1. 引言
《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》(简称新课标)中提出信息科技课程的目标要围绕核心素养，体现课程性质，反应课程理念。课程理念中顺应数字时代的教育趋势，构建逻辑关联的课程结构，平衡科学理论与实际应用的课程内容，倡导基于真实情境的学习方式，强化素养导向的多元评价[1]。指向核心素养和新课程理念的提出，传统的讲授、演示等教学方法已无法满足数字时代的育人要求，而创客与项目式的理念更加贴合新课标提出的核心素养的培养。目前有部分开发开源编程套件的企业也关注到中小学生的需求，开发相关硬件和软件提供给中小学校使用。同时在“双减”背景下，各校开展素质拓展课程。抓住这个实践机会，本文以“青蛙创客”编程套件为例，对小学硬件编程学习进行探究。
2. 创客理念和项目式学习
2.1. 创客理念
创客的“创”主要是指创造、创意；“客”指的是专门从事某种活动或擅长某人技能的人。所谓“创客”指的是把创意转变成现实的人。创客理念引入我国以来，创客演变成集创意、设计、搭建、编程、调试等为一体的一种学习理念。创客理念要基于对文化多样性的尊重，采用跨学科的学习方式，通过学生团队交流合作，从而激发创业精神，培养创新能力和核心素养，最终形成终生学习的习惯，成为一个有社会责任感的人。这完全贴合习近平总书记提出的全面落实有理想、有本领、有担当的时代新人培养要求。基于创客理念的学习，学生是学习的组织者、设计者、开发者、创造者，是学习真正的主体，充分调动学生对信息科技的探索欲望。2018年1月5日，中国教育部发布了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准》的有关文件，明确指出三维设计、开源硬件和人工智能等科目将被正式纳入新的课程标准，并作为高中阶段的必修内容[2]。教育部于2018年3月12日公布了《教育部教育装备研究与发展中心2018年工作要点》，在该文件中强调了对新教育理念和教学方法的积极探索，并对STEM教育和创客教育在中小学教育及课程发展中所起的作用给予了持续的关注，这些举措体现了教育部门对于推动教育创新和适应新时代教育需求的坚定决心。由此可见，一线教育工作者应积极响应国家号召，探索新理念新方式来开展开源硬件、创客教育教学。信息科技要从娃娃抓起，从小学开始，渗透创客理念，让自主可控的科技意识深深扎根。
2.2. 项目式学习
项目式学习是置学生于项目实施的中心位置，通过完成具有实际意义的项目来促进学习，主张“做中学”和“基于创造的学习”[3] [4]。在小学编程课中，通过真实世界的问题解决和项目完成来促进学习，帮助学生更好地理解编程的概念和原理，培养他们的动手能力和解决问题的能力。
3. 研究现状分析
在当前小学开源硬件编程学习研究领域中，研究者们致力于探索如何以项目式学习的方式将创客理念融入教学实践中，以培养学生的创新思维和实践能力。张锦燕等从相关概念、技术体验和应用以及智能作品创造三方面提出了人工智能课程教学框架，并展示项目组间评价和组内互评量表，为学习评价提供参考。汪敏在其研究中提出，通过项目式学习，将创客元素如Makey Makey微型控制器融入工程技术知识，可以有效激发学生的兴趣和参与度[5]。伍璐利的研究则展示了编程猫与开源硬件相结合的新模式在优化教学效果和提升学生编程思维方面的重要性[6]。黄文伟在其分析中强调了项目式教学在提高学生学习兴趣、参与度以及实践和创新能力方面的作用。通过设计具有情境性的教学活动和挑战性问题，教师可以引导学生进行深入思考和自主学习[7]。沈忱研究则聚焦于开源硬件人工智能课程的设计与应用，提出了切合学生学情的课程开发策略，强调了排除厂家壁垒、注重硬件扩展的重要性，并分享了“人工智能垃圾分类小车”项目的教学实施步骤[8]。
