课标解读 | 模块6:开源硬件项目设计

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楼主 2019-01-16 06:56:16
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开源硬件

项目设计

信息技术发展的一项重要体现是近些年来涌现出了一大批开源硬件,其中的典型代表是树莓派、Arduino。开源硬件降低了人们使用的门槛,降低了开发的复杂度。开源硬件在一定程度上突破了专业领域的围墙,人们可以基于开源硬件很方便地根据自己的设计制作具备一定功能的信息系统,甚至年龄很小的学生,即便不具备非常专业的知识,也可以成为设计开发者。

大众创业、万众创新已经成为国家的发展战略,以创客教育、STEAM教育为代表的创新教育正在兴起。人才是创新最关键的因素,通过一定的途径关注学生创新能力的培养,成为一种必然的选择。信息技术课程以其自身所特有的信息化环境,设立开源硬件项目设计的课程内容,培养学生基于信息技术的创新能力,具有天然的优势,也是课程发展的一种内在需求,可有效助力学生的个性化发展。

通过本模块的学习,学生能搜索并利用开源硬件及相关资料,体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程,初步形成以信息技术学科方法观察事物和问题求解的能力,提升计算思维与创新能力。



一、结构与内容

本模块包括开源硬件的特征、开源硬件项目流程、基于开源硬件的作品设计与制作等三部分内容,如图所示。

(一)开源硬件的特征

对于大多数学生来说,开源硬件是一个比较新颖的学习板块。学生或许还不清楚开源硬件是什么,也不知道如何使用开源硬件,更不理解人们如何基于开源硬件进行创新,利用开源硬件进行作品的设计与制作是一项全新的任务。所以,本部分内容主要是给学生提供一个开源硬件的初步认识,对其有一个形象化的了解。

本部分对应的内容要求是:

   6.1基于实例分析,认识开源硬件的特征与发展,理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义。

(二)开源硬件项目流程

尽管每个基于开源硬件的作品制作都有其本身独特的过程,但还是可以总结概括出利用开源硬件进行项目设计与开发的基本流程,掌握了该流程对于指导学生完成具备各种功能的作品具有借鉴意义,能提供必要的思路支持给学生的后期探索。

本部分对应的内容要求是:

    6.2通过剖析使用开源硬件完成作品的实例,体验基于开源硬件完成项目的基本流程,知道常用开源硬件的功能与特征。

(三)基于开源硬件的作品设计与制作

基于开源硬件的作品设计与制作,不仅与信息技术学科内容相关,还需要其他学科的知识作为支撑。作品的设计与制作需要遵循设计、选材、组装、功能开发、测试、优化等一系列流程。虽然并非每一个作品的设计与制作都需要完全遵循该流程,但还是需要学生掌握其中每一步的作用以及可能的实现方法,以便学生能在其他作品中迁移应用这些步骤,进而形成适应开源硬件作品设计与制作的思维习惯。

本部分对应的内容要求包括

    6.3基于事物特征的分析,设计基于开源硬件的作品开发方案,描述作品各组成部分及其功能作用,明确各组成部分之间的调用关系。

    6.4根据设计方案,选择恰当的开源硬件,搜索相关的使用说明资料,审查与优化作品设计方案。

    6.5了解作品制作过程中各种设备与组件的安全使用规则和方法,根据设计方案,利用开源硬件、相关组件与材料,完成作品制作。

    6.6根据设计方案,利用开源硬件的设计工具或编程语言,实现作品的各种功能模块。

    6.7根据设计方案,测试、运行作品的数据采集、运算处理、数据输出、调控执行等各项功能,优化设计方案。

    6.8完善项目作品的设计方案,践行开源与知识分享的精神,理解保护知识权的意义。

二、学科核心素养的培养

01

信息意识

在培养信息意识方面,要求学生:

