我國開源硬件教育應用研究綜述

王巍

[摘要]選擇近10年（2009～2018）開源硬件教育應用的文獻作為研究樣本，利用Citespace軟件進行文獻的梳理與分析。通過聚類分析和共詞分析等方法對開源硬件在教育領域的研究熱點、研究內容進行分析后發現：Arduino是目前我國開源硬件教育應用的研究熱點：創客教育是開源硬件推動學校教育變革的主要表現形式;研究內容主要包括Arduino和樹莓派的教育應用范式與實踐以及面向開源硬件的教學設計等方面。通過對文獻的梳理及分析，可以揭示目前開源硬件的教育應用現狀和存在的問題，為未來的研究與實踐提供借鑒。

[關鍵詞]開源硬件;教育應用;Citespace;知識可視化

[中圖分類號]G43

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005-4634（2020）01-0065-07

0引言

“開源”是開放源代碼的簡稱，最早出現在20世紀90年代。開源硬件的概念（Open Source Hardware）源于開源軟件的許可方式，最早由開源運動發起人布魯斯·佩倫斯在1997年發起的“開源硬件認證計劃”中正式確立，是指采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，硬件設計會公布電路原理圖、材料清單、設計圖以及軟件開發工具包等詳細信息。進入21世紀，開源軟件的流行以及一些開源企業取得的商業成功，極大地刺激了開源硬件的發展。Arduino、BeagleBoard等開源硬件的出現，也為電子發燒友們提供了可以設計、開發和實現創意的平臺。隨著計算機軟硬件的不斷發展，開源硬件日趨成熟，在教育領域的潛能及優勢漸顯?！秶抑虚L期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》中指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?！秶医逃畔⒒臧l展規劃（2011-2020）》強調以教育信息化帶動教育現代化，促進教育的創新與變革。開源硬件憑借其功能模塊化、產品價格低廉、兼容性與可擴展性強等特點在教育領域具有極大的發展空間。2018年1月16日，教育部公布了《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》，正式將“開源硬件項目設計”作為選擇性必修模塊劃入新課標，主要包括“開源硬件的特征”“開源硬件項目流程”和“基于開源硬件的作品設計與制作”3部分內容?；陂_源硬件的項目設計體現了信息技術課程中的STEAM教育理念，更好地滿足了學生的創新發展需要。由此可見，目前開源硬件在我國創新教育領域的重要地位。

開源硬件得到了我國基礎教育、高等教育和職業教育領域的共同關注，逐漸成為各級各類學校開展創新教學實踐的重要載體。研究者對于各類開源硬件在教育教學中的運用開展了不同層面與角度的研究，但還未有研究者對開源硬件教育應用的文獻進行整體的梳理與分析。回顧與總結我國開源硬件教育應用的研究有助于明晰我國信息技術教育的創新發展思路，也可以為我國后續深度應用開源技術支持創新教學應用提供參考性研究成果。為達到此目的，本研究將重點回答如下3個問題：

1）近10年開源硬件教育應用類文獻的研究主題和熱點是什么？

2）目前在我國教育領域應用最為廣泛的開源硬件有哪些？分布情況如何？

3）開源硬件在應用于教學時主要采用哪些模式，教授哪些內容，達到的效果如何？

1數據與方法

1.1數據來源

為較客觀地描述開源硬件教育應用研究現狀，本研究采用中國知網（CNKI）數據庫，對近10年（2009～2018年）教育類期刊與碩博士論文進行檢索。為了擴大范圍，將檢索的主題詞設定為：開源硬件、Arduino、樹莓派、Raspberry Pi、Microduino、pcDuino、BeagleBone、Micro：bit、Pico-Board、CubieBoard。此外，在期刊的選擇上并沒有將范圍縮小在核心期刊，希望能夠最大限度地選取該領域的研究成果。通過剔除一些新聞公告類的無效文獻，并將檢索文獻限定在教育類（教育理論與教育管理、學前教育、初等教育、中等教育、高等教育、職業教育和成人教育與特殊教育），共提取到有效文獻161篇，作為本文的研究樣本。

1.2研究方法

本研究采用定性與定量相結合的研究方法對研究樣本進行分析。在定量分析部分，對近10年我國開源硬件教育應用的論文發表情況以及硬件類型分布進行了描述性統計，利用Citespace軟件，通過文獻計量方法將開源硬件教育應用領域的知識基礎繪制出來，從而明確目前的前沿熱點和主要研究內容;在定性分析部分，本研究從教學模式、教學內容和教學效果3個方面對161篇文獻中如何開展教育教學進行了深入的分析，從而揭示目前我國開源硬件教育教學的概況。

2研究結果

2.1計量分析

1）近10年開源硬件教育應用研究的論文發表情況。通過對2009～2018年開源硬件教育應用文獻數目的統計，得到了數量統計圖（如圖1所示）。從發文量可以看出，我國開源硬件的教育應用研究自2012年開始起步，文獻數量呈逐年上升的趨勢，且在2015～2017年增勢迅猛，說明開源硬件的技術優勢逐漸得到教育領域的關注和重視。但也可以發現，自2017年之后文獻數量出現了下降，這也體現出現階段在開源硬件教育應用方面研究力度的不足。

