普通高中开源硬件项目设计课程的探究

高中新课标“开源硬件项目设计”模块：中国开源硬件的梦与路作者：谢作如吴俊杰来源：《中国信息技术教育》2018年第20期对话嘉宾：浙江省温州中学创客教育工作室负责人，浙江省特级教师，温州市享受教授级待遇中学高级教师，北京师范大学科学教育专业兼职教授，南京师范大学客座研究员，上海师范大学、温州大学硕士生导师，中国电子学会现代教育技术分会副主任委员，中国教育技术协会信息技术教育专委会常务理事，教育部综合实践活动课程指导纲要研制项目组成员，浙江省中小学创客教育网络名师工作室负责人，全国中小学STEAM教育大会联合发起人，“猫友汇”社群联合创始人，开源硬件“虚谷计划”联合发起人。

对话嘉宾：北京景山学校信息技术、物理教师，STEM教育研究者，研究方向为创客教育的普及课程和教师专业发展。

在《上海教育》《教学仪器与实验》《中国信息技术教育》《中小学信息技术教育》杂志开设不定期专栏。

发表论文八十余篇，出版专著三本。

在创新创业领域，致力于从教育的角度推动可持续发展理念下的模块可重用的设计，推进电子、家电、家具、建筑行业的可重用设计的理念和消费行为。

在创客、STEAM教育（跨学科学习）大热之际，人们都希望其能够有一个具体的学科抓手。

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的颁布，使得信息技术学科看到了具体的操作路径，其中非常引人注目的是选择性必修模块6——“开源硬件项目设计”，有很多教师觉得，这个模块仿佛“就是为了普及创客教育设计的”，因此尤为关注课标颁布后如何开展教学的工作。

本期对话，我们继续聊一聊有关开源硬件的话题，如果说上期对话是在解剖一个具体的学校教学的细胞，那么这次就要深入到开源硬件的心脏——硬件及其硬件本身了，我们邀请到了温州中学的谢作如老师聊一聊他和一群有志于讲好“开源硬件的中国故事”的同路人和他们的虚谷计划——一个国产开源硬件的立体生态和一个“与中国创新、为世界分享”的宏大构想。

“梦想还是要有的，万一实现了呢？”何况创客精神引领下的“创客工作法”让这一切的成功系数变得很高。

教学篇誗教育技术Arduino开源硬件项目在高中通用技术《控制与设计》教学中的应用初探洪亮（安徽省阜阳市第三中学，安徽阜阳）摘要：目前我国信息技术的高速发展，教育信息化设备更新换代极快，但高中的通用技术教学却无法及时地跟上时代的步伐，存在着诸多问题。

为实现与信息化时代接轨的目标，改善国内通用技教学学科现状。

提出将Arduino开源硬件应用到高中通用技术课程中《控制与设计》模块的课堂教学之中，依托课堂教学实践情况进行研究和探索，明确当前高中通用技术课程中存在主要问题，了解Arduino开源硬件在改善通用技术学科教学现状方面的效用性，寻求教学方法和教学内容改进方向，以此来优化高中通用技术课程环节，完善教学方法，达到提升学生实践能力和综合能力，引导其综合发展的目标。

关键词：Arduino开源硬件；高中通用技术；实践能力普通高中通用技术课程是教育部规定的高中生必修课程。

《普通高中通用技术课程标准》非常注重对学生必备学科核心素养的培养，实践应用教学体系非常重要。

在高中通用技术《控制与设计》模块的课堂上开展Arduino开源硬件项目的实践教学，作为教学内容的一个创新和扩充，同时会对实践教学过程中存在的问题进行总结，以此来探索教学方法和教学内容改进的方向和方法，以达到完善课堂教学方法，拓宽教学思路，以更加创新高效的教学方法，促进学生创造能力、实践能力和学科综合素养的提高。

一、国内高中通用技术学科教学现状目前我国信息技术高速发展，信息化教学资源也日益丰富，然而当前高中通用技术课程教学发展却比较缓慢，且存在着学生对课程重视度不高、教学设备严重不足、教师教学手段创新度不足等方面的问题。

