開源硬件在小學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用研究

河南許昌實驗小學(xué) 楊 瑞

【關(guān)鍵字】 開源硬件；創(chuàng)客教育；優(yōu)勢

我國于2016年6月制定印發(fā)了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等教育模式的應(yīng)用。全國各地的創(chuàng)客空間如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，如浙江省溫州中學(xué)的DF創(chuàng)客空間、北京景山學(xué)校的景山學(xué)校創(chuàng)客空間、上海格致中學(xué)的FabLab創(chuàng)新實驗室等。這些都是我國K-12教育階段創(chuàng)客空間的代表，而且大部分的創(chuàng)客空間都使用了開源硬件作為一類開發(fā)工具。

一、開源硬件和創(chuàng)客教育的關(guān)系

開源硬件是指與自由、開放原始碼軟件相同方式設(shè)計的計算機和電子硬件。其中Arduino的誕生成為了開源硬件發(fā)展史的里程碑。開源硬件概念正式確立源自1997年，開源運動的發(fā)起人之一，也是無線電發(fā)燒友（HAM）的布魯斯·佩倫斯首次發(fā)起的“開源硬件認(rèn)證計劃”。

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣以項目學(xué)習(xí)的方式，借助數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題的能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育。Arduino作為開源硬件的典型代表，在創(chuàng)客教育中使用可以有助于項目式學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的有效開展，學(xué)習(xí)者不需要對它的硬件結(jié)構(gòu)有多么深刻的了解，比較適合在中小學(xué)創(chuàng)客教育活動中使用。

不同的開源硬件具有不同的功能，像樹莓派、pcDuino平臺、BeagleBoard等這些性能相對高一些的開源硬件，可以在高級或者偏重多媒體開發(fā)的項目中進(jìn)行使用，達(dá)到的效果會更好。對于小學(xué)創(chuàng)客教育來說，Arduino開源硬件深受中國創(chuàng)客教育產(chǎn)品研發(fā)人員的青睞，但是它的開發(fā)離不開C語言編程和電子線路的搭建這兩個基本的技能，這對于小學(xué)生來說存在一定的挑戰(zhàn)。所以開發(fā)者根據(jù)學(xué)習(xí)對象的認(rèn)知特點，嘗試從這兩個方面對Arduino開源硬件進(jìn)行了簡化。Scratch、ArduBlock、Mixly等圖形化編程工具的出現(xiàn)就是為了簡化編程，讓初學(xué)者更容易接受和學(xué)習(xí)。

經(jīng)過廣泛調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)Arduino開源平臺作為一個典型的開源硬件，有著極強的易用性和擴展性，受到眾多電子工程師、手工制作愛好者的青睞，在國外應(yīng)用較為廣泛。筆者認(rèn)為開源硬件是創(chuàng)客教育實踐創(chuàng)新教育過程中的重要工具之一，二者之間的核心問題是怎樣讓孩子們更好地理解隱藏在兩者背后的技術(shù)和知識，從而利用新的數(shù)字技術(shù)來創(chuàng)造、分享和學(xué)習(xí)。兩者扮演的角色不同，缺一不可。

二、Arduino開源硬件在創(chuàng)客教育中應(yīng)用的優(yōu)勢

Arduino是意大利的一個教學(xué)用開源硬件項目。筆者認(rèn)為，將Arduino開源硬件應(yīng)用到小學(xué)創(chuàng)客教育中具有以下優(yōu)勢：

1.價格低，開放性強

Arduino開源硬件的價格相對于同類型的開源硬件來說存在著明顯的價格優(yōu)勢，容易獲得。例如WER教育機器人的一套配置最低的設(shè)備價格也在2000多元，而同樣功能的Arduino開源硬件，國產(chǎn)的行家版只需要幾十元，深受使用者的青睞；另外，它的硬件和軟件是完全開放的，任何人都可以使用。開放的源代碼可以給所有人免費下載，用戶不需要有太多編程基礎(chǔ)就能做出令人驚艷的互動作品。Arduino的開源精神影響著全世界，也吸引了各個領(lǐng)域的人們加入Arduino的神奇世界。

