将树莓派引入高中信息技术课堂的探讨和分析
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作者:靳孝芳
摘 要 分析树莓派与Arduino的区别，对比二者的优劣势，探讨引入树莓派对学生学科核心素养培养的作用和意义，同时分析引入树莓派对教师专业发展的影响。
关键词 树莓派;Arduino;高中;信息技术;学科核心素养
中图分类号：G633.67 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）23-0040-03
1 前言
在信息技术课程中，基于開源硬件的课程设计与实施有益于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力。随着《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的公布，如何加强信息技术学科核心素养的培养，成为高中信息技术教师亟待解决的问题。近年来，笔者所在学校在高中学生信息素养的培养方面进行了初步探索，引入开源硬件类相关课程，旨在通过课程培养学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等。树莓派课程在国内高中学校中开设的并不多，但是树莓派在学生创新教育培养方面有很大的优势，高中信息技术教师应积极探索树莓派的教育教学方法和模式。
2 树莓派简介
树莓派硬件简介 树莓派是英国剑桥大学开发的搭载ARM架构处理器的微型计算机主机，目的在于推进儿童和成人在计算机科学和相关学科方面的教育。树莓派是含CPU和内存的Mini主板，它的体积约等于一张信用卡，但是可以搭载Linux、Windows操作系统，里面配有Python、Java、
C等语言。树莓派以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有USB接口、以太网卡，可以接入鼠标、键盘和网线;同时，树莓派有HDMI高清视频输出接口和视频模拟信号的电视输出接口。树莓派有多种传感器，包括声音、光线、温度、湿度、灰尘等各类传感器，通过这些传感器可以感知外部的变化。
树莓派使用现状 国外很多学校开设有树莓派课程，并有完整的教学培训和教学应用。在这些学校中，树莓派主要应用于中小学计算机编程教育，教学流程包括教、学、做三个环节，分别是教师教学、学生学习、学生和教师一起完成项目。自2012年起，树莓派基金会联合英国剑桥大学和英国计算机协会等机构，陆续开展各种教学活动和研讨会，为中小学培训了数千名树莓派的优秀教师，为树莓派在教学活动中的应用奠定坚实的基础。
在国内，树莓派已经应用于部分高校，并使用树莓派开发设计出多种系统，如于志强的基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统、王节旺的雷电预警系统等。部分学者已经开始关注将树莓派应用于教学设计，如汪琴的基于树莓派的高级语言程存设计类课程教学研究，李文胜的基于树莓派的嵌入式Linux开发教学探索。
目前，树莓派全球销量已经过百万，树莓派已经广泛应用在物联网、智能家居、机器人、工业控制、教育教学等方面。但是树莓派在高中信息技术教学中的应用还比较少，树莓派强大的功能和推进计算机教育的设计，使得它在推进信息技术学科核心素养的进程中必定能发挥重大的作用。
3 树莓派与其他开源硬件的比较
目前，国内高中阶段学校引入的开源硬件课程中多为Arduino。Arduino自2005年推出以来，受到电子爱好者的推崇。Arduino和树莓派看起来很相似，都是小型的电路板，但是在功能、性能、价格等方面有很大区别。
1）树莓派是电路板，但是它有SD卡，SD卡里只需要烧录一次操作系统，之后可以在这个SD卡上编写多个程序，不需要再次烧录。Arduino也是一个电路板，可以通过USB同计算机通信。Arduino实现一个功能或设计，编写好程序后，需要把程序烧录在电路板上;每次有新功能或者新需求时，电路板都需要重新烧录。
2）Arduino UNO是学校最常用的型号，它是工业领域中常见的8-bit ATMEGA328，运行频率最高仅为20 MHz，而树莓派却有一颗运行在700 MHz的ARM11 CPU。
3）树莓派可以运行完整的操作系统，意味着可以用熟练的语言和库进行开发。目前，人工智能使用的Python语言就可以用在树莓派上。而Arduino使用C语言编写程序，C语言是面向过程的语言。
4）树莓派自带的接口比较全面，USB、HDMI、网线、SD读卡器等;而Arduino的接口比较单一，与外部设备通信需要另外购置接口板。
5）树莓派的安装过程比较烦琐，需要烧录操作系统到内存卡上，通过串口配置IP，开启SSH连接，设置网络连接等，这些过程会用到Linux命令和网络知识。而Arduino的安装很简单，只需要通过USB将Arduino与计算机连接就可以。
6）树莓派价格相对高昂，一个树莓派初级套件价格约为400元人民币。而Arduino初级套件价格是树莓派的一半，约为200元人民币。
4 树莓派课程对学生学科核心素养的培养
增强学生信息意识 当今时代是信息的时代，海量的信息不断地冲击人们。学生从高中阶段就应该培养信息意识，有意识地挖掘有价值的信息，提取信息背后的有价值的知识。树莓派在国内高中阶段学校的普及率不高，但是在国外已经成为高中学生的必修课之一。在树莓派课程开发和设计过程中，教师会结合树莓派使用的场景（如工业控制、智能家居、家庭防盗、探索太空等）提供学习资料，并结合树莓派官网的视频案例进行讲解，通过这些学习资料和视频案例，引导学生理解树莓派的功能和应用，思考树莓派可以解决学习和生活中的什么问题，并提出创意。