（一）学生对课程重视度不高在课程任务较重、压力较大的高中时期，为了应对即将来临的高考，学生大多将大部分时间和精力都投入到理化生、政史地等课程的学习上，对“通用技术”这门课程的定义还只是并不重要的选修课，思想意识上并不重视，因此课堂反馈情况并不好，教学质量普遍较低。

刁彬斌对话嘉宾：刁彬斌：北京市宏志中学信息技术和创客教师，研究方向为创客教育的普及和拔尖创新人才培养。

曾获北京市总工会科学技术创新标兵，东城区育人奖、科技教育园丁奖，现任全国青少年三维创意社区创客导师。

研究领域为三维设计与3D打印、Arduino开源硬件、爱好摄影，指导学生多次获得全国及省市级奖项。

著有《小创客玩转3d打印》《小创客轻松玩转micro:bit》等多本创客教育专著。

对话嘉宾：吴俊杰：北京景山学校信息技术、物理教师，STEM教育研究者，研究方向为创客教育的普及课程和教师专业发展。

在《上海教育》《教学仪器与实验》《中国信息技术教育》《中小学信息技术教育》杂志开设不定期专栏。

发表论文八十余篇，出版专著三本。

在创新创业领域，致力于从教育的角度推动可持续发展理念下的模块可重用的设计，推进电子、家电、家具、建筑行业的可重用设计的理念和消费行为。

吴俊杰高中新课标“开源硬件项目设计”模块学什么和怎么学吴俊杰：刁老师，新课标中明确提出了“开源硬件项目设计”这个选修模块，在学校，您除了担任高中必修模块及该主题的选修课外，还负责校本教材的编写工作，请您谈一谈对这个模块的理解？刁彬斌：关于“开源硬件项目设计”这个模块，我们具体可以谈两点认识，一是“开源硬件项目设计”模块是信息技术学科新课程改革中具有代表性的模块，它体现了信息技术学科发展的最新进展。

二是通过该模块的教学实施，让基于开源硬件的项目设计进入了国家的课程，这不仅很有意义，而且对开源生态的形成产生了正面的推动作用。

我指导学生使用开源硬件参加各类科技竞赛很多年，深知它的教学价值和教学乐趣之所在，现在有了国家课程标准的支持，我也希望在之前积累的基础上通过我们学校的校本教材的编写，让开源硬件知识普惠更多的高中学生。

这两年通过写书，我认识了全国各地的很多创客教师，我们也创建了一些微信群，在群里大家常常探讨开源硬件应该学什么和怎么学的问题，这个过程中凝聚了很多其他教师的智慧和专家的指导，要非常感谢大家的帮助。

教学设计通过对教材的分析，结合学生特点，制订出如下实验教学目标：1、知识与技能目标：①熟悉Arduino开发板的应用；②学习电压控制函数analogWrite()、时间延时函数delay()的使用；③通过实验，学习利用循环改变函数中的参数并在实践中应用，进一步学习计算思想。

2、过程与方法目标：通过四个实验，完成LED灯的呼吸效果。

3、情感态度价值观目标：①通过自学环节锻炼学生的自学能力；②小组合作探究，培养团队意识和合作能力；③使用技术实现创意，培养创客精神。

复习回顾、学习新知、自主探究、创客实践、课后创新是本节课的五个教学环节。

1、复习回顾程序设计的过程和三种程序结构，为本节课实验过程中程序的编写做好知识铺垫。

然后使用生活中的案例如扫地机器人、机器人弹钢琴等讲明硬件所作出的动作都是由编写好的程序控制的。

2、学习新知：①通过观看微视频，学生回顾Arduino开发板的使用；②教师讲解Arduino开发板的硬件控制函数analogWrite()，通过改变函数的第二个变量，可以控制输出电压，从而控制LED灯的亮度。

并带领学生使用这个函数，设计程序并使用Arduino开发板做实验点亮一个LED灯。

点亮后，引导学生相互对比，会发现函数第二个变量的数值不同，LED灯的亮度也会不一样。

③根据上一环节LED灯亮度不同的发现，引导学生分析LED灯由暗到亮这个过程，并思考、讨论如何通过程序来实现这个过程。

④编写使用for循环和analogWrite()函数的程序。

⑤将设计的程序上传到开发板，运行并查看效果。

⑥修改完善程序，使用delay()函数控制时间，再次上传运行，查看效果。

3、自主探究：学生自主分析LED灯由亮到暗的过程后写出其控制程序，并使用Arduino开发板实现。

4、创客实践：小组合作完成LED呼吸灯的设计和实现。

5、课后作业：通过这节课的学习，学会了使用程序来实现对硬件的控制，课后学生们自行编写程序，创作一个使用Arduino开发板的LED灯光效果，例如跑马灯、红绿灯等。