综上所述，开源硬件编程学习在小学教育中的应用正受到越来越多的关注，并逐渐成为重要的组成部分。通过结合创客理念、项目式学习和多样化的教学策略，可以为学生提供一个富有创造性和实践性的学习环境，从而促进学生核心素养的提升。未来的研究将进一步探索如何将这些教学模式和策略更广泛地应用于小学教育中，以及如何评估提升这些学习模式的有效性。
4. “青蛙创客”编程探究学习活动实践策略
2021年7月，中国中央政府的两个重要办公室——中共中央办公厅和国务院办公厅联合发布了一份指导意见，该意见的目的是减轻中小学生在家庭作业和校外辅导方面的压力。该文件强调了推广多样化的课外活动，包括科学普及、体育、艺术、劳动、阅读以及各类兴趣小组和社团活动。同时，该指导意见也提出了确保课后服务时间的充足、提升课后服务的质量、拓宽课后服务的途径，并强化线上免费学习服务的优质供给[8]。我校于2021年9月开始开展“电脑设计”社团活动，活动时间主要为三个时间段：分别是午饭后12:20~13:00、下午托管时间16:20~17:00，以及第二段素质托管时间17:10~18:10。本社团活动内容主要为电脑绘画、电子手抄报、人工智能编程等。从2021年9月开始，电脑设计社团遵循“积极探索、合作创新”为学习原则，采取循序渐进，扎实推荐课程，培养了一批热爱信息科技，敢于开拓创新的学子。2023年4月，增城区举办第39届青少年科技创新大赛，其中青少年科技创客大赛有硬件编程创客挑战赛。以此比赛为契机，既可检验学生的学习效果，也能促进学生学习的积极性。本次硬件编程创客挑战赛主要以“青蛙创客”套件为比赛装备，包含积木块、智能模块、软件等，是一套符合中小学生学习的创客套件。
4.1. 将创客理念引入学习活动
俗话说：“工欲善其事必先利其器”。首先，安装好青蛙创客软件，并熟悉各项代码的主要作用。还记得购买套件刚到的时候，学生迫不及待的想到触摸到真实的智能模块。“千呼万唤始出来”的那天，学生兴奋的说，“终于到了！”。以异质分组为原则，以两人一小组的形式，对所有智能模块进行模拟体验。在体验模块时，需要使用青蛙主板和指定模块，结合编程来分析是否能出现预期效果。在无法出现预期效果时，这正好激发学生的探索欲望，小组合作探究来共同解决问题。比如在使用光敏模块时，连接电子屏，看不到数据。要从几个方面去分析问题，比如是否定时刷新显示器端口，显示器显示文本是否转换成数字进行输出。在认识所有智能模块的基础上，学生就可以进行创意组合和调试。这个套件把硬件和软件相结合，增加学习的趣味性，学生自主学习意识强。在体验硬件和软件结合的乐趣中，培养学生的计算思维和数字化学习与创新的素养[9]。
搭积木是所有孩子都玩过的一种高创造性活动，是一种最基础的创客装备。在这套套件中，提供了500个左右的积木块，可供学生任意创作造型，再与青蛙主板，智能模块组装起来。在保证功能性的基础上，可以不断的改造造型，提升美观度，这对学生的创造性、美感的培养都很有帮助。
4.2. 基于真实情境开展探究
小学生正处于皮亚杰提出的儿童认知发展四阶段中的第三阶段：具体运算阶段，虽然已经发展出了可逆性思维和具体逻辑思维，但仍然需要通过具体的形象来帮助他们理解记忆。因此，在进行项目学习中，需要以生活经验来进行导入，提供真实情境，通过图片、视频等具体生动的方式，来激发学生的探究欲望。比如，出示一张光线充足的环境下，仍开着灯的照片，引导学生进行思考。我们倡导节能环保，如何设计一款智能台灯，可以根据环境的亮度来调整台灯的亮度。通过真实情境，顺其自然的进入项目学习，水到渠成的形成项目成果，从中培养了学生的核心素养。
4.3. 多方位评价促进核心素养的培养
学习评价是指对于学习过程及其结果采用特定的标准和原则进行评判的过程，目的是为了提升学习效果。新课标提到的评价，建立全过程、多方位的评价方式。
提供每个小组学习任务单，完成每个任务会进行教师评价和自我评价，最后统计星星数量。
4.4. 家校合作提升学习效果
