【摘要】實(shí)驗(yàn)教學(xué)是強(qiáng)化學(xué)科實(shí)踐育人目標(biāo)的重要途徑，也是培育拔尖創(chuàng)新人才的重要手段。實(shí)踐證明，基于開源硬件的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，還可以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和科學(xué)精神的培養(yǎng)，為學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供了重要支撐?！娟P(guān)鍵詞】開源硬件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高中信息技術(shù)高中信息技術(shù)課程具有理論性和實(shí)踐性并重的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為信息技術(shù)課程不可或缺的教學(xué)活動(dòng)，是促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和全面發(fā)展的一種有效方式。為了使學(xué)生在信息化時(shí)代更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要從培養(yǎng)學(xué)生基本的認(rèn)知能力和操作能力，轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和綜合能力，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)提升。開源硬件的開源與開放、分享與協(xié)作、模塊與復(fù)用等典型特征，為創(chuàng)客教育、STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的載體和媒介[1]。而Arduino作為創(chuàng)客教育開發(fā)平臺(tái)，可以與傳感器和電子元件連接，結(jié)合主題項(xiàng)目可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生親身經(jīng)歷知識(shí)的發(fā)現(xiàn)、形成和發(fā)展的過(guò)程，積極思考，全身心投入具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在解決問(wèn)題的過(guò)程中掌握信息技術(shù)學(xué)科方法和思想，真正成為學(xué)習(xí)的主人。開源硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例本文以“校園拐角防撞系統(tǒng)的組建”為例，詳細(xì)介紹基于開源硬件的高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。一是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程。教師依據(jù)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生從需求分析、硬件組建，到程序?qū)崿F(xiàn)、效果測(cè)試，層層深入，自主探究搭建校園拐角防撞系統(tǒng)。課堂教學(xué)不應(yīng)僅僅關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作，而應(yīng)將科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用融合，即通過(guò)情境再現(xiàn)與理論探究、硬件選擇與實(shí)驗(yàn)操作、問(wèn)題分析與算法設(shè)計(jì)、問(wèn)題探究與深度討論、實(shí)驗(yàn)報(bào)告與梳理總結(jié)、延伸實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)等過(guò)程，將科學(xué)原理融合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。教師作為指導(dǎo)者，啟發(fā)學(xué)生分析問(wèn)題和設(shè)計(jì)創(chuàng)意方案，引導(dǎo)學(xué)生以小組團(tuán)隊(duì)的形式積極參與到項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)全面發(fā)展。二是實(shí)驗(yàn)實(shí)施。教師聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目情境——校園拐角防撞，與學(xué)生日常生活安全密切相關(guān)，圍繞問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、硬件連接、代碼編寫、項(xiàng)目調(diào)試、成果匯報(bào)等活動(dòng)展開，最終讓學(xué)生利用相關(guān)開源硬件和Python編程組建一個(gè)校園拐角防撞系統(tǒng)。學(xué)生通過(guò)教師引導(dǎo)，分組開展自主探究和動(dòng)手實(shí)踐，切實(shí)體驗(yàn)小型信息系統(tǒng)的組建過(guò)程，增強(qiáng)課堂參與感和實(shí)踐能力。三是實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。本項(xiàng)目中，學(xué)生要達(dá)成的目標(biāo)要求如下：（1）認(rèn)識(shí)超聲波傳感器的基本原理，能使用pingpong庫(kù)完成超聲波距離監(jiān)測(cè)；（2）掌握Python中雙分支語(yǔ)句和多分支語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)和基本使用方法；（3）學(xué)會(huì)利用函數(shù)完成不同情境下拐角防撞預(yù)警提醒；（4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)Arduino開源硬件的學(xué)習(xí)興趣和問(wèn)題解決能力；（5）通過(guò)小組合作探究，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新精神，學(xué)會(huì)利用信息技術(shù)解決問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。四是實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)和難點(diǎn)。本項(xiàng)目的重點(diǎn)是認(rèn)識(shí)超聲波傳感器的基本原理，能使用Arduinouno主控板和超聲波模塊完成拐角距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；難點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用Python自定義函數(shù)，完成不同情境下拐角防撞預(yù)警提醒。