開源硬件：撬動創客教育實踐的杠桿 *

雒 亮， 祝智庭

(1.華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062；2.華東師范大學 上海數字化教育裝備工程技術研究中心，上海 200062)

一、引言

新產業革命的賦權，使科學技術創新不再僅僅集中于科層化管理的大型企業當中，以草根為中心的產品創新與生產制造成為可能。這個過程中有一群人，他們透過互聯網和共同體活動空間，整合資源與服務，將創意轉化成為制品，從而實現價值，這群人就是創客?？死锼埂ぐ驳律J為，創客是指把具備相當的技術挑戰的創意轉變為現實的人，應具備一定的知識基礎和創新、實踐、共享、交流的能力與意識。從廣義上講“我們都是創客，生來如此”[1]，烹飪、種植、縫紉、串珠子或十字繡，這些閃現著人類創意、夢想與激情的創作過程都是創客的活動。而如今的創客，更多是指那些興趣主要集中在電子、機械、機器人、3D打印等以工程化為導向的主題的人。創客高手可以熟練使用CNC激光雕刻機等工具，深諳傳統的金屬加工、木工及藝術創作技藝，善于挖掘新技術、鼓勵創新與原型化。注重在實踐中學習新知識，并加以創造性地使用，是“知行合一”的忠實實踐者[2]。

創客的這些特質與“在實踐中教學”的教育思想有很高的契合度。因此，近年熱度越來高的創客運動，也逐漸引起教育界人士的思考與共鳴[3]。美國新媒體聯盟2014年高等教育版的地平線報告指出，世界各地大學教學實踐的焦點正在發生轉移，各個學科的學生正在通過制作和創造的方式進行學習，而不再是課程內容的單純消費者[4]。實際上，不僅是高等院校，世界各地不斷涌現出的創客空間也包括許多面向基礎教育階段學習者的范例。如美國巴爾的摩市電子港科技中心(Digital Harbor Tech Center)為公立學校中小學生建立的創客空間，馬薩諸塞州達克斯伯里免費圖書館(Duxbury Free Library)的杰西卡·拉馬爾為四年級以上小學生建立的兒童圖書館創客空間[5]，我國浙江溫州中學謝作如老師為該校學生建立的“DF創客空間”等。這些范例分別代表科技館、圖書館、學校三種不同的創客空間構建模式，雖然在運營機制上略有區別，但他們均有共同的特征，即以項目驅動學習，而且這大多數的創客學習項目也都不約而同地使用了同一類開發工具，即開源硬件。

二、開源硬件的概念、歷史與發展

開源硬件(Open Source Hardware)是指用與自由及開源軟件相同的方式設計的計算機和電子硬件[6]。開源硬件設計者通常會公布詳細的硬件設計資料，如機械圖、電路圖、物料清單、PCB版圖、HDL源碼和IC版圖，以及驅動開源硬件的軟件開發工具包等。作為開源文化的一部分，開源硬件受開源軟件的啟發而確立，并擴展了開源的概念域，但其實踐歷史卻比開源或開放軟件還早，可追溯到集成電路發展初期[7][8]。

20世紀 60至70年代，隨著集成電路中大規模TTL集成電路技術的出現，業余無線電獲得較大的發展，大批“火腿族”(HAM)為了交流、傳播思想開始DIY自己的電臺[9]。80年代到90年代，出現了超大規模集成電路，硬件設計門檻越來越高，設計方法也發生了很大變化，出現了電子設計自動化(EDA)技術，也誕生了很多免費的電子設計自動化軟件，如Electric、XCircuit等[10]，硬件愛好者們可以便捷地使用這些工具設計電路。開源硬件概念正式確立源自1997年，開源運動的發起人之一，也是無線電發燒友(HAM)的布魯斯·佩倫斯首次發起的“開源硬件認證計劃”[11]。其目的是為了讓硬件制造商能夠自行認證他們的開放硬件產品。該計劃允許用戶為設備更換操作系統，同時確保即使制造商倒閉，仍能有人為設備編寫新的軟件。1998年，荷蘭代爾夫特理工大學的雷納德·朗伯茨在互聯網上建立了第一個開源硬件協作項目組Open Design Circuits，致力于協作設計開放、低成本的電路。朗伯茨之后創立了opencores.org開源社區，關注數字模塊中的IP核部分，是目前世界最大的開源硬件IP核社區，總共匯集了將近900個項目[12]。其中最著名的項目是基于ASIC設計的OpenRISC1000開源處理器。

