《中国教育现代化2035》明确提出要加快信息化时代的教育变革，推动信息技术与教育教学的深度融合
［1］；《中小学综合实践活动课程指导纲要》强调引导学生运用多学科知识来解决实际问题，促进学科知识在实践中的延伸、综合与提升
［2］；《义务教育课程方案（2022年版）》强化课程的综合性和实践性特征
［3］。在“双新”教育改革背景下，上海市教育委员会教育技术装备中心发起了开源硬件课程开发项目，旨在为学校和教师探索课程创新提供重要支撑与实践平台。2024年始，学校积极响应政策号召，依托开源硬件课程建设项目，通过两轮教学实践与优化，构建了“基于开源硬件的双师型跨学科主题课程——土壤检测器的制作与应用”。同时，为实现跨学科知识的深度融合与有效传递，课程创新性地采用了跨学科融合型双师协同
［4］教学模式，由学校信息科技教师与生物学教师组成专业化的教学搭档共同授课，培养学生的数字化探究能力、跨学科问题解决能力、科学态度与创新精神。
本案例在开源硬件赋能真实问题解决、双师型教学模式构建及跨学科知识整合等方面进行了系统性探索，形成了“技术赋能实践、数据支撑探究、跨学科重构认知”的可推广实践范式，可为新时代创新人才培养提供有益借鉴。
1 课程介绍
1.1 课程背景
在学校“唤醒每个孩子的内在成长力”教育方针指引下，我校原有的“小菜园”劳动课程作为实践育人重要载体，已形成基础的种植观察体系。但传统的劳动实践课程存在三大局限：其一，课程形态停留于“劳动体验”层面，缺乏对土壤—植物生态关系的科学认知；其二，数据采集依赖人工观察，难以实现动态监测与量化分析；其三，学科融合停留在表层联动，未形成系统性知识建构。
为突破发展瓶颈，学校依托项目专项支持，将生物科学、信息技术与劳动教育进行深度整合：在课程内涵上，构建“感知—探究—创造”三级进阶模型，实现从自然现象观察（劳动实践）到数据驱动分析（科学探究）的认知跨越；在技术路径上，引入Arduino开源硬件与传感器技术，将传统种植活动转化为数字化科学实验；在教学模式上，创新“双师”机制，形成跨学科教研共同体。
1.2 课程目标
为凸显“土壤检测器的制作与应用”中信息科技与生物学科的跨学科融合，课程目标紧密围绕两大学科核心素养展开，同时借助三元结构能力模型
［5］强化思维培养（
图1）。课程目标的实现依托信息科技与生物学教师的双师协作。信息科技教师主导硬件原理、编程逻辑等教学，生物学教师侧重土壤科学、植物生理等知识解读，使学生在实践中构建完整认知体系。
1.3 课程安排
本课程设计了12课时（
表1），应用开源Arduino技术和相应的国产传感器配件完成项目。课程包含项目入项、项目实践、项目成果应用与展示三部分。
项目入项部分确立项目情境，激发学生学习兴趣，该阶段由信息技术教师和生物学教师共同授课。项目实践部分主要教授开源硬件的基础知识和工具应用技能。学生以小组形式展开合作，学习以信息科技知识为主的基本硬件原理、系统层次结构、基本算法流程、编程知识和实践等，是课程中最主要的部分。在项目应用与展示阶段，学生应用自己制作的土壤检测器在真实的小菜园环境中探究土壤中相关因素和农作物生长的关系，并尝试进行土壤环境的改善和优化，该阶段以生物学学科知识作为主体。
课程项目在双师授课下开展，根据实际课程安排教师进行主授和助教角色轮换。教案的设计也根据双师授课模式进行了拓展，除了包含常规的教学环节和师生活动等部分外，教案中还特别标注出主导教师的角色。
1.4 课程特色
对比传统课程，本课程作为综合实践课程
［6］，在学科融合、教学模式、实践场景等方面具有显著特色（
图2）。
2 课程实践描述与分析
2.1 实践描述
（1） 课堂片段一。
该课堂片段来自“第2课时：初识开源硬件”中的“自主接线”环节，该环节中学生任务为“小组合作，根据传感器标识将传感器和主控板连接，并在学习单上记录接线引脚”，主导教师为信息科技教师。
信息科技教师：现在请大家拿出你们组选择的土壤因素传感器，自己定义管脚进行连接并在学习单中做好对应的记录，以便我们后续编程。三分钟时间，组内每个成员都需要对接线进行检查，确认无误后坐端正，有问题请举手，我和生物学老师会来帮助大家。
各组进行传感器的接线操作，教师巡视。
组1成员：我们小组内部对传感器应该接在数字端口还是模拟端口有不同的看法，且对线路连接也不太有信心，希望老师支持。
信息科技教师：你们选择的是pH传感器，根据标识和传感器介绍，应该接在模拟端口。（同时引导该组同学连接线路、帮忙检查、进行补充讲解）
组2成员：我们小组已完成接线，内部也已经检查完毕并做好记录，希望老师检查并奖励课堂积分。