家校沟通是一座桥梁，建立良好的双向监督、共同进步的渠道。我们建立了钉钉学习小组，每一次课程利用钉钉平台进行学习反馈，反馈的内容有学习过程的照片、视频，搭建的作品等，与家长进行良好的沟通。部分家长有编程的基础，课后还能给孩子辅导。没有编程基础的，由孩子回家向家长介绍自己的创作。通过向家长介绍，加深对程序逻辑的理解，提升孩子的自豪感和自信心。
5. 项目分析
5.1. 智能坐姿提醒器
5.1.1. 需求分析
出示一些平时同学上课、在家里学习做作业等的图片，学生会发现很多同学坐姿不端正，但是自己没有意识到，那能否设计一个坐姿提醒器？在我们坐姿不端正时及时进行提醒，马上调整坐姿。本项目需要保证正确的坐姿，需要测量后背与座椅之前的距离，需要用到红外线检测器。当坐姿不正确要进行提醒，可使用蜂鸣器来进行提醒。考虑偶尔也可以进行休闲休息，可以通过按钮来控制坐姿提醒器的开启和关闭。
5.1.2. 学习目标
信息意识：了解智能坐姿提醒器的作用，能分析智能坐姿提醒器的外观特点及需要用到的积木和智能模块。
计算思维：能用自然语言对坐姿提醒器的原理进行描述，在编码的过程中，能够反复验证不同数据的效果，反思编码的过程和方法。
数字化学习与创新：能利用上网查找坐姿提醒器的外观、作用等资料，通过合作探究对查找资料进行加工、管理，创作集美观和功能兼备的智能坐姿提醒器。
信息社会责任：在创作过程中，能尊重伙伴的观点，发表个人的观点，进行信息的交流。能理解坐姿提醒器的作用，对坐姿提醒器进行宣传，理解人工智能给人类生活带来的便利。
5.1.3. 教学实施设计
遵循认知规律，贯穿课堂前中后三阶段实施项目教学，见图1。
第一，导入项目，激发兴趣。
通过图片和视频演示同学上课、学习时的不良坐姿，出示不良坐姿可能导致脊柱弯曲、影响身高的影响数据，使同学们引起重视，从而引发创作的兴趣。
Figure 1. Instructional implementation process
图1. 教学实施过程
第二，分析项目，明确模块。
简单讲解智能坐姿提醒器的作用，学生分组讨论需要哪些模块，并进行解释。通过三个小组的分享，大致就能确定需要的模块是红外线检测器、蜂鸣器、按钮。有的同学还提出了可以使用显示器来显示后背与座椅的距离，能够看到坐姿偏差的程度。有的同学提出了不止蜂鸣器提醒，还能通过青蛙主板的灯进行“双闪”提醒。提出了更可视化、更智能的坐姿提醒器。
第三，原型启发，设计造型。
座椅是我们随处可见的物品，根据座椅的外形进行设计并不难。在造型对称的基础上，可以从颜色搭配、设计扶手等角度上对积木进行搭建。在搭建的过程中，同学们会相互欣赏其他小组的，在保持创意的基础上相互学习。有的同学设计了一个小机器人模拟人坐在座椅上，使造型更加合理，便于演示。
第四，厘清逻辑，进行编码。
首先，引导学生思考项目的逻辑，可以先画出流程图，见图2。分析每一个步骤。可以把流程图的重点部分——超声波传感器判断距离部分内容“挖空”，由学生进行填写。
Figure 2. Operation flowchart of sitting posture reminder
图2. 坐姿提醒器操作流程图
分析完逻辑后，尝试使用青蛙创客离线编程工具进行积木式编程。先把用到的硬件模块功能进行再一次温习，比如超声波传感器要设置成获取距离的模式，同时要注意单位的设置。按钮被按1次，被长按应该是输入值为高。打好基础后，由学生分小组进行编程，在探索和试错中领悟代码的逻辑，最终实现功能。
第五，连接调试，作品展示。
硬件和软件都准备好了，只欠东风。此时把青蛙主板的连接线连接到电脑USB接口上，选择端口，开启青蛙主板。大部分小组能够成功演示效果。由于我们制作的是一个小模型，红外线检测距离在小于20 mm，大于50 mm就会进行提示，要注意使用的单位，和实际情况下的使用单位不同。有的同学发现青蛙主板出现了黄灯，无法检测。经咨询后，发现是红外模块导致电压不正常，可以采用把红外模块拔下，再重新插回去，即可正常。解决问题之后，小组进行作品展示。要求同学们要介绍智能坐姿提醒器的作用，使用的方法，使用了哪些模块，每一个模块的作用是什么。从而提升小学生的表达能力。