然而，由于半導體產業的特殊性，即使開源硬件在設計上已經沒有障礙，但由于流片和生產成本過高，又無法通過規模生產來降低成本，因而開源硬件的發展一度深處困境，一些最初的開源硬件項目一度難以維持。進入21世紀，開源軟件的流行以及包括Google在內的開源企業取得的巨大商業成功，再一次刺激了開源硬件的發展。隨著FPGA的發展和SoC設計的出現，嵌入式系統市場的快速擴張，使得開源硬件一度面臨的流片和生產成本過高的問題得以解決。這一時期比較著名的項目包括Facebook設立的開源計算機項目(Open Computer Project)； Arduino、BeagleBoard等基于FPGA的開源硬件開發平臺項目，MakerBot、Egg-Bot等開源桌面3D打印機項目等[13]。特別是Arduino等開源硬件開發平臺的出現，使得電子發燒友(創客)們像無線電時代一樣，又擁有了可以通過設計、開發實現創意的簡單便宜的平臺工具。此外，部分先行者在從事進一步提升開源硬件效能的研究，如半導體芯片硅工藝替代技術(如碳納米管、砷化銦等)，符合“Good Enough”原則系統的設計的研究。

開源硬件項目蓬勃發展的同時，開源硬件組織也不斷成熟。一些專業協會組織不斷出現，如2009年成立的開源硬件與設計聯盟(Open Source Hardware and Design Alliance)，2012年成立的開源硬件協會(Open Source Hardware Association)。相關組織與研究者也在著手從事開源硬件規范制定的工作，如開源硬件規范(Open Source Hardware Definition 1.0[14])，歐洲核子研究組織開源硬件許可證(CERN OHL)等。行業內最高級別的開源硬件峰會(Open Hardware Summit)自2010年以來，也已經成功舉行了五屆。開源硬件思想已滲透至硬件設計的各個層面，各種類型、大小的共同體不斷涌現，開源硬件作為產業已經走上成熟發展的道路。

三、開源硬件的優勢及其對創客教育的影響

開源硬件并不僅僅是硬件設計方法的開放，而更多地是體現了一種創新理念的開放。這種理念堅信從分享中所獲多于自身付出。當開發者不再受專利授權所困，越來越多地公開分享他們的創新時，他們便能借此獲得越來越多的免費幫助，進而改進自己的發明。由此引發的迭代創新的速度，甚至快過傳統企業申請專利的速度?？死锼埂ぐ驳律璂IY Drones無人機項目就是很好的例子，起初只是安德森出于興趣建立的DIY Drones社區，現已有超過5萬的注冊會員，超過1萬篇的博文，超過200萬頁的無人機制造資料供分享[15]。這些資料的共享者就包括曾經“山寨”其產品的創客“HAZY”[16]。開發者透過DIY Drones社區積極交流對無人機的看法，并基于開源硬件平臺協作制造、改進無人機。由此生產出的無人機產品，其功能甚至可以媲美航空工業壟斷企業制造的價值百萬美元的同類產品。類似的眾多創客項目實例，已經不斷通過事實證明“開源環境中的創造比秘密進行的發明速度更快、成本更低、效果更好”[17]。隨著創客運動的不斷發展，甚至連Intel這樣傳統的閉源硬件產業巨頭，都嗅到了開源硬件中散發出的巨大利益，急切地加入到產業鏈當中，準備為創客的開源硬件“軍火庫”擴充“軍備”。隨著創客運動發展而不斷壯大的開源硬件社區，以及不斷豐富的開源硬件產品線，剛好也為創客教育這場“戰役”提供了充裕的物資保障與精神動力。開源硬件對創客教育的影響主要體現在下述三個方面。

