摘要：新改版的2018泰山版信息技术教材第三册中出现了智能硬件的内容，本文中，作者从开源硬件现状与配备新探索两方面进行了探讨，摸索出了一种性价比较高，能满足教学需求的配备方案，并对方案进行了详细说明。
关键词：信息技术；开源硬件；2018泰山版新教材
新改版的2018泰山版信息技术教材第三册中， 出现了智能硬件的内容，共4课，占全册书的三分之一。要进行这部分内容的教学，就涉及到了开源硬件的配备与教学问题，本文从开源硬件配备现状和开源硬件配备新探索两方面入手，进行了实践研究。
一、开源硬件配备及教学现状
2018版信息技术教材中增加了Scraino软件的内容，这是一款基于Scratch3.0开发的面向青少年的简易图形化编程工具，添加了对开源硬件的支持，将Arduino程序语句封装成独立的脚本，与Scratch原生脚本相结合，进行积木式搭建，实时生成C++语言代码，并配合高效的编译内核，将代码快速烧录到控制器中，从而实现对硬件设备的开发，不仅支持交互模式，实现软件与硬件之间的交互，还可以进行脱机控制，以及构建小型物联网系统，给用户带来多维的体验方式。该软件目前支持的硬件扩展共9种，比较常用的是3种，现从经济性、适用性及扩展性三方面对这3种硬件扩展逐一分析一下。
Arduino-Uno，这是最常见的arduion架构，UNO是一款易用型开源控制器主板，基于Atmega328P的单片机开发板，无需额外的编程器，直接连接USB线，即可使用IDE进行编程、编译、烧录。因为没有二次开发和封装，本身所带组件也比较少，所以价格比较便宜，整套产品市场价在75元左右；能完成教材中的全部实验，但操作有一定的难度。另外，没有适配教材的完整套件，需自己购置散件进行组装，难度较大。 由于是原始版本，所以具有很好的扩展性、兼容性。
Arduino-Nano：原始的Nano是一种基与开放原始代码的超小Simple i/o平台，体积很小，即可以用来开发出需要独立运行，并且具有互动效果的电子用品；也可以用来开发出与电脑相连接的互动作品。教材上的Nano是对原始Nano的二次开发和封装版本，对各个接口与电源进行了重新定义和封装，并实现了模块化，组装方便，导致价格昂贵，整套产品市场价约900元。因为是针对教材进行的开发和封装，所以完全适用教材，可以进行扩展，但兼容性差，只能使用该厂商配套的外部设备。
Arduino- Esp32，ESP- 32 是一款通用型 WiFi+BT+BLE MCU 模组，包括电容式触摸传感器、SD 卡接口、以太网接口等，支持wifi、蓝牙。功能强大，用途广泛，导致价格比较贵，市场价在200元左右。能完成教材中的实验，但操作有一定的难度，也需要通过散件组装，组装难度较大。 在这三款控制器中，这款控制器的扩展性最好，可以用来开发各种科技创新作品、创客作品。
通过调查得知，由于专用的Nano设备每套需900多元，所以有很多学校因办公经费不足，没有购置硬件。Uno和Esp32设备比较便宜，但组装麻烦，配置情况也不容乐观。在日常教学中，往往是采取播放视频、模拟操作的方式，学生很少动手操作，所以教学效果较差。
二、开源硬件配备新探索
作者认为，要提高教学效果，首先就要配备一套合适的开源硬件。作者对开源硬件的配备方法进行了探索，发现使用Uno或Esp32控制器方案，利用购置散件进行组装的方式有明显地优势，下面从硬件配备、教学使用两个方面进行讨论。
（一）硬件的配备：
1、从课程与教材角度梳理教学需求、确定配备原则。
首先分析教材可以发现，这四课的内容牵涉到四部分硬件，
一是光线传感器（光敏电阻），通过光线传感器获取周围光线值（电阻值），并根据这个值来调节舞台、角色的亮度。
二是Led灯，通过编程来实现智能台灯的效果。
三是能实现超声波测距的智能小车，实现避障小车的功能。
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四是小风扇，通过编程来实现智能风扇的效果。