2）教育領域的開源硬件分布情況。為分析目前我國教育領域所使用開源硬件類型的分布情況，本研究對161篇文獻中采用的開源硬件名稱和型號進行了統計。其中，存在少數對典型開源硬件評述的文獻，由于不具備明確的指向性，因此不計入本次統計。從圖2中可以看出，Arduino在開源硬件教育應用中占有絕對優勢，其次是樹莓派。pcDuino、BeagleBorad等開源硬件的教育應用研究雖也有所涉獵，但寥寥可數。

2.2研究主題分析

本研究利用Citespace軟件進行“關鍵詞”的共詞分析。研究選擇最小生成樹算法（Minimum Spanning，Tree）和對整個網絡進行修剪（pruning the merged network）的修剪策略，得到關鍵詞共詞圖譜（見圖3）。去掉樹莓派的不同表達方式、Arduino硬件的不同型號以及STEM教育與STEM的統一概念，Arduino、創客教育、開源硬件、樹莓派等15個比較大的關鍵節點（深色圈節點）代表中心性和被引頻次都比較高的關鍵詞（見表1）。

對文獻共詞網絡進一步聚類，使用log-likeli-hood ratio算法顯示聚類標簽并過濾較小聚類，生成了文獻共詞網絡的聚類標簽視圖（見圖4）。衡量聚類效果的參數Modularity為0.871（大于0.3），說明網絡聚類效果較好。從圖4中可以看出，共詞圖譜共形成了9個主要聚類，代表2009～2018年開源硬件教育應用文獻的主要研究領域。本文著重分析節點數相對較多、信息量大的前5個聚類，即Arduino、創客教育、樹莓派、教學設計、機器人教育5個關鍵詞。

1）聚類0：Arduino。Arduino是目前應用最為廣泛的開源硬件平臺，包含硬件（用作電路連接的Arduino板）和軟件（程序開發環境Arduino IDE），它的誕生也是開源硬件發展史上的重要里程碑。較之普通單片機，Arduino具有教學難度低、可擴展性強、價格低廉和生態圈完整等優勢，這也使得Arduino在教學中具有很大的應用價值與潛力。針對現有大學物理實驗教學與工程實踐聯系不緊密的問題，欒江峰等人將Arduino開源硬件平臺應用于大學物理實驗的教學方案，經教學實踐表明該模式在鞏固知識技能的同時有助于提高學生的學習熱情，培養學生的創新能力。武玉升結合目前高職院校培養目標及現狀，在高職“單片機應用技術”課程教學中引入了Arduino實驗開發板，改善了課程的教學效果。還有研究者基于Arduino進行了中小學的拓展課教學設計，并以《能移動的小車》進行了教學實踐，通過問卷分析及實施效果認為Arduino設計內容可以達到拓展課的課程目標。

2）聚類1：創客教育。創客教育是一種融合信息技術，秉承“開放創新，探究體驗”教育理念，以“創造中學”為主要學習方式和以培養各類創新型人才為目的的新型教學模式闆。雒亮認為“開源硬件的成本優勢可以加快創客教育的普及，其完整的產業鏈生態圈可以提升創客教育的實施效率”。近年來，隨著Arduino等開源硬件的日漸成熟及普及，開源技術驅動的創客運動和創客文應運而生，這也促進了創客教育的發展。同時，創客教育的興起也為開源硬件提供了廣闊的教育應用平臺。浙江溫州中學謝作如老師2013年在校內建立了創客空間，并以Arduino為主要平臺構建了創客課程，形成了包括《Arduino創意機器人》在內的一系列校本選修課程，成為創客教育的典型代表。趙廣元等將基于Arduino的嵌入式服務器設計作為非計算機專業“計算機網絡”課程的實驗項目，該課程實驗在加強學生專業認知、提高學生學習興趣和進一步濃厚創新實踐氛圍等方面效果明顯，顯示出創客教育較強的應用價值。

3）聚類2：樹莓派。樹莓派是為學習者更方便地學習計算機編程而開發的一種微型電腦。隨著嵌入式設備的發展，2012年以樹莓派為代表的迷你主機逐漸成為計算機硬件發展的一條強大的支流。樹莓派具有功能豐富、趣味性強、模塊化結構、高性價比等優勢，是學校教育和項目開發的良好平臺。在高等教育階段，汪琴基于樹莓派進行了高級語言程序設計類課程的教學研究，采用混合式學習模式大大提高了學習效率和學習質量。在中小學階段，劉剛剛將創新思維與開源硬件課程相結合，設計并開發了面向創新思維培養的樹莓派課程項目，通過對教學實施效果的分析與評價發現學生的創新思維水平和作品創作水平具有了一定的提升。