(一)成本優勢加快創客教育的普及

開源硬件從硬件設計(如電路圖、材料列表和電路板布局數據)，到驅動、軟件開發工具包(SDK)均是開放授權并可免費獲得的，除生產、銷售過程中可能產生的物料、人工、倉儲等成本外其他成本接近于零。此外，市場上的開源硬件按功能不同，也有不同層次的價格分級。于是，基礎教育學校、科技館、公立圖書館與社區活動中心等具有不同建設經費來源和規模需求的創客教育實踐[18][19]，便可按照資金投入水平和功能需求不同，選擇不同價格層次、不同組合的開源硬件，靈活地控制成本，形成不同規模的創客空間建設方案，開發不同層次的課程內容，開展不同類型的教學實踐。如預算不足，僅投資購買由Arduino開發板、基礎傳感器和電路元器件組成的入門開發套件，即可完成諸如LED控制、溫度傳感、火焰報警、舵機控制、紅外遙控等數十個實驗項目，而類似的入門開發套件在淘寶網的售價僅是160元左右。如資金充裕，則可在入門套件的基礎上購買更多功能豐富的傳感器、擴展板，購置手工鋸、錘子、銼刀、電烙鐵等基礎加工工具，小型車床、銑床、鉆床、電鉆、角磨機、切割機等進階加工工具，甚至添置CNC、激光切割機、3D打印機等大型設備。實踐者亦可采取增量升級的方式添置上述設備，這樣不但能夠在逐步擴大規模的同時緩解經費壓力，還能使教師不斷提升教學實踐能力，使學習者不斷獲得新鮮的學習體驗，并逐步深入創客教育，完成更具挑戰性的學習任務。最終，開源硬件在成本方面的優勢，可以使創客教育普及的步伐得到加速。

(二)完整的產業鏈生態圈提升創客教育的實施效率

面向正規教育學習者的基礎教育學校，面向全體社會公民的科技館、公立圖書館及社區活動中心，不同背景的創客教育實踐擁有不同的目標，所面對的學習者的年齡階段與學習特征也不盡相同。隨著創客運動市場化進程的不斷加速，從創客項目孵化器眾籌平臺(如Kickstarter、創客星球)，到硬件提供商(如Seeedstudio)，再到互聯網創客社區(如DFRobot、DIY Drones)，開源硬件已經快速形成了一套完整的產業鏈生態圈。開源硬件產品種類更加細化，功能更加多樣，項目案例更加豐富，支持服務也更加完善。這一生態圈為擁有不同目標的創客教育實踐提供了豐富的各類資源。不同背景的創客教育實踐者可根據需求，選擇相適應的硬件產品構建教育創客空間，參照創客項目案例設計學習項目，并開展創客課程教學活動。創客教育的實施效率將得以全面提升。

(三)協作迭代的產品更新理念促進學習者成長

創客們不斷創造的同時也在不斷改進所使用的開源硬件，使之不斷完善。與開源軟件(如Linux)類似，開源硬件的不斷完善也是基于協作的迭代升級機制。這種升級機制，促使創客從Do it yourself轉變成為Do it together，并鼓勵所有開發者參與其中。無論是小學生還是社區老年大學的業余愛好者，“菜鳥”還是“大俠”，只要能夠為開源硬件的升級完善做出貢獻，都能得到與貢獻相匹配的榮譽、尊重，甚至是回報[20]。這種機制為創客教育中的學習者們提供了一種“合法的邊緣性參與”的機會，促使學習者不斷深入學習，向“中心參與”靠攏。而這一個過程恰恰就是一個學習者成長的過程。學習者個體從這個過程中收獲的，是包括人際溝通、團隊協作、創新問題解決、批判性思維和專業技能等在內的全方位的成長。