2.平臺多，操作簡單

要對Arduino開源硬件進(jìn)行編程，既可以用文本式的Arduino IDE編程環(huán)境，也可以用圖形化積木式的編程環(huán)境Mixly，并且這兩款軟件均為綠色版的軟件，使用者不需要進(jìn)行安裝就可以直接使用。目前，我校的創(chuàng)客教育中使用到的編程平臺有Scratch、Mblock、慧編程等積木式編程平臺，它們也可以對Arduino開源硬件進(jìn)行編程。這樣對于小學(xué)階段的孩子來說，即使沒有學(xué)習(xí)電子電路相關(guān)的知識，也可以在老師的帶領(lǐng)下輕松地學(xué)習(xí)和使用它，關(guān)于積木式的編程軟件，孩子們在信息技術(shù)常規(guī)課中有所接觸和學(xué)習(xí)，對于孩子們來說會更好理解。這些編程軟件也解決了孩子們對于算法和設(shè)計程序中對程序結(jié)構(gòu)的理解，讓創(chuàng)客學(xué)習(xí)變成好玩的東西，進(jìn)而激發(fā)孩子們的學(xué)習(xí)興趣。

3.資源豐富

幾年來，國內(nèi)創(chuàng)客教育先行者的不斷努力，國內(nèi)眾多教育團隊和學(xué)校不斷探索和實踐，柔軟地改變著教育。2017年6月，中國教科院辦頒布了《中國STEM教育白皮書》，隨之有關(guān)創(chuàng)客教育的資源也開始豐富起來，一些開源的創(chuàng)客教育類的普惠課程開始通過網(wǎng)絡(luò)傳播開來。我們通過學(xué)習(xí)和借鑒，并結(jié)合自己學(xué)校創(chuàng)客教育的實際情況，設(shè)計開發(fā)出適合我們自己的課程，并推廣給其他需要的學(xué)校，從而實現(xiàn)資源的共享和共建，進(jìn)一步豐富有關(guān)開源硬件方面的資源。

4.發(fā)展迅速

開源硬件經(jīng)歷了從集成電路發(fā)展初期到集成電路大規(guī)模發(fā)展時期，再到超大規(guī)模集成電路發(fā)展時期。21世紀(jì)，開源軟件的流行進(jìn)一步刺激了開源硬件的發(fā)展。在此過程中解決了開源硬件生產(chǎn)成本過高的問題，隨著其不斷發(fā)展和改進(jìn)，開源硬件作為產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成熟。Arduino不僅是全球最流行的開源硬件，也是硬件開發(fā)的代表。Arduino簡單的開發(fā)方式使開發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意的實現(xiàn)，從而節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，將開發(fā)周期也縮短了。

5.功能強大

Arduino芯片的擴展性特別強，通過擴展板和自帶的眾多I/O接口可以和超聲波傳感器、紅外傳感器、藍(lán)牙等相連接。開源硬件設(shè)計的便利性，使它特別容易和其他創(chuàng)客工具融合，比如孩子們要做一個智能路燈，只需要通過3 D打印機和激光切割機將路燈的外殼設(shè)計并制作出來，然后再將核心技術(shù)Arduino開源硬件和聲音傳感器、光敏傳感器以及小燈模塊連接起來，通過“慧編程”軟件進(jìn)行程序的設(shè)計，這樣一款智能路燈就設(shè)計完成了。

Arduino開源硬件在小學(xué)創(chuàng)客教育中應(yīng)用所具備的價格低、操作簡單、資源豐富、發(fā)展迅速、功能強大等優(yōu)勢，在很大程度上促進(jìn)了我校創(chuàng)客教育的發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)K 12領(lǐng)域?qū)W校的核心需求和教學(xué)特點，創(chuàng)客教育的發(fā)展需要通過開源硬件和教育產(chǎn)品相結(jié)合，讓孩子在各類創(chuàng)客空間中自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)意智造，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。