其次对创客社团的调研，发现除了以下设备外，还需要配备人体红外模块、循迹模块等器件。
最后根据这些需求，考虑到经济性、适用性、扩展性的原则，研究本次开源硬件配备的原则是满足课堂教学，又兼顾创客社团。
通过信息搜集和动手实验，考虑到配备原则，确定采用Arduino Uno方案，其它散件则采取网购的方式，电机驱动方案采用2.5A双路H桥电机驱动板+双轴减速电机的方式，电源采用2块18650充电电池。
3、硬件的购买及加工、制作。
（1）通过梳理所需的硬件及小配件，列出以下购置清单。Arduino UNO开发板
基于Uno R3的扩展板、光敏传感器模块、LED发光二极管、电机驱动板、电动小马达+风扇叶、智能小车底盘、两块18650锂电池加电池盒、超声波传感器+支架、充电器、彩色杜邦线、螺丝、红黑单头线、铜柱等。按需购买
（2）加工制作方法
首先是焊接，共有2处地方需要焊接，一是电机和电机驱动模块的连接线，每个电机需焊接两根线，要注意两根线要同一线序。共有3个电机，每个电机焊两根线。二是开关的焊接。开关一头接电池的正极，另一头同时接电机驱动板和Uno开发板。完成后，还要将电池的负极、电机驱动板电池线、Uno开发板的Dc接口线的负极焊接起来。
其次是组装，共有3个步骤，一是智能小车的组装，装上两个轮子，开关及万向轮。二是电池盒直接用螺丝装到小车底盘靠后位置。三是将电机驱动板用铜柱加螺丝的方式装到电池盒前方位置。四是将扩展板与开发板通过插针方式组装到一起，并用铜柱加螺丝的方式装到电机驱动板的前边。五是将超声波传感器装到支架上，通过螺丝安装到开发板前边，小车底盘的最前方，最后根据需要将各器件通过杜邦线连接起来。
（二）教学使用
因为这种方案与课本上所用到的硬件有所区别，虽然功能更强大，但学生理解起来也有一定困难，在教学过程中，要给学生补充一些基础知识：如主控板就是一台小电脑，这台小电脑通过14个数字口和6个模拟口与我们交互，我们控制外部设备，就是读取这些管脚的数值，或给这些管脚发出信号。
另外在实际教学中，要引导学生观察、分析、动手探索来掌握知识。比如第9课，可以引导学生观察光敏传感器连接在哪个口上（A0口），想知道当前光线的强弱，就要读取A0口的数据，引导学生看一下哪条指令能实现这个功能，进而得出结论：读取管脚A0的模拟量。还有在第11、12课上，主要就是控制电机正转、反转、调速，可以通过第11课，让学生通过控制5、6口来使电机正、反转、变速转，掌握电机控制方法后，第12课智能小车的部分，就可以放手让学生自己动手编写程序，实现避障小车的功能。
三、总结反思
通过对开源硬件的分析，我梳理信息、确定方向，在经济、适用、扩展的原则下，进行了开源硬件配备的探索，并最终完成了配备。这套硬件最成功的地方有两点：一是在经济适用性方面，整套硬件不到80元钱，既满足了教学要求，又节约了办学资金。二是这套硬件用的是原始架构，未经过封装，因此具有良好的兼容性。比如要做一个防盗实验，只需2元钱购买一个适用的微波雷达感应开关模块就可以完成实验，这就为创客社团活动提供了便利。
当然在探索过程中，也发现了一些问题。由于这套硬件是未经二次封装的，这在兼容性方面是优势，但在其它方面就有些问题了，比如操作麻烦，教材中一条指令能实现的功能，在这套硬件上很可能要通过两条指令来实现，理解起来也有一定困难。
现在，开源硬件、物联网、3D打印、APP应用已经进入了小学信息技术教材，这给我们信息技术教师也提出了更高的要求，要给学生一碗水，教师自己首先要有一桶水。要刻不容缓的学习、提高，要跟上时代发展的步伐，做一名合格的信息技术教师。
论文作者:孙竹胜
论文发表刊物:《知识-力量》2019年8月22期
论文发表时间:2019/4/22
标签：硬件论文; 开源论文; 配备论文; 电机论文; 教材论文; 信息技术论文; 小车论文; 《知识-力量》2019年8月22期论文;