開源硬件，走向創客的必經之路

陳染

創客教育的興起不僅是教育理念的革新，更是科技發展的結果。而開源硬件在創客教育中扮演著重要的角色。作為開源運動的一部分，開源硬件提倡自由、開放、互助和分享的特點，受到廣大創客的喜愛。開源硬件有著便利的設計、豐富的元件、開源的文化3個特點，在創客教育中獨具優勢。目前，許多種類的開源硬件已經進入學校課堂，成為創客教育的必備工具。

什么是開源硬件

開源硬件（Open—source Hardware），是指與自由及開放源代碼相同方式設計的計算機和電子硬件，是開源文化的一部分。開源文化源于20世紀70年代的黑客亞文化。到了90年代，隨著Linux受到大眾認可、Netscape瀏覽器開放源代碼等一系列科技事件，開源運動逐漸進入人們的視野。開源運動最早只有開源軟件，并基于互聯網進行傳播。目前，我們日常生活中使用的手機操作系統安卓（Android）、電腦瀏覽器Chrome都是屬于開源軟件。可以說，在我們的日常生活中，開源軟件幾乎無處不在。

開源軟件推崇任何人都可以自由使用、復制、研究和改動的思想，深刻影響著開源文化的發展。開源硬件也在這種思想下應運而生。1997年，開放源代碼促進會（OSI）推出開源硬件認證計劃；1998年，David Freeman提出開源硬件規范項目；1999年，非營利組織開放設計基金會（ODF）成立，一場開源硬件的運動悄然發生。

開源運動的一個核心是用戶可以自行制造產品，無須支付任何費用。它的長足發展成為創客運動興起的一個重要的技術因素，被譽為“創客之父”的克里斯·安德森（Chris Anderson）在其著作《創客：新工業革命》中，將“在開源社區中分享設計成果、開展合作的文化規范”與“使用數字桌面工具設計新產品”和“通過設計傳給商業制造服務商或自行制造”稱為創客運動的3個變革性共同點。

這一場轟轟烈烈的開源運動，也成為了創客教育的根源之一。在創客教育中，開源硬件已經成為學生成長為真正創客的必要工具了。目前，創客教育常見的開源硬件大致可以分為2類：積木式的開源硬件和開源硬件開發平臺。

積木式開源硬件是以開放式的電子積木模塊為基礎的一種開源硬件。以Little Bits為代表，積木式開源硬件使用不同顏色區分電源模塊、輸入模塊、傳輸模塊、輸出模塊，不同的模塊通過磁鐵的方式進行連接，不需要準備額外的導線。此外，積木式開源硬件將程序設計固化到每一個模塊中，這種方法能夠幫助初涉創客教育的學生，他們能夠更輕松地學習開源硬件的使用，并快速實現自己的創意。

開源硬件開發平臺即以一塊嵌入式芯片開發板為核心的開發平臺，創客作品設計、開發和測試都是圍繞著這塊開發板展開。目前，開源硬件開發平臺有大約50種，在創客教育中較為常用的是Arduino和樹莓派等數種開源硬件。學生學習使用開源硬件開發平臺，是認識并走向創客的一條必經之路。

開源硬件的優勢

開源硬件在創客教育中都有哪些優勢呢？我們以科技學堂的Arduino作品“PM2.5探測儀”為例，看看開源硬件在創客教育中的優勢（見題圖）。

PM2.5探測儀的實現效果是通過傳感器檢測空氣中的PM2.5濃度，并用指針在紙模上指示實時的濃度數值，一旦濃度超過了某個特定值，就會自動彈出口罩，提醒使用者該戴上口罩了。在這個設計中，Arduino和PM2.5傳感器聯動，實現數據輸入；再通過電機與樂高聯動，實現數據輸出。

在這個設計中，我們首先看到開源軟件的優勢是設計的便利性。如果以封閉的硬件進行設計，我們需要設計并制作出復雜的電路板，這個過程費時費力。相反，在開源硬件中，為了讓人們能夠自由開放地進行使用、復制、研究和改動，它設計了諸多開放的接口，滿足不同用戶的開發需求。以Arduino在2009年開發的版本Arduino Duemilanove為例，它配備1個9V DC輸入、1個USB接口、14個數字輸入/輸出端口、6個模擬輸入/輸出端口、1個5V DC輸出和1個3.3V DC輸出端口，此外還有一個復位接口。豐富的端口為設計提供了便利，學生可以利用這些端口設計各種各樣的作品，即使出現端口不足的情況，也可以像PM2.5探測儀一樣，使用面包板或10擴展板進行更加復雜的設計。

此外，開源硬件的設計便利性還體現在它很容易與其他創客工具融合。在PM2.5探測儀中，我們可以看到它的結構是由樂高科學件及紙模所結合而成的，而控制運動的舵機也是由樂高完成的，可以說，這個案例實現了多種工具的融合。

其次，開源硬件擁有種類豐富的交互元件，例如在PM2.5探測儀中，我們首先需要將空氣中的PM2.5濃度轉化為電信號進行輸入，我們可以選擇合適的傳感器作為信號輸入。傳感器只是交互元件的一個種類，交互元件還可以為控制器、功能模塊、電機、繼電器、電源等多種類型，每種類型又可以細分為多種不同的類別。豐富的交互元件方便學生在設計創客作品的時候能更加得心應手。

開源硬件不僅能為創客教育帶來優秀作品，同時帶來的還有一種開放分享的創客文化。通過開源硬件的創客設計，學生可以直接參與到由開源硬件所帶來的開源文化中。在互聯網上，你很容易找到由開源硬件愛好者組成的開源社區，學生可以在社區中分享作品，交流創作體驗。

便利的設計、豐富的元件和開源的文化，構成了開源硬件在創客教育中的3個優勢，當學生熟練掌握開源硬件的創作和使用的時候，就離成為一名真正的創客不遠了。

參考文獻

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