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      開源硬件支持下的中學(xué)信息技術(shù)拓展課的實踐研究
      ——以《基于Arduino 和雨滴傳感器的智能窗戶》為例

      2021-12-02 07:42:15江蘇省太倉市沙溪鎮(zhèn)岳王學(xué)校梅禮龍
      青年心理 2021年3期
      關(guān)鍵詞:舵機雨滴開源

      江蘇省太倉市沙溪鎮(zhèn)岳王學(xué)校 梅禮龍

      一、引言

      隨著新一輪的課改不斷深入,新課程所倡導(dǎo)的“自主、合作、探究”的理念已經(jīng)深入人心。最新的課程指導(dǎo)綱要也對義務(wù)教育階段的信息技術(shù)課程目標(biāo)做出了明確的要求,要為培養(yǎng)創(chuàng)造性人才打基礎(chǔ)。隨著創(chuàng)客空間的普及和發(fā)展,這一股“春風(fēng)“也吹進了信息技術(shù)教育教學(xué)中,由于信息技術(shù)學(xué)科本身的技術(shù)屬性,在中學(xué)信息技術(shù)課程中開展創(chuàng)客教育有得天獨厚的優(yōu)勢。

      二、當(dāng)前中學(xué)信息技術(shù)教育的現(xiàn)狀分析

      (一)信息技術(shù)的課程性質(zhì)強調(diào)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)

      信息技術(shù)課程是一門綜合性比較強的課程,涉及通信技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)等,與科技、邏輯、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科都有聯(lián)系。故在信息技術(shù)課程內(nèi)容的設(shè)置上,特別是中學(xué)階段,學(xué)生有了一些數(shù)學(xué)知識和電子知識的基礎(chǔ),我們應(yīng)該有意識地在信息技術(shù)課程上將這些跨學(xué)科的知識點融合起來,讓學(xué)生學(xué)以致用,形成良性循環(huán),最終實現(xiàn)素質(zhì)教育。

      (二)當(dāng)前中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中的拓展部分開展較難

      《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要(2017 年修訂)》對中學(xué)信息技術(shù)課程內(nèi)容的拓展部分進行了明確的說明,主要分為程序設(shè)計、機器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這三大部分。這三大部分,不管是哪一部分,真正實施起來都比較難,在硬件設(shè)置、人員培訓(xùn)、技術(shù)支持等方面,可以說是少之又少。

      所以,在現(xiàn)有條件下,構(gòu)建一種學(xué)校投入小、教師易開展、學(xué)生感興趣的課程開展模式,就顯得尤為重要。

      三、在中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中開展創(chuàng)客教育的必要性

      創(chuàng)客教育是依托創(chuàng)客空間,有目的、有系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神(激發(fā)創(chuàng)意)、創(chuàng)造能力(學(xué)會創(chuàng)作)和共享意識(主動分享)的過程。創(chuàng)客教育是近幾年來比較流行的教育理念,非常注重學(xué)科融合和實踐創(chuàng)新,是當(dāng)前教育改革的大勢所趨。

      (一)信息技術(shù)課程性質(zhì)與創(chuàng)客教育的理念關(guān)系緊密

      創(chuàng)客教育集從做中學(xué)、創(chuàng)新教育、體驗教育、基于項目的學(xué)習(xí)等理念和思想為一體。在國內(nèi)中學(xué)現(xiàn)有的課程體系下,信息技術(shù)課程應(yīng)該是最適合用來開展創(chuàng)客教育了。

      網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)還有物聯(lián)網(wǎng)、云計算等等都是中學(xué)信息技術(shù)課程中所要了解的內(nèi)容,以信息技術(shù)課程為基礎(chǔ),進行創(chuàng)客教育事半功倍。反過來,創(chuàng)客教育也能影響信息技術(shù)課程的教學(xué)。創(chuàng)新實踐的需求會強化學(xué)生對信息技術(shù)課程內(nèi)容的了解。

      (二)中學(xué)信息技術(shù)課程發(fā)展需要緊跟潮流

      時代在發(fā)展,技術(shù)在發(fā)展,信息技術(shù)作為一門與社會技術(shù)發(fā)展緊密聯(lián)系的課程,很多理念和課程內(nèi)容必須要緊跟時代潮流,不能局限于課本上的一些知識點,需要對課程內(nèi)容進行拓展和延伸,讓學(xué)生了解各種學(xué)科前沿知識和學(xué)習(xí)理念。只有這樣,我們的學(xué)生才能適應(yīng)新時代的變化,掌握在21 世紀(jì)生活的基本技能,成為新世紀(jì)的掌舵人。

      四、Arduino 和Mixly 的介紹及實踐意義

      (一)什么是Arduino?

      Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件(各種型號的Arduino 板)和軟件(Arduino IDE),非常適合中學(xué)階段的孩子使用。

      Mixly 是一款由北京師范大學(xué)傅騫教授團隊開發(fā)的面向Arduino 開發(fā)的圖形化編程工具,有著方便、易于學(xué)習(xí)的特點;Arduino 的硬件價格便宜,擴展性好,使用面廣。一個是開源編程軟件,一個是開源硬件平臺,將兩者結(jié)合起來,既能動腦編程,又能動手連接互動媒體,可以實現(xiàn)很多有趣的想法。

      (二)實踐意義

      易于開展當(dāng)前創(chuàng)客教育的內(nèi)容五花八門,像3D 打印、航空模型、機器人、虛擬現(xiàn)實等,大部分都對學(xué)校的資金投入的依賴性很大。但是采用Arduino+Mixly 來實施,就容易得多,特別是一些偏遠鄉(xiāng)村學(xué)校,只需要在原來網(wǎng)絡(luò)教室的基礎(chǔ)上,添加幾件價格低廉的Arduino 入門套件,就可以開展,而且學(xué)生不需要多少的編程知識和電子技術(shù)知識就能做出很多有意思的作品。

      五、實施方法與過程

      (一)創(chuàng)設(shè)問題情境,引導(dǎo)學(xué)生參與課堂

      借助PBL 教學(xué)法、創(chuàng)客教學(xué)理念,以項目式的學(xué)習(xí)來開展課堂教學(xué)。首先創(chuàng)設(shè)一個情景,然后再設(shè)計幾個具體的問題,讓學(xué)生來思考問題的解決方法,能很好地激發(fā)學(xué)生參與課堂的熱情。這里的情境創(chuàng)設(shè)非常關(guān)鍵,一定要基于學(xué)生真實的生活經(jīng)驗,讓學(xué)生有代入感,這樣學(xué)生就會主動去思考。以《基于Arduino 和雨滴傳感器的智能窗戶》一課為例。

      創(chuàng)設(shè)情境:最近小明家在裝修。裝修好了后,爸爸媽媽經(jīng)常需要去新家開窗通風(fēng),若遇到下雨天非常不方便,因為現(xiàn)在住的地方離新家隔得比較遠。能不能設(shè)計一個智能窗戶,自動檢測是否下雨,下雨就關(guān)窗,不下雨就開窗。

      (二)講解知識點,了解其中的科學(xué)原理

      一切的科技創(chuàng)作,都不是憑空想象出來的,都是基于一些理論知識進行的再創(chuàng)造。

      所以在課程開展之前,有必要先給學(xué)生講授一些必要的基本知識,比如什么是傳感器?然后,采用任務(wù)驅(qū)動、項目引導(dǎo)、小組合作等開展課堂,讓學(xué)生帶著問題去思考,將創(chuàng)意變成現(xiàn)實,體會成功的喜悅。比如,先給學(xué)生展示一些很好的創(chuàng)意,然后和學(xué)生一起分析這個作品是怎樣實現(xiàn)的,最后問“你有什么好的想法可以改進它”?創(chuàng)作絕對不是簡單的模仿。這些活動,都需要教師提前設(shè)計好。

      它的科學(xué)原理:智能窗戶就是物聯(lián)網(wǎng)原理的簡單應(yīng)用,主要用到開源硬件Arduino 控制板、雨滴傳感器、舵機。利用開源硬件Arduino 作為控制器,編寫程序、利用舵機來控制窗戶的開關(guān),雨滴傳感器來感應(yīng)是否下雨。

      (三)小組合作、將創(chuàng)意變成現(xiàn)實

      下雨檢測:雨滴傳感器放在戶外,當(dāng)雨滴落下并碰到雨滴傳感器后(下雨),雨滴傳感器的數(shù)字端口傳回一個低電平信號0 到Arduino 控制板中,此時舵機旋轉(zhuǎn)90 度(逆時針)。實現(xiàn)關(guān)窗。雨停了,雨滴傳感器上雨流掉后(天晴),雨滴傳感器的數(shù)字端口傳回一個高電平信號1 到Arduino控制板中。此時逆時針舵機旋轉(zhuǎn)-90度(順時針),實現(xiàn)開窗。雨滴感應(yīng)器接Arduino 控制板數(shù)字管腳3,舵機接數(shù)字管腳2。

      遙控器控制:Arduino 控制板上連上紅外遙控接收端,可通過遙控器發(fā)射設(shè)置好的信號控制舵機的旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)窗戶的開關(guān)。遙控器上每一個鍵對應(yīng)一個值,如:16754775,對應(yīng)“啟動鍵”,按下關(guān)窗,16753245對應(yīng)“關(guān)閉鍵”,按下開窗。

      手機控制:手機通過藍牙和Arduino相連接,然后在手機上安裝藍牙串口app,通過藍牙串口app 發(fā)送信號,控制舵機的旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)窗戶的開關(guān)。當(dāng)手機發(fā)送字符“a”,通過Arduino 板向舵機發(fā)送指令,實現(xiàn)關(guān)窗,發(fā)送字符“b”,實現(xiàn)開窗。

      (四)成功作品分享

      最后,每個小組派代表,分別上臺進行成果展示,從科學(xué)原理、所用器材、搭建過程、遇到的問題等環(huán)節(jié)分享自己的學(xué)習(xí)成果,并回答其他小組提出的問題。最后,各小組對自己的作品進行一個反思和改進。

      六、總結(jié)與思考

      在中學(xué)信息技術(shù)課程中引入開源硬件,極大地豐富了課程內(nèi)容,用生動有趣的實例來引導(dǎo)學(xué)生參與課堂,體驗科技改變生活,從源頭上改變“學(xué)生喜歡電腦,但不喜歡信息技術(shù)課”的局面。但在實際開展中,還是受到諸多因素的影響,如中學(xué)信息技術(shù)課時有限、資金投入少、器材短缺、評價機制不完善、教師水平有限等,我們可以開發(fā)校本課程,在校興趣活動課中加以補充,帶領(lǐng)學(xué)生參加科技發(fā)明類的比賽,讓學(xué)生充分體驗創(chuàng)造的樂趣,提升自身的科學(xué)素養(yǎng),成為人工智能時代的弄潮兒。

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