四、創客教育中的開源硬件工具

(一)開源硬件開發平臺

從3D打印機到各類可穿戴設備，大多數開源硬件創客項目均是基于開源硬件開發平臺開發的。開源硬件開發平臺是一塊嵌入式芯片開發板，創客們的設計、開發、調試設備都是圍繞這塊主板進行的。對創客教育而言，開源硬件開發平臺也是其最主要的“戰術武器”。學習者只有掌握了平臺的使用方法，才能開展相應的創客學習項目，并從中獲得成長。據統計，市場上常見的開源硬件開發平臺有50余種[21]，從功能、價格、開發難度、擴展硬件支持、用戶群容量與服務支持、項目案例容量等角度進行考察，研究認為下述幾種是最適合用于創客教育的開源硬件平臺。

1.Arduino

Arduino是最常見的一款開源平臺，硬件包含各種型號的Arduino官方板(較常用的型號是Arduino UNO)，和驅動各種硬件、傳感器的擴展板(Shields)，軟件開發工具是 Arduino IDE。由意大利教師馬西莫·班茲和西班牙晶片工程師大衛·夸鐵雷斯于2005年聯手設計開發。起因是學生們經常抱怨找不到便宜好用的微控制器，平臺使用班茲學生大衛·梅利斯提供的程序設計語言。三人秉承設計時的開放源碼理念，把設計圖放到了網上，允許任何人生產電路板的復制品，亦能重新設計，現在市場上大量的Arduino板均以此為基礎[22][23]。Arduino擁有類似Java，C語言的開發環境，即Arduino IDE。上海“新車間”的創客何琪辰為Arduino編寫的ArduBlock可視化編程插件，讓學習者可以用圖形化積木搭建的方式編寫Arduino程序，進一步降低了Arduino開發入門的難度。Arduino的優勢：(1)便宜，官網售價24.28美元，淘寶網開發者入門套件(包含主板、各種常用傳感器、面包板、電阻、遙控器、電機燈配件)僅售158元，可以完成大多數基礎實驗；(2)簡單，是所有開源平臺中最易上手的平臺，因此在包括溫州中學等在內的創客教育實踐均使用此主板作為入門；(3)用戶基數大，擁有龐大的網絡社區用戶、大量的示例項目和教程，并且可以輕松地與其他外部設備連接。Arduino的劣勢：(1)處理能力較低，CPU主頻僅16Mhz，RAM 2KB，ROM 32KB，相較于其他平臺處理能力偏弱；(2)無通用接口，沒有網絡、USB、視音頻輸出等接口，因此無法兼容普通PC通用外接設備。

2.BeagleBoard

Beagleboard是德州儀器與得捷電子、e絡盟合作生產的低能耗開源開發平臺，也是德州儀器OMAP3530芯片的展示板。設計小組最初設計這款主板的目的是為了在高校教學中展示開源硬件、軟件的能力。BeagleBoard初版于2011年10月發布，CPU為720Mhz的 Sitara ARM Cortex-A8，RAM 256MB，初始定價89美元。升級版BeagleBoard Black于2013年4月23日發布，售價45美元，CPU主頻增至1GHz，RAM 512MB，還增加了HDMI輸出和2GB的eMMC閃存[24]。BeagleBoard的優勢：(1)處理能力更強，CPU處理能力更強，內存更大；(2)擴展性強，Black版內置2GB ROM，亦可通過MicroSD(TF)插槽擴展存儲，此外還包含了HDMI接口、USB接口等通用接口，可兼容普通PC輸入輸出設備；(3)可運行Linux系統，作為準系統、微型桌面機運行。Beagleboard的劣勢：(1)價格略高；(2)開發難度比Arduino高。