五是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。學(xué)生以3人為一組，小組長(zhǎng)根據(jù)小組編號(hào)，領(lǐng)取小組實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)報(bào)告單；檢查Arduino主控板、擴(kuò)展板、蜂鳴器、LED、USB數(shù)據(jù)線等實(shí)驗(yàn)器材；連接Arduino主控板、蜂鳴器，并進(jìn)行蜂鳴器控制程序測(cè)試。基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程建構(gòu)主義理論倡導(dǎo)學(xué)生的主體地位，在知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程中，教師要成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和幫助者，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)完成對(duì)知識(shí)的內(nèi)化與遷移。接下來(lái)，筆者以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的形式，介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)開發(fā)及具體實(shí)施的流程（圖1）。在項(xiàng)目導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師設(shè)問(wèn)，“學(xué)校是人員密集型場(chǎng)所，校園內(nèi)人身安全非常重要。由于視線遮擋，拐角處不同方向走路的人容易碰撞，有時(shí)甚至撞傷。針對(duì)校園拐角碰撞現(xiàn)象，我們可以通過(guò)什么技術(shù)措施避免？”由此引發(fā)學(xué)生思考。教師以校園生活真實(shí)問(wèn)題為學(xué)生創(chuàng)設(shè)信息情境，提供發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、自主解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生借助數(shù)字化資源自主探究，科學(xué)規(guī)劃和管理學(xué)習(xí)路徑，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)將問(wèn)題求解與信息技術(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，運(yùn)用開源硬件解決實(shí)際問(wèn)題。在項(xiàng)目分析環(huán)節(jié)，教師啟發(fā)學(xué)生結(jié)合開源硬件，完成校園拐角防撞預(yù)警系統(tǒng)的基本方案。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、挖掘現(xiàn)實(shí)世界中的信息事件，鼓勵(lì)學(xué)生面對(duì)信息困境，啟發(fā)學(xué)生思考如何更好地通過(guò)開源硬件技術(shù)保護(hù)校園師生安全，通過(guò)分析、討論和交流，設(shè)計(jì)可能的問(wèn)題解決方案，培育以學(xué)生為中心的教與學(xué)關(guān)系。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生分組合作探究超聲波測(cè)距，使用Python完成超聲波測(cè)距監(jiān)測(cè)。教師以“做中學(xué)”的思想，整合合作學(xué)習(xí)的方式，提升學(xué)生的邏輯思維能力，提煉開源硬件和計(jì)算思維的具體過(guò)程與表現(xiàn)，將其作為學(xué)生項(xiàng)目學(xué)習(xí)的內(nèi)在線索，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主探究和小組合作的形式，親歷開源硬件使用和計(jì)算思維發(fā)展的全過(guò)程。在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生分組合作探究，實(shí)現(xiàn)拐角防撞預(yù)警系統(tǒng)組建。學(xué)生在運(yùn)用開源硬件完成項(xiàng)目的實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，利用信息技術(shù)創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，激發(fā)了內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提升了信息素養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要在傳感器的選擇、電路連接以及代碼的編寫方面進(jìn)行合作探究，搞清楚開源硬件與程序之間的邏輯關(guān)系。在完成項(xiàng)目過(guò)程中，學(xué)生對(duì)信息問(wèn)題的辨析、問(wèn)題求解的邏輯思維等多種能力得以螺旋式提升，促進(jìn)了信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。在項(xiàng)目總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生分小組展示成果。信息社會(huì)責(zé)任，需要學(xué)生在思考、辨析、動(dòng)手實(shí)踐和解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步培養(yǎng)。采用小組成果展示的形式能促進(jìn)學(xué)生信息社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)。學(xué)生通過(guò)分享、交流，領(lǐng)悟信息技術(shù)對(duì)個(gè)人和社會(huì)發(fā)展的影響，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考實(shí)驗(yàn)教學(xué)在設(shè)計(jì)開發(fā)和實(shí)施時(shí)，教師要注重理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，體現(xiàn)“科”與“技”并重，提升學(xué)生知識(shí)遷移的能力和學(xué)科思維水平，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展和核心素養(yǎng)提升。通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生感悟?qū)W科發(fā)展帶來(lái)的新機(jī)會(huì)和新挑戰(zhàn)，促進(jìn)課堂教學(xué)從“知識(shí)傳遞”向“學(xué)科育人”發(fā)展。1.