基于开源硬件的中学人工智能课程设计与实践文｜苏晓静 王曦廷 刘梦究”课题编号（No.FCB170641AI03BJ）近年来，以深度学习为代表的人工智能技术取得了极大进步，对推动新技术变革、产业发展发挥着重要作用。

同时，人工智能带来的教育变革方兴未艾，人工智能与智慧教育引领教育教学的创新，已经成为教育信息化发展的必然趋势。

在当今科技飞速发展的社会背景下，通用技术课程应该发挥它培养学生创造性思维与实践能力的作用。

《普通高中通用技术课程标准》中的基本理念提出，“选择体现时代特点，与生活紧密联系的课程内容”，表明通用技术课程内容选择应与时俱进。

目前，将人工智能嵌入中学通用技术教育仍处于初步探索实践阶段，对于人工智能教育的理论研究与实践经验都比较匮乏。

由于简单易用、性能强大和集成化成熟，以TensorFlow、Caffe等为代表的开源深度学习框架受到了广泛认可。

因此，基于开源深度学习框架进行中学生人工智能课程设计，将是中学生体验与学习人工智能的优势途径。

一、课程设计理念及思路（一）课程设计架构本课程设计将STEAM教育理念和项目式学习理念贯穿在课程设计过程中，课程设计融入深度学习的相关内容。

人工智能相关的复杂算法对中学生来说理解起来有难度，课程设计中选用了智能机器人作为载体，围绕搭建智能机器人实现人工智能技术和机器人技术的学习。

通过课程综合设计，旨在让学生通过一系列案例实践，掌握深度学习的基本内容和树莓派交互控制，提升学生的主观体验和自主学习能力。

（二）深度学习框架的应用深度学算法是近年来在人工神经网络领域的一项重大突破，是机器学习研究的一个新领域。

它通过组合低层特征形成更加抽象的高层特征来发现数据的分布式特征。

2006年加拿大多伦多大学教授、机器学习领域的领军人物Hinton和他的学生Salakhutdinov，在著名学术刊物《科学》上发表的文章中提出了深度网络和深度学习概念，开启了深度学习的研究热潮。

基于开源软硬件的高中创客课程研究北京工业大学附属中学王德庆一、问题的提出2010年,《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》将教育信息化上升为国家战略，明确指出“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。

第三十二条明确指出：在创新人才培养模式上，遵循教育规律和人才成长规律，深化教育教学改革，创新教育教学方法，探索多种培养方式，形成各类人才辈出、拔尖创新人才不断涌现的局面。

努力培养造就数以亿计的高素质劳动者、数以千万计的专门人才和一大批拔尖创新人才。

坚持能力为重，优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养。

着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑，学会生存生活，学会做人做事，促进学生主动适应社会，开创美好未来。

积极开展研究性学习、社区服务和社会实践。

培养学生学习兴趣和爱好。

2012年3月，教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，对今后一个时期的教育信息化发展作出了总体部署。

2015年，教育部办公厅出台了《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》，有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯。

2015年全国两会，“创客”首次“闯入”《政府工作报告》，同时也挥下了中小学信息技术课程改革的令旗。

“创客”一词来源于英文单词"Maker”，是指出于兴趣与爱好，努力把各种创意转变为现实的人。

创客们作为热衷于创意、设计、制造的个人设计制造群体，最有意愿、活力、热情和能力在创新2.0时代为自己，同时也为全体人类去创建一种更美好的生活。

2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出到2030年人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心，智能经济、智能社会取得明显成效，为跻身创新型国家前列和经济强国奠定重要基础。

《走近开源硬件》教学设计一、教学内容分析：《走进开源硬件》为我校通用技术选修课程第二节，根据通用技术选修一《电子控制技术》与选修三《简易机器人制作》的部分内容整合改进而成。