3.樹莓派

樹莓派由英國樹莓派基金會開發，項目發起人是埃本·厄普頓。通過e絡盟、歐時電子兩家公司許可證生產，上市后受到創客和硬件發燒友歡迎。截止2014年10月，已售出大約380萬塊樹莓派開發主板[25]。該主板集成一顆博通ARM11架構的BCM2835 CPU，主頻700Mhz，A型主板256MB內存1個USB接口，B型版升級為512MB內存2個USB接口，B+版進一步擴展到4個USB接口?？砂惭bLinux系統，支持1080P視頻硬解碼，A型售價25美元，B型B+型均為35美元[26]。樹莓派的優勢：(1)價格適中，價格介于Arduino和BeagleBoard之間，功能性價比高；(2)兼容性強，接口豐富，可實現PC的基本功能，兼容PC外接設備；(3)用戶基數大，與Arduino類似，擁有龐大的網絡社區用戶、大量的示例項目和教程。樹莓派的劣勢：(1)價格略高，主板價格比Arduino高比BeagleBoard低，但由于無板載ROM，運行系統必須添加MicroSD存儲卡，因此平臺整體花費相對較高；(2)開發難度略高，對開發者計算機系統、編程知識的要求相對Arduino更高。

4.pcDuino

pcDuino平臺由武漢聯思普瑞公司的劉靖峰博士及其研發團隊開發。最新的V3系列包含三款主板，均采用一顆全志A20 ARM Cortex A7架構主頻為1Ghz的雙核CPU，1GB RAM，4GB ROM，同時支持microSD和SATA接口。系列三款主板中性能指標最高的V3+型支持WiFi和千兆有線網絡[27]。該平臺最大的特點是能夠把開源軟件Linux和硬件Arduino生態鏈整合起來，一方面全面支持Arduino的擴展板和針腳接口，另一方面支持多種編程語言。如該平臺支持Cloud 9云編程工具，開發者可無需在本機部署開發環境，直接使用Cloud 9云編程工具結合pcDuino板載的Wi-Fi功能無線訪問、控制主板。該平臺還支持麻省理工開發的專門面向兒童的簡易開源編程工具Scratch，Scratch的命令和參數通過積木形狀的模塊來實現，即使學習者不認識英文單詞，不會使用鍵盤，也能通過鼠標拖動模塊“拼接”程序，這就使得pcDuino也同Arduino一樣具有極低的門檻，適合更低年齡段的創客教育實踐。pcDuino的優勢：(1)性能強大，雙核A7 1Ghz CPU處理性能勝過Arduino、BeagleBoard和樹莓派，由于配備SATA接口，可連接大容量存儲設備，再加上本身集成無線網絡，整體性能接近PC；(2)兼容性好，完全兼容Arduino Uno擴展板(Shield)接口與代碼，兼容大量PC 外接設備；(3)支持的開發語言更豐富。pcDuino的缺點：(1)價格高，幾乎是所有主板里最貴的；(2)體積大，性能最強的V3+版本不適宜小型項目制品的開發；(3)功耗略高，用在電池供電并需要長時間續航(如無人機、四軸飛行器等)的項目制品上無優勢。

5.Edison

Edison由Intel中國研究院開發，于2014年9月Intel信息技術峰會(Intel Developer Forum)上正式發布，是一枚只有SD卡般大小的開發板，內含一顆22nm 500Mhz Silvermount架構的Atom雙核CPU和一顆100Mhz Quark MCU，同時集成Wi-Fi和藍牙4.0，板載1GB RAM，集成4GB eMMC Flash，還有個70針的接口，可以外接USB,SD,UARTs,GPIOs等，定價約50美元。Edison的優勢：(1)體積小，SD卡般的大小給創客項目開發帶來無限可能，尤其是在開發可穿戴設備時；(2)集成無線網絡，集成Wi-Fi和藍牙給開發者帶來很大的便利，而Arduino、樹莓派、BeagleBoard等如需相關功能得外接設備，相較Edison體積進一步增大；(3)處理性能強大，雖主頻僅有500Mhz，但由于是采用Silvermount架構的Atom CPU，因此性能強過現有其他平臺ARM架構CPU；(4)Intel設計，Intel 還為它專門準備了一個應用商店，將來還會增加特別版本對Wolfram編程語言的支持[28]。Edison的劣勢：(1)價格略高；(2)目前用戶基數小，由于新出，無論網絡社區用戶、項目示例、教程等目前都相對匱乏，因此更適合高級開發者。