促进计算思维能力培养 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计和人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。由于计算思维是借助计算机科学基础概念进行的思维活动，因此，它是信息技术课在思维培养层面的教学目标。将树莓派引入高中信息技术课堂，可以促进学生计算思维能力的培养，主要体现在以下几个方面。 1）树莓派虽小，但是它的功能和普通计算机一致。树莓派可以做很多计算机能做的事情，可以利用树莓派在课堂上创作一些解决现实问题的小产品，如闹钟、空气指数显示器、数字温度计、广告灯、音乐盒等。这些创意作品会使用到开源硬件课程中基本的电子元件，教师通过对电子元件的介绍和现实生活中实际问题的描述，由学生用对应电子元件解决问题，从而完成创意作品。学生通过创作这些小产品，完成从基本概念到问题求解的过程。
2）树莓派也可以完成计算机不能完成的事情，如实时拍照摄像的监控系统、室内温度监控器、红外感应报警器等。随着课程的推进，学生对基础内容的熟悉和掌握，教师可让学生思考用树莓派去实现智能家居、智慧城市、智能医疗、无人驾驶等方向需要的装置或系统。通过对前沿技术的探索，对问题认真思考，培养学生的系统设计和实现能力。
提高数字化学习和创新能力 树莓派可以搭载Linux系统，而国内大多数中学使用的系统基本是Windows系统。Linux系统是一款免费的操作系统，它有支持多用户、多任务，可以运行在多种硬件平台的优点，这些优点使得Linux操作系统被互联网公司和学术研究者青睐。高中学生不应该拘泥于Windows上的Office、Flash等，而应该和欧美国家的高中学生一样学习Linux的基础命令和文件系统。
树莓派中可以使用Python、C、Java、Scratch等开发语言，其中Python是目前流行的人工智能使用的语言。Python是一种代表简单主义思想的语言，有接近人类自然语言的语法。Python解释型的脚本语言不需要编译。树莓派为Python编程提供了一个便宜到令人无法置信的开发平台。近几年，国内高中阶段的编程语言多是积木式编程，如Scratch、Mixly等，并不能真正提高学生的数字化学习能力。目前，学生可以从Python官网下载Python最新的安装包，同时可以查看Python社区论坛的讨论。如果学生的英文水平不强，国内也有多个Python相关网站可以进行学习。
树莓派的官方网站也提供了很多树莓派的学习资料，社区有来自世界各地的树莓派爱好者的分享和交流，Blog中记录树莓派学习者的项目经验和创意作品实现。树莓派在国外高中学校普及率很高，所以学生应该多通过树莓派官网了解国外学生的学习过程和创意想法。
提高社会责任感 在学习树莓派的过程中，教师会对比国内外的现状，很多最新的技术都源自欧洲或美国等发达国家。近年来，我国各项技术也取得长足进步，但在科技领域鲜有发明。在学习树莓派、Python这些内容的同时，应该让学生多学习国外技术人员追求极致、敢于创新的科学精神，在未来的学习生活中为国家的科技进步作出贡献。
5 树莓派课程对教师素质的提升
提高教师教学研究能力 信息技术学科是一门不断实践、不断探索的学科。教师在教学过程中组织和实施教学活动，学生在学习过程中不断向教师反馈学习状态，教师给予指导，并根据学生的反馈做出调整，从而改进教学效果。教师不断改进教学内容，不断完善教学方法，不断修订教学进度，逐渐达到教学的最优化。因此，这就要求教师具有教学设计和研究能力，针对教学过程进行评价，不断反思，改进教学，不断总结经验。将树莓派引入信息技术课堂，教师在教学过程中应根据学生学情不断进行教学研究和探讨，从而提高教师的教学研究能力。
提高教师自我学习能力 目前，高中信息技术教师多采用Windows系统进行教学，对Linux系统的掌握不够精通。Linux系统的学习对高中信息技术学科教师来说不是特别难，通过努力，一定可以取得很好的学习效果，为学生带来全新的学习体验。
树莓派国内高中阶段学习资料较少，教师需要浏览国外网站，这就需要提高英文阅读水平。同时，树莓派项目设计需要了解当前的技术热点，要求教师平时多留心技术热点和技术难题，深入研究，将技术热点经过学习消化转换成简单易懂的教学材料;将技术难题与生活融合，形成学生可以实现的模型。
6 结语
本文对Arduino与树莓派在功能、性能、价格等方面进行了对比，二者各有优劣。但是树莓派可以实现更多Arduino无法实现的高级功能，有目前学术界和互联网公司使用较多的Linux操作系统和Python语言。在高中阶段将树莓派引入课堂，可以开阔学生的视野，培養学生的学科核心素养。同时，通过对这些新兴技术的学习和实践，也有利于教师的专业发展。
参考文献
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[9]王节旺，王瑞宝.基于树莓派的雷电预警系统设计方案[J].电子设计工程，2016（1）：169-171，174.
作者：靳孝芳，北京师范大学第二附属中学未来科技城学校，中学二级教师（102209）。
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