生物学教师：经过检查，你们小组成功完成接线，学习单上所做记录也一致且正确，奖励课堂积分。
（2） 课堂片段二。
该课堂片段来自“第4课时：构建检测系统”中的“功能设计”环节，在该环节中，学生任务为“讨论土壤检测器的设计思路和方案，用语言描述土壤检测器功能的实现过程”，主导教师为信息科技教师。
信息科技教师：从检测、数据处理到结果呈现，我们希望土壤检测器能实现哪些具体功能呢？请大家设计你们的土壤检测器功能并描述功能的实现过程。
生1：初步设计通过土壤检测器检测土壤的酸碱度并通过显示器将具体数值显示出来。pH传感器是输入，数据经过主控板获取处理后放入变量，由显示器进行变量的输出显示，只要循环这个步骤，就可实现读数的更新。
信息科技教师：很好，你已经基本描述出了功能的实现过程，也选择了正确的输入输出模块，期待你们组的编程实现。
生2：老师，我注意到pH传感器好像只能对液体进行检测，而土壤不是液体，就算把程序编出来了，真的可以实现检测土壤酸碱度的功能吗？
生物学教师：这个同学的问题非常好！其实很多科学研究也有类似问题，这时需要我们对被检测物的形态进行转换，同时明确形态转换前后被检成分的数据对应关系。通常，在只有液体pH传感器的条件下，我们才可以使用“土壤浸出液”。（继续介绍土壤浸出液的科学性和检测方法）
（3） 课堂片段三。
该课堂片段来自“第10课时：应用与实地检测”中的学生“实地检测与数据收集”环节，在该环节中，学生任务为“使用自制的土壤检测器收集数据，并记录在数据记录表中，组内自查，确保数据收集的准确性和完整性”，主导教师为生物学教师。
生物学教师：现在大家找到本组的小菜园区域，利用你们的土壤检测器收集数据，要注意收集数据时，湿度传感器不宜太靠近浇水口，无机盐、pH、温度传感器等的采集点应该在区域内均匀分布。（指导学生科学检测，帮助学生记录、观察数据）
同时，信息科技教师观察各组的活动参与情况，解决设备的突发问题。
2.2 实践分析
（1） 充分发挥开源硬件在信息科技学科教育中的实践、操作与创新优势。
在片段一中，学生能够在动手实践中深化对技术原理的理解；在片段二中，学生自主设计开源硬件设备功能；在片段三中，学生实地应用开源硬件设备。在教学中，开源硬件始终作为信息科技教育的实践工具，通过模块化操作、开放性接口和图形化编程等方式降低了技术入门门槛，为学生的创新想法提供了可能，帮助学生真正将信息科技知识转化为解决实际问题的能力。因此，在课程中，要精心规划合理的学习路径和实践任务，逐步引导学生从能够使用到熟练使用再到主动使用开源硬件，充分发挥开源硬件在信息科技学科教育中的实践、操作与创新优势，最终实现“做中学、用中学、创中学”。
（2） 充分体现跨学科学习中开源硬件的技术载体、知识桥梁和实践平台功能。
信息科技学科具有科学本质，是科学的重要组成部分，应做到“科”“技”并重，同时课程内容设置体现“综合化”，注重“体验化”
［7］。在跨学科学习中，开源硬件发挥着技术载体（片段一）、知识桥梁（片段二）和实践平台（片段三）的功能。它能够将抽象的理论概念转化为具体可操作的技术方案和真实可解的实际问题。通过这种方式，跨学科学习不再停留在多学科理论的整合上，而是升级为一个“问题驱动到方案设计再到实践验证”的实操闭环。这个闭环不仅能够让学生在实践中检验理论的正确性，还能够激发他们的创新思维和解决问题的能力，同时，通过“解决真实问题、产生实际影响”增强学习的现实意义。这启示我们，在设计开源硬件课程时，最好将其置于真实情境之下，并最大化挖掘开源硬件在该情境中的价值，充分体现跨学科学习中开源硬件的技术载体、知识桥梁和实践平台功能，促使学生构建“知识、技能、素养”的综合体系，从而满足创新人才的培养需要。
（3） 充分释放双师协同在开源硬件教学实践中的互补与增效潜力。
在跨学科的开源硬件教育情境下，信息科技教师往往缺乏其他学科的专业教学能力，对一些现象和理论不能做出专业深刻的解读，而其他科任教师在信息科技相关能力方面又稍显薄弱，不能指导学生完成开源硬件等工具的操作，因此双师型课堂有其探索实践价值。在初步实践中，确实发现双师型课堂可以通过有效的教师协同同时响应多种需求、提高课堂效率（片段一）；通过教师的专业互补实现更全面科学的课堂教学、更好应对课堂中出现的各种情况（片段二）；通过两位教师对学生细致周到的关注，让每一位学生更有参与感、更专注于课堂（片段三）。在双师型课堂中，学生可从两位不同专业背景的教师那里获取更全面、更深入的知识讲解和实践指导，这对提升学生的综合素养和创新能力具有重要意义。
3 教学成效与课程价值
3.1 教学成效