本模块要求学生在设计与制作开源硬件的项目作品的基础上促进开源硬件和其他学科知识的综合应用。学生能够根据项目作品制作的需求,自觉、主动地寻求恰当的方式获取与处理信息,准确判断和运用信息,在合作学习的过程中共享信息,明白开源硬件的特征及其可能的适用范围,深刻体会开源硬件是一种实现信息技术创新的重要实践途径。

【案例】

在教学案例《“交通灯控制”主题项目活动》中要求学生能够根据解决问题的需要,自觉、主动地寻求恰当的方式获取与处理信息。在环节二撰写主题项目活动的方案的过程中,学生需要收集数据。学生可利用不同的工具,收集真实的路面数据。(比如,选定一段路面,运用计时器,采集不同车型的机动车通过该路段的时间数据,经过计算得出平均车速,进而设计交通灯的亮灭时间)

计算思维

02

在培养计算思维方面,要求学生:

在本模块,学生的核心素养体现在开源硬件设计与制作项目作品的过程中,体现在:

【案例】

在教学案例《“交通灯控制”主题项目活动》中要求学生能够采用计算机科学领域的思想方法界定问题、抽象问题特征、建立结构模型、合理组织数据。通过判断、分析与综合各种信息资源,运用合理的算法形成解决问题的方案。在项目学习过程中,学生了解基于开源硬件进行项目设计的一般流程,并将其应用于实际项目中,根据事物的特点进行一定的抽象,设计符合事物特性的系统。

03

数字化学习与创新

在数字化学习与创新培养方面,要求学生:

在本模块中, 信息意识、数字化学习与创新素养形成的过程体现在整个项目作品设计与制作的过程。学生需要在多种信息化资料的支持下,设计与制作基于开源硬件的作品。学生在探索的过程中,必须学会分析、筛选有用的信息,在各种数字化工具支撑下设计方案、交流信息、分享资源。

【案例】

在教学案例《“交通灯控制”主题项目活动》中,在课前学生可借助“Arduino创客实验室”网页自主学习开源硬件相关内容,观看微课。学生在课前自学过程中,习得重要知识点,回答视频内嵌的互动问题,掌握相关知识点,在整个项目设计与制作的过程中查找资料,预估效果,为设计方案提供依据,小组间互动交流,分享资源,在多种信息化资料的支持下,设计与制作基于开源硬件的作品。

信息社会责任

04

在信息社会责任的培养上,要求学生理解并自觉践行开源的理念与知识分享的精神,理解保护知识产权的意义。

在本模块中,学生的信息社会责任素养体现在学生设计与制作基于开源硬件的作品时如何看待和尊重信息知识产权,如何分享知识、如何承担信息社会责任之中。

【案例】

在教学案例《“交通灯控制”主题项目活动》中要求学生关注信息技术革命所带来的人文、社会问题。理解并自觉践行开源的理念与知识分享的精神,理解保护知识产权的意义。

三、学业要求

学习完本模块,学生能在信息技术环境下综合利用科学、技术、工程、人文艺术与数学学科的相关知识,理解利用信息技术解决问题的基本思路与方法,认识数字化工具在问题解决方案中的价值与作用。知道基于开源硬件进行项目设计的一般流程,能将其应用于实际项目中,根据事物的特点进行一定的抽象,设计符合事物特性的系统;能利用各种材料、开源硬件与软件实现所设计的项目方案,能利用开源硬件的设计工具、编程语言实现外部数据的输入、处理,利用输出数据驱动执行装置的运行。理解并自觉践行开源的理念与知识分享的精神,理解保护知识产权的意义。

四、教学建议

在本模块的教学中,要充分发挥信息技术课程特有的教学环境优势,以STEAM教育理念为指导,利用开源硬件开展项目学习,让学生体验研究和创造的乐趣,培养利用信息技术解决问题和创新设计的意识与能力

(1)通过组织学生设计开发简单的信息系统,引导学生理解熟悉开源硬件的使用方法

虽然学生经常可以在家里、信息技术课堂等各种应用信息技术的环境中接触到信息技术设备,但大部分停留在使用层次上,对于信息技术设备外壳之内的各种元器件、板卡基本上没有什么接触,或者仅是通过一些图片视频资料了解各种板卡的外观,脑海中没有感性且形象化的认识。

