开源硬件教学实践和促进STEAM教育的开源硬件教学实践最为广泛，相关研究聚焦于开源硬件在科学、信息科技等学科的融合应用
［2］。
2 微项目学习模式研究
微项目学习是项目式学习（PBL）的轻量化变体。微项目学习具有微小问题切入、操作灵活、用时短、见效快、问题易解决等特点，它紧紧围绕学科核心的知识与技能，基于真实情境问题，以任务为驱动，以小组合作的方式在短短的2~3课时内完成。这种学习模式更适合目前信息科技每周一课时的日常教学，易于操作和运用，能够促进学生在短时间内自主构建知识框架，提高解决问题的能力，有效激发学生的学习动机。
传统集成硬件存在购买设备成本高、操作复杂、涉及学科知识复杂等问题。微项目学习模式通过小规模、短周期的项目设计，使用更灵活的开源硬件，适配中小学课时限制，契合六年级学生“从具体运算向形式运算过渡”的认知特点。在开源硬件教学中引入微项目学习模式，可以充分发挥两者的优势，开源硬件为微项目学习提供了丰富的实践平台，学生可以动手实践搭建硬件系统，编写程序实现功能，从而深入理解开源硬件的工作原理和“过程与控制”的应用场景
［3］。
3 理论基础
3.1 项目式学习（PBL）理论
项目式学习强调学生在实际任务中学习和解决问题。然而，由于学科教学任务繁重，结合嘉定外国语学校实际校情、学情，笔者采用了微项目学习模式。在“智能光控路灯”微项目中，“设计节能智能的校园路灯控制系统”这一真实问题贯穿始终，学生通过自主探究、小组合作完成任务，契合项目化学习理论的核心要求。
3.2 维果茨基的“最近发展区”理论
该理论指出学生的发展存在两个层次：一是现有发展水平，二是潜在发展水平。教学应走在学生现有发展的前面，关注学生的潜在发展水平。在“智能光控路灯”微项目学习中，教师扮演促进者和帮助者的角色，通过引导、激励和帮助学生，提供支架式帮助，让不同层次的学生都能在现有基础上实现提升，符合“最近发展区”理论。
3.3 皮亚杰的建构主义
建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，强调学习者在已有知识基础上，通过与环境互动主动建构新知识。在“智能光控路灯”微项目中，学生并非被动接受知识，而是在教师指导下，通过小组合作和自主学习，从“设想（设计）—反馈（检测）”逐步构建对反馈和控制系统的更深层次理解。
3.4 分层教学与个性化学习
分层教学与个性化学习要求关注不同学生的具体情况，针对不同学生的学习能力和认知水平，设置分层任务，关注学生的个性化、多样化的学习和发展需求。在“智能光控路灯”微项目学习中，微项目通过设置不同难度的分层任务，充分关注学生的个性化学习需求，使每个学生都能在项目中获得成长。
4 实践案例
4.1 项目背景
嘉定外国语学校作为九年一贯制学校，积极响应新课标要求，在三年级信息科技、六年级信息科技和七年级人工智能常态课中开展开源硬件教学尝试，教学班级人数均为44人。在六年级的“过程与控制”模块中，笔者选择“智能光控路灯”微项目学习活动作为研究案例，让学生深入理解反馈在控制系统中的重要性。
4.2 单元设计
六年级学生在经历第一单元、第二单元的内容学习后，初识过程与控制并且了解数据的逻辑运算，在此基础上，学生更容易理解开环控制与闭环控制。反馈与优化的学习能够让学生更好地掌握控制系统的控制逻辑与工作过程，为之后复杂控制系统的学习做好基础铺垫。
在教学内容处理上，首先引入学生比较熟悉的人工控制和自动控制真实案例，然后分析开环控制的过程，由开环控制不能满足的需求引出反馈和闭环控制，引导学生思考，培养他们的创新能力。本单元围绕特定的校园路灯设计为主体，结合“绿色发展”“低碳生活”理念，对《义务教育信息科技教学指南》中的教学资源进行深入的解读和分析，并加以必要的整合和重组，重点围绕人工控制与自动控制、开环控制与闭环控制设计，创设以学生为中心的学生活动，关注学生的生成性评价和最终校园智慧路灯方案的结果性评价，实现“教—学—评”一致性。
