基于开源硬件的高中信息技术实验教学研究
【摘要】实验教学是强化学科实践育人目标的重要途径，也是培育拔尖创新人才的重要手段。实践证明，基于开源硬件的信息技术实验教学，既可以激发学生的学习兴趣和好奇心，还可以加强学生创新意识、实践能力和科学精神的培养，为学生学科核心素养的培养提供了重要支撑。
【关键词】开源硬件；实验教学；高中信息技术
高中信息技术课程具有理论性和实践性并重的特点，实验教学作为信息技术课程不可或缺的教学活动，是促进学生自主学习和全面发展的一种有效方式。为了使学生在信息化时代更好地适应社会发展的需求，信息技术实验教学需要从培养学生基本的认知能力和操作能力，转变为培养学生的科学精神和综合能力，促进学科核心素养提升。
开源硬件的开源与开放、分享与协作、模块与复用等典型特征，为创客教育、STEAM项目式学习、信息技术实验教学提供了良好的载体和媒介[1]。而Arduino作为创客教育开发平台，可以与传感器和电子元件连接，结合主题项目可以激发学生学习的兴趣，驱动学生亲身经历知识的发现、形成和发展的过程，积极思考，全身心投入具有挑战性的实验任务，在解决问题的过程中掌握信息技术学科方法和思想，真正成为学习的主人。
开源硬件实验教学案例
本文以“校园拐角防撞系统的组建”为例，详细介绍基于开源硬件的高中信息技术实验教学过程。
一是实验设计。教师根据课程标准和教材内容，设计实验内容和过程。教师依据真实情境，引导学生从需求分析、硬件组建，到程序实现、效果测试，层层深入，自主探究搭建校园拐角防撞系统。课堂教学不应仅仅关注实验操作，而应将科学原理和实践应用融合，即通过情境再现与理论探究、硬件选择与实验操作、问题分析与算法设计、问题探究与深度讨论、实验报告与梳理总结、延伸实验与项目设计等过程，将科学原理融合到实验教学中。教师作为指导者，启发学生分析问题和设计创意方案，引导学生以小组团队的形式积极参与到项目实验中，提高学生的学习兴趣和参与度，培养学生的科学素养，促进全面发展。
二是实验实施。教师联系学生生活实际，创设了一个真实的项目情境——校园拐角防撞，与学生日常生活安全密切相关，围绕问题分析、方案设计、硬件连接、代码编写、项目调试、成果汇报等活动展开，最终让学生利用相关开源硬件和Python编程组建一个校园拐角防撞系统。学生通过教师引导，分组开展自主探究和动手实践，切实体验小型信息系统的组建过程，增强课堂参与感和实践能力。
三是实验目标。本项目中，学生要达成的目标要求如下：（1）认识超声波传感器的基本原理，能使用pingpong库完成超声波距离监测；（2）掌握Python中双分支语句和多分支语句的结构和基本使用方法；（3）学会利用函数完成不同情境下拐角防撞预警提醒；（4）通过实验学习，提高学生对Arduino开源硬件的学习兴趣和问题解决能力；（5）通过小组合作探究，培养学生主动学习和创新精神，学会利用信息技术解决问题，促进学科核心素养的发展。
四是实验重点和难点。本项目的重点是认识超声波传感器的基本原理，能使用Arduinouno主控板和超声波模块完成拐角距离的实时监测；难点是引导学生学会利用Python自定义函数，完成不同情境下拐角防撞预警提醒。
五是实验准备。学生以3人为一组，小组长根据小组编号，领取小组实验器材和实验报告单；检查Arduino主控板、扩展板、蜂鸣器、LED、USB数据线等实验器材；连接Arduino主控板、蜂鸣器，并进行蜂鸣器控制程序测试。
基于项目式学习的实验教学流程
建构主义理论倡导学生的主体地位，在知识建构的过程中，教师要成为学生学习的引导者和帮助者，促进学生主动完成对知识的内化与迁移。接下来，笔者以项目式学习的形式，介绍实验教学的设计开发及具体实施的流程（图1）。
在项目导入环节，教师设问，“学校是人员密集型场所，校园内人身安全非常重要。由于视线遮挡，拐角处不同方向走路的人容易碰撞，有时甚至撞伤。针对校园拐角碰撞现象，我们可以通过什么技术措施避免？”由此引发学生思考。教师以校园生活真实问题为学生创设信息情境，提供发现问题、自主解决问题的机会，帮助学生借助数字化资源自主探究，科学规划和管理学习路径，激发学生学习的兴趣，引导学生主动将问题求解与信息技术进行关联，运用开源硬件解决实际问题。
在项目分析环节，教师启发学生结合开源硬件，完成校园拐角防撞预警系统的基本方案。教师引导学生观察、挖掘现实世界中的信息事件，鼓励学生面对信息困境，启发学生思考如何更好地通过开源硬件技术保护校园师生安全，通过分析、讨论和交流，设计可能的问题解决方案，培育以学生为中心的教与学关系。
在项目设计环节，教师引导学生分组合作探究超声波测距，使用Python完成超声波测距监测。教师以“做中学”的思想，整合合作学习的方式，提升学生的逻辑思维能力，