因为学生在此之前对Arduino机器人毫无了解，所以本节内容为入门课程。

课程通过有趣的交互设计作品的展示和带学生动手操作，体会Arduino世界的神奇和有趣。

本节内容主要是让学生初步了解开源硬件的起源和Arduino的发展历史，并且通过以Arduino101控制器和DRRobt扩展板为例，认识Arduino的硬件和编程环境，学习Arduino程序基础知识，体会通过程序语言控制控制器与外界交互。

以此认识Arduino开源硬件机器人，帮助学生打破对机器人的神秘感，拉近学生和机器人的距离，激发学生学习和探究机器人的兴趣。

使学生通过真正的动手，体验Arduino机器人的硬件搭建和程序设计过程的过程，感受通过程序与现实世界进行互动的魅力。

二、教学对象分析：教学对象为高一学生，学生在此之前对于机器人的学习抱有极大的兴趣，但是对于机器人制作与设计，尤其是对Arduino机器人了解甚少，对于程序设计，在信息技术课程中有初步了解，但对于Arduino程序设计的认知为零。

所以这一节课的学习，主要是让学生初步了解Arduino101控制器，认识Arduino机器人，帮助学生打破对机器人的神秘感，拉近学生和机器人的距离，激发学生学习和探究机器人的兴趣。

并且通过自己亲手搭建LED闪烁的硬件和程序设计，感受Arduino通过程序与现实世界的交互。

三、教学资源：1、硬件：通用技术教室、笔记本电脑24台、Arduino101开发套件12套、展示用的虫虫机器人、自动浇花机器人各一套。

2、软件：教学课件、教学视频、Arduino IDE编程环境。

1、视频展示结合实物机器人欣赏，引入新课（1）教师展示多个用Arduino制作的机器人视频，以及通过学生实际现场欣赏虫虫机器人和自动浇花机器人的实物，吸引学生兴趣，调动课堂氛围。

谢作如对话嘉宾：浙江省温州中学创客教育工作室负责人，浙江省特级教师，温州市享受教授级待遇中学高级教师，北京师范大学科学教育专业兼职教授，南京师范大学客座研究员，上海师范大学、温州大学硕士生导师，中国电子学会现代教育技术分会副主任委员，中国教育技术协会信息技术教育专委会常务理事，教育部综合实践活动课程指导纲要研制项目组成员，浙江省中小学创客教育网络名师工作室负责人，全国中小学STEAM教育大会联合发起人，“猫友汇”社群联合创始人，开源硬件“虚谷计划”联合发起人。

对话嘉宾：北京景山学校信息技术、物理教师，STEM教育研究者，研究方向为创客教育的普及课程和教师专业发展。

在《上海教育》《教学仪器与实验》《中国信息技术教育》《中小学信息技术教育》杂志开设不定期专栏。

发表论文八十余篇，出版专著三本。

在创新创业领域，致力于从教育的角度推动可持续发展理念下的模块可重用的设计，推进电子、家电、家具、建筑行业的可重用设计的理念和消费行为。

吴俊杰高中新课标“开源硬件项目设计”模块：中国开源硬件的梦与路吴俊杰：谢老师，其实我们认识也已经很多年了，对于对方在做什么也很熟悉。

这次的对话更像是一次开源硬件之旅，结合这次国产开源硬件“虚谷号”的发布，谈一谈如何让更多的国产开源硬件平台惠及世界开源硬件的发展的“虚谷计划”。

先聊聊历史，是一个什么样的契机让你接触到了开源硬件，当时的感觉是怎样的？谢作如：我第一次接触开源硬件是在2010年秋天。

那时候，我和学生在做一个关于水质监测的研究性学习项目。

那个项目需要利用智能终端，将浑浊度传感器的信息远程存储在数据库，但当时用机器人实验室中的机器人主板却总是不成功。

有个刚刚考上复旦的学生推荐了Arduino。

我买过来一用就喜欢上了，它不仅性价比高，而且资源丰富——网络上能找到很多用Arduino做的有趣项目。

使用的第二块开源硬件是Scratch传感器板。

在玩Arduino的时候，我常常在国外网站找资料，无意中发现了Scratch。