在进行“智能光控路灯”微项目学习活动时，可用问题链引导学生主动学习。本单元的大问题：如何创新设计校园智慧路灯照明控制系统？本单元子问题：①你了解灯吗？教室里的灯和校园里的路灯有什么异同（人工控制与自动控制）？②光控路灯是如何工作的呢？它有什么特点（开环控制）？③如何让光控路灯更加节能且智能呢（反馈）？④如何创新设计校园智慧路灯照明控制系统（闭环控制）？
4.3 教学实施
以六年级信息科技“智能光控路灯”微项目学习中的“通过反馈知效果”一课为例，教学过程如
表1所示。在课堂情境导入环节，播放市政路灯高额用电成本相关视频并展示路灯电费实测数据，引导学生聚焦城市绿色发展议题，自主开展照明能耗优化方案的思考与探究。在探究活动阶段采用小组协作模式，教师巡回观察各组实操进程，依据各组探究难点实施差异化辅导。在实践操作时，学生连接开源硬件设备，编写程序，实现功能。最后在拓展提升的任务中，通过播放“创新设计路灯”视频，引导学生关注其他新能源路灯的设计情况。
4.4 学生反馈
通过学生小组访谈，参与实践的学生普遍表示对控制系统的工作机制有了更为深刻的认识，同时在学科核心素养、实践操作能力、团队协作能力以及创新思维方面均得到了显著提升。学生表示，通过参与互动游戏以及亲手搭建智能光控路灯模拟系统，能够更加直观地领悟到反馈机制在生活实际应用中的重要性。此外，学生在项目展示环节中积极展示个人设计作品，详细阐述设计思路与实现路径，充分展现了他们的自信心与表达能力。
5 教师反思
5.1 成功之处
本次“智能光控路灯”微项目设计科学合理，紧密贴合日常生活，有效激发了学生的学习兴趣与探索欲望。在教学过程中，灵活运用了情境教学法、合作学习法以及分层教学法等多种教学策略，显著提升了教学效果。同时，充分整合了开源硬件资源与虚拟仿真平台，为学生提供了丰富的实践工具，虚拟仿真平台的使用加深了学生对主板接口、连接线的理解，在动手实践环节中减少了错误连接，提高了项目成功率。
5.2 不足之处
由于虚拟仿真平台涉及开源硬件项目，内容丰富多样，课堂时间安排相对紧凑，部分学生在实践操作环节略显手忙脚乱。此外，学生之间的学习能力和认知水平存在显著差异，如何更好地满足不同层次学生的需求仍需教师进一步探索。
5.3 改进策略
首先是优化课堂时间管理，教师需要合理安排课堂学生实践活动时间，确保每个环节都有足够的时间进行深入的探究和尝试；其次在课堂中继续实施差异化教学，针对不同层次的学生设置更符合学生需求的任务和挑战，关注每个学生的成长和发展；最后加强硬件资源建设，积极争取更多的开源硬件资源和设备支持，为每一位学生提供更加丰富的实践机会和学习资源；与此同时，教师需推动开源硬件教学走向系统化、结构化，在积累情境化教学案例的基础上完成教学模型提炼与逻辑脉络梳理，凝练出一种完整、可迁移的微项目落地实施路径。
6 结语
通过“智能光控路灯”微项目学习的实践探索，我们深刻认识到开源硬件在提升学生核心素养以及实践能力、创新能力和思维能力方面所发挥的重要作用。在微项目视域下，开源硬件资源的开发设计与实践应用为学生构建了一个全新的学习平台，使他们在实践中掌握六年级“过程与控制”模块的知识与技能，在探究和尝试中培养创新思维与解决问题的能力。展望信息科技学科教学的未来，我们将进一步深化开源硬件在学科教学中的应用研究，积极探索更多具有创新性与实践性的微项目学习活动案例，开展结合开源硬件项目的常态化课堂教学实践，为构建自主可控的信息体系提供有力支撑。
中国教育装备行业协会2024年度教育装备科研课题“新课标视野下开源硬件在中小学的应用研究与实践”(CEFR24011R01)
京公网安备11010202008535号
PDF
(398KB)