建設(shè)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，夯實(shí)課程實(shí)施基礎(chǔ)對(duì)于信息技術(shù)課程而言，基本的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備是信息技術(shù)課程實(shí)施的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。目前基于開源硬件的軟硬件設(shè)備具有成本費(fèi)用較低、穩(wěn)定性強(qiáng)、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)，信息技術(shù)教師可以積極主動(dòng)向?qū)W校和上級(jí)主管部門申請(qǐng)，參照教育技術(shù)裝備要求，逐步建設(shè)一個(gè)甚至多個(gè)多功能信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，保障信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的水平和質(zhì)量，滿足學(xué)生個(gè)性發(fā)展和實(shí)踐操作的需求，推動(dòng)信息技術(shù)課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，促進(jìn)師生信息素養(yǎng)發(fā)展，提升教學(xué)質(zhì)量。2.重構(gòu)課堂教學(xué)組織，變革課堂教學(xué)方式學(xué)生在進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)時(shí)，要涉及更多的知識(shí)和技能，要做出更多的努力，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)提倡學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和研究式學(xué)習(xí)[3]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要發(fā)揮主導(dǎo)作用，為學(xué)生提供全方位、立體化支持，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究，親歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的全過(guò)程，從傳統(tǒng)“技能操作”的工具式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的探究式學(xué)習(xí)。教師要激勵(lì)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在嘗試、試錯(cuò)、修正、優(yōu)化、拓展的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，共同提升創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。3.加強(qiáng)學(xué)科教研培訓(xùn)，提升教師專業(yè)素養(yǎng)由于不同種類的開源硬件可以為不同門類的教育提供恰當(dāng)?shù)墓ぞ撸@就需要?jiǎng)?chuàng)客教育推廣者們通過(guò)組織恰當(dāng)?shù)慕萄谢顒?dòng)，來(lái)促進(jìn)教師對(duì)開源硬件的學(xué)習(xí)與掌握[4]。教師通過(guò)參加各類教研活動(dòng)，認(rèn)真研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，了解當(dāng)前信息科技發(fā)展的最新動(dòng)向，不斷學(xué)習(xí)包含開源硬件、信息系統(tǒng)組建等學(xué)科專業(yè)知識(shí)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，創(chuàng)新教學(xué)手段，靈活運(yùn)用先進(jìn)的教育教學(xué)觀念與方法，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供基本的課程保障，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具時(shí)代性、導(dǎo)向性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性。4.項(xiàng)目學(xué)習(xí)整合知識(shí)技能，發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)借助項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，分散的知識(shí)在整合知識(shí)技能、情感態(tài)度等各領(lǐng)域得以打通，學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升就有了機(jī)會(huì)[5]。教師可以將知識(shí)和技能整合在系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，自主學(xué)習(xí)、合作探究，通過(guò)分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開展新知學(xué)習(xí)、實(shí)踐探索和解決問(wèn)題等步驟，幫助學(xué)生完整解決實(shí)驗(yàn)任務(wù)，把握問(wèn)題的本質(zhì)，深刻理解知識(shí)的內(nèi)涵與外延，構(gòu)建系統(tǒng)化的知識(shí)框架體系，促進(jìn)學(xué)生對(duì)信息問(wèn)題的辨析力、對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)的掌控力、對(duì)問(wèn)題求解的思考力、對(duì)信息社會(huì)責(zé)任的高階思維能力的綜合發(fā)展。5.采用多元評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展評(píng)價(jià)是信息技術(shù)教學(xué)的有機(jī)組成部分，應(yīng)基于信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)展開。實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)的內(nèi)容要從關(guān)注知識(shí)與技能轉(zhuǎn)向?qū)W科核心素養(yǎng)發(fā)展以及問(wèn)題解決和團(tuán)隊(duì)合作等多種能力提升。評(píng)價(jià)方式多元，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性評(píng)價(jià)和質(zhì)性評(píng)價(jià)，關(guān)注學(xué)生問(wèn)題分析、技術(shù)工具的熟練程度、程序編寫、問(wèn)題解決、項(xiàng)目展示