本条教学建议强调:

例如:利用开源硬件平台中的温度传感器、相关输入和输出组件,设计开发温度监测调控系统”,当温度达到一定值后,结合一定的条件(如季节)控制风扇、空调器的启动或关闭。通过该系统的实例解析,让学生了解基于开源硬件的信息系统的实现方法。

(2)以实例为依托,组织学生自主探究,及时指导、鼓励交流

在新知识学习过程中以实例为依托,鼓励学生在掌握学习内容的基础上进行应用创新,学生自主探索,进行多轮迭代,跟踪完善项目设计,在整个学习过程中,教师给予指导,提供问题解决思路,鼓励学生交流与合作,践行开源与知识分享的精神。

①以实例为依托,帮助学生掌握知识体系

基于开源硬件的各种项目作品的设计制作过程有特定的流程,不存在系统化的知识,学生能够在特定的实例中挖掘特定的设计与基础知识,逐步熟悉各种功能模块、各种组件的使用方法,逐步积累经验认识。因此,为学生提供丰富的实例让学生学习相关知识十分重要。

②以教师为主导,学生为主体,组织学生自主探究,给予指导与帮助

教师讲少一点,学生探究活动多一点,留出多一点时间让学生在问题解决过程中灵活迁移所学知识和经验,加深学生的学习体会。通过在有限时间内解决学生在探索方向、操作方法、设计方案中出现的问题,学生能获得成功的体验,激励学生不断深入探索。因此,教师要能及时跟踪学生完成作品的情况,及时给予学生必要的帮助与引导。

③鼓励学生独立思考、小组交流,在分享交流中丰富自己的认识

完成作品要求学生进行多次迭代,不断完善方案,在这个过程中,学生进行独立思考探索,并在小组中分享交流。在互相协作和互相启迪的过程中促进学生思维火花迸发,思维认知由此逐步深化,学生的认识进一步丰富深化。

例如:教师事先准备一个利用红外传感器操作控制的小游戏,让学生体验该游戏,分析其中利用传感器等开源硬件实现数据输入、处理与输出控制的方法,引导学生思考该类系统可能的应用领域和场景,鼓励学生讨论与探索类似系统的开发,尝试改进系统,进行更有意义的创新设计。

 (3)以实例剖析为基础设计开放性任务,给学生充分的想象与创新空间

可以采取基于项目的学习方式,让学生以小组为单位经历“提出想法→设计系统解决方案→利用开源硬件实现解决方案”的完整过程。项目作品的评价可从创新性、实用性和解决问题的效果等不同角度来判断,鼓励创新性的作品,发展学生的创新能力。

① 培养学生的创新意识与能力是重要的课程目标

在本模块的教学当中,实现该目标不是让学生重复教师提供的实例,而是要求学生能够提出相关问题的解决方案,并且进行有益的探索,因而在项目任务设计上,不宜设置过多的规定性要求,应尽量采用较为开放式的任务。在开放式的任务中,学生才有机会经历完整的设计制作过程。

②开放性的项目任务,要采取与之相对应的评价标准

在评价开放性的项目任务时,不宜简单采用作品的优劣作为评价标准,更应该注重学生的参与和创新,以核心素养的发展为引导建立多元的评价标准和评价方式,从创新性、实用性和解决问题的效果等多元角度进行评价。

③采取较为灵活的教室座位布局,方便学生开展小组合作与探究

此外,从开源硬件作品设计制作的特性看,学生需要较大的活动空间,可采用较为灵活的教室座位布局,以方便学生开展小组合作与探究。除了要有能够联网的计算机外,还应根据项目的特征与实施需要,配置开源硬件、板卡、设计工具、组装工具、测试测量工具等。

叮咚,收到一份教学案例!
















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