回顾“土壤检测器设计与应用”双师协同跨学科主题课程实施全过程，本课程打破传统分科教学壁垒，规避 “信息科技课堂仅讲授编程、生物学课堂偏重理论讲授”的割裂化教学模式。课程以真实工程探究项目为载体，有机融合多维度育人内容：涵盖信息科技领域的开源硬件搭建、程序开发技能，生物学科土壤理化性质、植物生长规律相关理论，以及劳动教育强调的实操动手素养培育。学生在完成真实问题解决的过程中感知不同学科知识的内在关联与应用价值，课程落地实践后亦取得良好的育人成效。
（1） 在学习体验层面，绝大部分学生对课程主题、内容和形式设计表示满意。在课堂专注度和参与度方面，所有同学都认为自己做到了专注课堂并在小组活动中起到了正面作用。个别学生提出，希望实践内容能够更加丰富、实践时间可以有所延长。
（2） 在课程目标层面，学生的跨学科思维与实践能力得到同步提升。学生不仅能合作完成土壤检测器的制作，还能够结合实际情况对异常数据进行反思与误差排除，并运用学科知识提出针对性的土壤改良方案或种植建议。学生经历“质疑数据→设计验证→排除干扰→建立标准→持续优化”的思维进阶后，基本达到了发展科学思维与探究能力的课程目标。
（3） 在教学协同层面，双师互补模式实现了教学效能提升。在课堂中，教师对学生的个性化需求响应速度显著加快，针对学生提出的差异化疑问和学科交叉性问题能即时联动解答，保障了不同层次学生的学习效果，让学生在掌握开源硬件的同时掌握学科知识。
（4） 在学生发展层面，基于开源硬件的跨学科课程为学生后续学习发展打下基础。近半数学生主动报名各级各类科创比赛，并自主运用开源硬件工具开展拓展探究，体现出“做中学、用中学、创中学”的持续学习能力。部分学生也在后续科学课中主动提出“用数据验证假设”，表示课程有效促进了学生的长效迁移。
3.2 课程价值
本课程硬件平台以Arduino UNO R3为主控，搭载DHT11温湿度传感器、环境光传感器、模拟pH计、土壤电导率传感器，并配备按键、IIC 1602显示屏、红外遥控、IoT通信、舵机等常用功能模块。课程整体框架易于迁移复用，可推广至利用自制设备解决真实问题的多元场景。“小菜园”实践载体能够拓展为校园花坛、屋顶绿化、阳台盆栽，探究主题还可拓展至水质、空气监测等生活化议题，传感器可按需更换。从教学实操角度出发，外设宜优先选择兼容图形化编程拓展组件的型号。教学围绕模块接线与编程通用原理展开讲授，并配套学习资源予以引导，帮助学生逐步实现自主学习硬件接线与数据读取，为后续的深度科学探究做好铺垫。
此外，在课程实践中，深刻感受到双师不是“你方唱罢我登场”，而是“学科结合、教师协作”。要驾驭双师型课堂，在备课阶段，双方教师必须互相学习、共同成长，走出自己的舒适区；课堂上两人“捆绑”上课，在课堂管理、时间把控、突发事件处理等方面互相配合，降低个体压力；课后联合反思，形成微教研闭环。在两学期的课程实践中，学校初步形成了开源硬件跨学科主题课程的双师协同体系（
图3），归纳出“开源硬件+学科”中可模仿复用的双师协作范式，帮助教师在短时间内适应跨学科双师课堂的节奏与要求，缩短成长周期，发展跨界思维，提升创新教学经验。
4 结语
带有“跨学科”“双师”标签的课程能够成为开源硬件教育和创新人才培养的有效路径，从本案例的课程实践出发，可从以下方面深化探索，推动课程持续优化。
（1） 优化课程资源，聚焦核心目标、提升学习效率。
在硬件资源方面，结合不同主控板的操作特点，选择更贴合学生认知水平的开源硬件工具，减少基础操作障碍，提升整体学习效率。在学习资源方面，充分预设可能的探究难点，针对性地整合与设计学习阅读材料，以确保学生在探究过程中能快速获取所需信息，始终聚焦项目核心问题的解决。
（2） 深化双师协同，促进学科融合，增强教学实效。
在双师课堂两位教师分工明确、配合紧密的基础上，进一步深化课前、课后协作教研。通过课前联合备课，保障课程整体设计的学科内容衔接自然、逻辑连贯；通过课后集中研讨反思，共同提炼教学经验、优化教学方案。
（3） 丰富实践场景，拓展应用维度、培育综合素养。
依托课程已有的项目基础，进一步拓展实践场景的广度与深度。将课堂上完成的土壤检测器等作品与校园环境建设等实际场景相结合，组织开展常态化监测与应用活动，推动学生在持续实践中深化认知、锤炼创新思维与动手能力，在解决实际问题的同时培育综合素养。
学校将在教学实践中不断探索和改进，以期进一步完善课程，为开源硬件教育和创新人才培养贡献力量。
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
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