綜合每種平臺的優缺點，每種平臺都有自己的特點，不存在完美的解決方案，實踐者可參照每種平臺的特征根據實際需求選擇合適的平臺。而從現有的創客教育實踐案例中可以看出，Arduino是使用最廣、最適宜于入門學習的平臺。在更高級的或偏重多媒體功能開發的項目中，則可選擇BeagleBoard、樹莓派、或性能更高的PCDuino。三者中，PCDuino性能最高，兼容性更好，但價格偏高，體積、功耗更大；BeagleBoard性能強，功耗更低；樹莓派平臺使用量較大，開發案例多；而Intel Edison由于性能體積比的優勢，更適于那些對所開發設備的體積有較高要求的學習項目，如可穿戴設備的開發。

(二)積木式開源硬件

開源硬件開發平臺均涉及程序設計，即便有ArduBlock、Scratch這樣的圖形化的編程工具的支持，但對學生認知發展水平仍有一定要求，這就使得現有基礎教育階段基于開源硬件的創客教育實踐主要集中于初中至高中學段。而新近出現的積木式開源硬件，則進一步降低了開源硬件開發難度的門檻。如果開源硬件開發平臺是創客教育常規的“戰術武器”，積木式開源硬件則是創客教育的“秘密武器”。LittleBits是這一類型開源硬件的典型代表。

2009年4月，LittleBits由阿雅·布黛爾在一次創客展上展出，當即便獲得了大量觀眾的好評。該項目獲得麻省理工媒體實驗室創立者《數字化生存》的作者尼古拉斯·尼葛洛龐帝及主管伊藤穰一的資金支持。2011年LittleBits被紐約當代藝術館作為永久展品收藏[29]。LittleBits就像是電子版的樂高積木，與樂高的卡扣不同，LittleBits模塊間采用磁性吸附。用戶可以用模塊化的電子器件拼接成各種物件。目前LittleBits擁有超過60種不同的模塊，包括電機、各類傳感器等[30]。創客們可以藉此制造出可靠好用的電路系統，最新的CloudBit模塊甚至可以將電路連接至互聯網，從而擴展了LittleBits的創意空間，創客們可以通過移動設備遠程控制電路或接收反饋信息，構造如智能家居等的項目。LittleBits對電路知識的要求幾乎為零，不需要編程、焊接等工序。按照設計創客們幾分鐘內就可構建出想要的作品，如吉他、自行車、機器人等。創客們會把好的創意項目共享在Github或官網的開源社區上。官網bitsLab專區則更能體現開源硬件協作創新的理念，創客們將自己設計的電路模塊設計方案上傳到該專區，如獲得1000以上用戶的支持，LittleBits就會生產該模塊，設計者從中可以獲得榮譽甚至是獎金。LittleBits宣稱為8歲以上的所有人設計，但在其官網的教育案例專區中也有很多更低年齡的創客教育實踐案例可供實踐者參考。

五、開源硬件創客教育實踐案例

從LittleBits到Arduino，從樹莓派、BeagleBoard到pcDuino，再到Edison，具有不同特征的開源硬件為創客教育的實踐提供了豐富且各具特色的解決方案。近年國內外的實踐者們，也在使用這些工具自發地開展創客教育的實踐。這一過程中涌現出一些典型的學習者、教師、活動、課程、項目作品范例。

(一)西爾維婭·托德與她的“創客秀”