5.1.4. 学习效果分析
通过这个项目的学习，针对学习目标，从课堂的观察、学习任务单的完成情况、课后的访谈、学生的作品、与家长沟通等方面进行深度整理思考。学生的课堂专注度比普通课堂高，学习积极性强。项目完成后，学习目标达成率较高。项目开始时，在老师的提示和引导下，学生能利用网络查找坐姿提醒器的外观、作用等资料，通过小组两两合作探究对查找资料进行讨论、整理，初步形成创作意识，并把上网查找资料这个学习方式贯穿人工智能编程的学习之中。学生知道智能坐姿提醒器能够提醒我们坐姿端正，与椅子保持一定距离。根据分析坐姿提醒器的特点，结合美观和功能使用合适的积木搭建椅子，把主板、按钮、红外线检测器、蜂蜜器四个智能模块嵌入其中。通过课后录制讲解视频，学生能用自己的语言对坐姿提醒器的原理进行描述，在编码的过程中学会反复测试，调试数据。在创作过程中，学生能做到相互尊重，发表个人的观点，进行信息的交流。课后，我发现他们会把坐姿提醒器介绍给同学、家人，能够理解人工智能给人类生活带来的便利。从信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会四个方面对学生及作品进行评价，见表1，不同小组主要体现在艺术性的不同，从积木的选取、颜色的搭配等进行评价，学生作品能够达到优秀层次。
Table 1. Student and work evaluation form
表1. 学生及作品评价表
“青蛙创客”社团编程课智能坐姿提醒器项目评价表 |
学习目标 |
一级指标 |
二级指标 |
分值 |
信息科技核心素养 |
信息意识(15分) |
能说出智能坐姿提醒器的作用 |
5 |
能使用上网查找资料 |
5 |
能与组员讨论、整理信息 |
5 |
计算思维(45分) |
能使用流程图，用自己的语言描述坐姿提醒器的原理 |
20 |
能反复测试，调试数据，能成功运行展示 |
25 |
数字化学习与创新(25分) |
能通过合作探究对查找资料进行加工、管理 |
5 |
能挑选合适的积木，搭建美观、功能、创新、艺术性的智能坐姿提醒器 |
20 |
信息社会责任 (15分) |
能理解坐姿提醒器的作用，进行宣传 |
5 |
能理解人工智能给分类生活带来的便利 |
5 |
能尊重组员的观点，发表观点，进行信息的交流 |
5 |
本次项目的学习后，同学们基本掌握了学习流程，可以在这个基础上进行自主创作，具体量化情况见图3，图4。比如五年级的同学利用荧光模块，制作了一个紧急安全出口提醒器，可以放置在出现灾害的地方。当检测到有人经过时，既亮出箭头，指示逃生的方向。另外一位同学则使用舵机，控制自动开门，比如像便利店，有顾客到来，就可以打开大门，同时显示欢迎的图案，再次自动关门。这个项目在完成后，开门的角度、时间都经过多次的调试才找到最合适的数据。在这个过程中，学生学习到了创作一件作品，需要不断的调试，需要细心考虑每个细节，要有耐心，才能取得一些小成绩。
Figure 3. Pre-course quantification of secondary indicators
图3. 二级指标课前量化情况
Figure 4. After-school quantification of secondary indicators
图4. 二级指标课后量化情况
6. 研究展望
此次比赛给学生带来很多新的见识，对于学习编程也是一次经验的积累。基于创客理念的小学开源硬件编程学习方式对培养学生核心素养有着重要的意义，目前只是在社团课进行开展，研究还不够深入，学习时间比较分散，学习效果还不是非常好。未来会不断探索新的设计流程、评价方案，面向全体学生，让每一个孩子在信息科技课堂都有出彩的机会。