13歲的西爾維婭·托德來自加利福尼亞州奧本市。幾年前在參觀了一場創客展(Make Faire)后，原本就對制造修理很感興趣的西爾維婭，在父親的鼓勵下創建了一個名為“西爾維婭的超帥創客秀”的網站。網站上的西爾維婭通過視頻、博文等方式與他人分享創造帶來的樂趣與收獲。西爾維婭展示的作品覆蓋了從業余火箭到可縫紉電路等的各種項目，這些項目大多基于開源硬件構建。“創客秀”頗受歡迎，激勵了不少不同年齡段的學習者學習開源硬件并嘗試創造，不久就累積到150萬次的瀏覽量，同時也引起了教育研究者的注意。2012年西爾維婭受教育技術學者加里·斯泰格的邀請參加了其教師培訓學院的培訓項目，以幫助受訓教師的專業發展[31][32]。西爾維婭最著名的創客項目是其2012年設計制造的水彩機器人(WaterColorBot)。這個機器人可以通過一只畫筆，把使用者繪制的數字彩色圖案實時地繪制在紙上。該項目基于樹莓派平臺構建，其原理是使用者通過iPad等無線設備端的軟件繪制圖案，樹莓派則通過無線網絡擴展板接收信息，并驅動一個機械結構控制畫筆在XY兩個軸上移動，沾取不同顏色的水彩，并在一張紙上繪出圖案。該項目獲得創客雜志的推薦，代表創客共同體參加了2013年度的白宮青少年科學展覽會，奧巴馬總統在參觀后，興致勃勃地用水彩機器人繪制了一副“加油STEM教育”的作品[33]。之后西爾維婭與一家企業聯手組建團隊，將水彩機器人項目放在眾籌平臺Kickstarter上，并在兩周內就募集到足夠批量生產的資金?；陂_源硬件的創客項目促使西爾維婭從一名“邊緣性參與”的業余愛好者變成了“中心參與”的創客，也使她成長成為一名優秀創客教育實踐者，而13歲的她的創客教育實踐也還在繼續。2014年，她推出了一套的紙質繪本教材，運用生動的繪畫來講授Arduino入門知識，以幫助更多的小朋友接觸開源硬件，體驗創造的魅力。

(二)科勒和她的四年級地區學校挑戰賽

特雷西·科勒博士是佛羅里達州柯里爾郡公立學校STEM資源、教育技術與媒體服務部的教師，在她的引導和組織下，2014年在柯里爾郡舉行了一場由120位公立學校4年級學生參加的創客挑戰賽，并大獲成功?？评諏㈤_源硬件LittleBits引入該郡，并與公立學校的老師一起嘗試將LittleBits整合入數學、科學課程。首先，她將全郡公立學校的實踐課教師召集在一起，讓老師們組成協作學習小組，用一天的時間熟悉了LittleBits電路構建的方法。之后，她讓這些教師回到自己的學校，用同樣的協作學習策略指導四年級的學生熟悉LittleBits的基本操作方法。通過數周的常規學習，學生已能完全掌握LittleBits指導手冊上的電路搭建。教師開始允許學生自由組成小組，圍繞一個主題自行發揮想象去創造，不同小組創作出了各具特色的作品，通過班級和年級兩次投票每個學校都選出了該校的代表組。最終，30個代表不同學校的小組齊聚一堂?？评战o出了終極考題，小組們被要求在三個小時內，在各自不同的創客空間內利用提供的LittleBits套件和擴展模塊，圍繞給定主題通過協作完成創作，而他們的老師只能在一旁觀看。通過對小組項目完成過程中的合作情況以及作品的打分，來自月桂橡小學的小組獲得了優勝[34]。圖1為小組作品展示。

圖 1 挑戰賽中一個小組展示基于LittleBits創造的作品

在科勒及她的同僚們的實踐中，四年級的小學生并沒有表現出對開源硬件的畏懼，相反體現出了巨大的熱情與創造力。科勒的實踐也可以證明，基于恰當的工具與合適的方法，在小學階段開展基于開源硬件的創客教育也是完全可行的。

(三)教師、課程、項目作品——謝作如與他的“DF創客空間”實踐

相比國外STEM范疇下的開源硬件創客教育實踐，國內的實踐目前還多是卓越教師的自發探索，雖是探索但與國外相比卻毫不遜色。最典型的是浙江溫州中學謝作如老師與他的“DF創客空間”實踐。溫州中學一直有科技教育的傳統，并鼓勵學生開展研究性學習。主持或參與一項課題研究是學生在校三年必須完成的學習任務[35]。2013年在上?！靶萝囬g”創客李大維的建議下，謝老師將學校社團“科技制作社”改造成一間面向學校三個校區學生開放的創客空間，取名“DF創客空間”?？臻g在開源硬件企業DFRobot的支持下，配備了Arduino、樹莓派、pcDuino等開源硬件開發平臺以及兩臺3D打印機。結合學生特點，謝老師以Arduino為主要平臺構建創客課程，形成了包括《Arduino創意機器人》在內的一系列校本選修課程。學生們通過課程學習不斷發揮想象設計、開發了許多有趣又實用的創客項目，如孫宏川團隊“遠程養金魚”項目。該項目基于孫宏川同學自主開發的Flaperon遠程開放實驗系統設計。如圖2所示的Flaperon系統為開源軟硬件結合的項目，基于pcDuino和Linux設計，可以遠程操控攝像頭、傳感器與控制機構開展多種遠程實驗。

圖2 孫宏川團隊的“遠程養金魚”項目界面

“遠程養金魚”項目運用這套開源硬件系統通過實時錄像和傳感器數據觀測千里之外的金魚的狀況，并通過點擊鼠標控制遠程的食物控制機構以實現給金魚喂食的功能。該項目參加了2014年10月在上海舉行的創客嘉年華，參觀者均驚嘆于這群中學生的軟硬件開發與創新能力[36]。經過一年的教學實踐，《Arduino創意機器人》課程逐漸成型，也入選了浙江省普通高中選修網絡課程。謝老師秉承開源硬件理念，將22課時包含自編教材、教學設計、課件、微課的完整課程學習資源通過互聯網共享出來，期望更多的教師能投入到創客教育的實踐當中。

上述案例是國內外基于開源硬件的創客教育探索與實踐中的一部分，這些案例極具代表性，從學習者、教師、活動、課程、學習項目等方面展示了開源硬件應用的實際過程與效果。案例體現出開源硬件的易用性、高效性與趣味性特征，也為實踐教師帶來如下幾個方面啟示：

首先，由于不同種類的開源硬件可以為不同門類的教育提供恰當的工具，教師要善用就需要有對不同工具功能與特點較為深入的理解，這就一方面需要教師自身在專業能力發展上有較高的需求動機與實踐能力，另一方面也需要創客教育推廣者們通過組織恰當的教研活動（如科勒案例中的教師共同體研學）來促進教師對開源硬件的學習與掌握；

其次，在創客教育發展初期通過組織有效的活動（如地區范圍內的挑戰賽、創客展覽會、創客嘉年華、創客馬拉松等）可以充分調動教師與學習者的積極性，起到事半功倍的作用；再次，創客教育中的優秀學習者（如西爾維婭、孫宏川同學）有潛力從單純的學習者轉變為教學者或“教學助理”，教師可以藉此充分發揮這些學生的特點，促使其為更多的學習者提供幫助；

最后，競賽、興趣小組等活動，受益最大的主要還是少數“精英”學生，為了讓更廣大的學生能夠受益，教師與創客教育推廣者應在實踐中不斷努力將基于開源硬件的創客教育從課外興趣小組等非正規學習逐漸轉變為正規學習，其間，校本課程的研發（如謝作如老師的《Arduino創意機器人》課程）與教學實踐，對現有信息技術、通用技術課程選修模塊的改造等，是較為有效的實踐方法。

六、結語與展望

開源硬件的成本優勢可以加快創客教育的普及，完整的產業鏈生態圈可以提升創客教育的實施效率，但這些都只是途徑而非目的。無論何種教育，其終極目的都是為學習者個體的成長與發展發揮作用。而在國內外基于開源硬件的創客教育實踐案例中，無論是像西爾維婭這樣的自主學習者，科勒博士所在地區的小學生，還是溫州中學的孫宏川同學，他們身上所迸發出的創意與創新力的閃光，都說明學生通過創客項目實踐可以獲得包括人際溝通、團隊協作、創新問題解決、批判性思維和專業技能等多方面能力的提升，并獲得成長。我國2010年頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010－2020年)》中明確提出要提高學生勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力，創客教育是實現這一美好愿景的有效途徑，而開源硬件將在其中發揮杠桿作用。相信隨著國內創客教育由優秀教師的自主探索，逐漸發展成為有組織的全面實施。創客教育可以讓更多的學習者，在實踐中學習，將所學應用于實踐，快樂的成長。

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