4）聚類3：教學設計。教學設計簡單來說就是教師為達成一定的教學目標，對教學活動進行的系統規劃、安排與決策。開源硬件作為一種技術工具，如果想要與教育教學深度融合，離不開嚴格的教學設計。高思鑫以教學設計為研究對象，探究怎樣設計Arduino項目教學，以提高學生的代碼學習興趣。張曉基于樂高4C教學法進行了高中Arduino機器人的教學設計，通過實證研究從作品和課程滿意度兩個維度對教學效果進行分析，得出Arduino開源平臺可支持中學機器人教育的開展和樂高4C教學法適用于高中Arduino機器人教學的結論。

5）聚類4：機器人教育。機器人教育作為創客教育的重要表現形式，是開源硬件高度集成化和功能化的標志，也是開源硬件在教育領域的另一標志性應用范例。2000年北京景山學校沙有威等人進行的《在中小學校開展智能機器人的普及教育》課題實驗，被認為是在中小學開展機器人普及性教學的開端。隨后，一些中小學逐漸加入到機器人教育的隊伍中來。張麗芳以溫州中學選修《Arduino機器人》課程的學生為研究對象，開展了機器人教學的實證研究，從學習態度、創造力、知識與技術水平等方面驗證了教學效果。在高等教育階段，鄺禹聰開發了面向實驗教學的六自由度機器人，可以用于機器人相關實驗課程的開展。

2.3研究內容分析

計量可視化工具只能勾勒出研究領域的整體概況，無法提供更深入的內容信息。因此本研究根據可視化分析結果，進一步對文獻進行了批判性閱讀與分析，得出開源硬件教育應用的教學概況。下面，筆者將從教學模式、教學內容、教學效果3個層面進行闡述。

1）教學模式。我國開源硬件教育應用采用的主要教學模式是項目式教學，具體輔以任務驅動、體驗教學、實驗教學的教學策略。開源硬件應用項目教學的模式以項目為主體，以任務為驅動，以體驗為促進，在相互交流合作中完成作品。教師逐漸引導學生通過階段性的任務進入完整的綜合項目，在更連續持久的項目實踐中提高學生主動性，培養其創新思維，提升團隊協作等綜合實踐能力。鄧欣等在智能科學與技術專業學生中基于開源硬件實驗平臺開展機器人實驗教學，通過任務驅動法設計一系列由淺入深、由易到難的實驗，激發了學生踴躍參加相關競賽的積極性并取得了優異的成績。李慧穎以小學高年級樹莓派課程為例，證明基于項目體驗的創客課程教學模式是行之有效的，能夠激發學生對創客課程的興趣，同時在提升學生創新能力和團隊協作能力等方面也有較好的效果。

2）教學內容。目前，我國開源硬件教育應用的主要教學內容包括“控制器-執行器-傳感器”的智能化控制、嵌入式系統、電路設計與電子裝配、元器件認知與焊接、操作硬件的函數運用以及常見外圍模塊，如LED、蜂鳴器、按鍵開關、遙控器、藍牙、電機、顯示、舵機等。通過分析筆者發現傳感器模塊幾乎是所有學段選取的主要功能，通過溫度、濕度、聲光等各個類型的傳感器感知環境，進而通過代碼編程程序控制反饋環境。在高等教育和職業教育階段，教師側重于利用開源硬件實現系統及平臺的搭建以及工程設計等方面的專業教學。在中小學階段，由于機器人課程開設得較為廣泛，因此教師開源硬件的教學往往配合機械搭建方面的知識，并結合Scratch、Mixly、ArduBlock、App Inventor等圖形化編程軟件，降低教學難度，提高學生的學習興趣。

3）教學效果。通過對文獻的內容分析，本研究借鑒顧小清學者提出的元分析框架，將教學效果從認知層面和非認知層面進行分析。認知層面上，主要表現在開源硬件作為基礎教學工具，能夠降低學生理解程序設計相關知識的難度，同時為學生的編程提供更為廣闊的動手操作空間，對學生學業成就、問題解決能力、認知能力等方面的提高具有顯著促進作用。楊振壟等為提升智能科學與技術專業學生的實踐能力，提出基于Arduino對該專業的基礎實驗進行設計，通過LED、傳感器和開關的基本實驗，提高學生對智能應用設計的認知和專業敏感度。非認知層面上，將開源硬件作為創新能力培養的平臺，可以有效提高學生的學習興趣、學習自信和主觀能動性，使學生向更樂于合作、參與、分享、實踐的態度轉變。如郝新春以Snap+ Arduino平臺為例對小學5～6年級和初中1～2年級的學生開設選修課，并通過問卷調查、訪談、課例觀察等方法對課程開設后的情況進行了跟蹤。實驗結果顯示，Snap+ Arduino平臺在促進教與學方式轉變，培養學生主動探究、個性化學習方面更有效，學生對Snap+ Arduino平臺的案例表現出了較大的學習熱情。

3結束語

本研究利用計量可視化工具對當前開源硬件教育應用的研究前沿、研究熱點等進行了分析，同時通過對文獻的批判性閱讀，進一步深入挖掘開源硬件的教育應用現狀。通過對近10年的161篇文獻分析后發現：開源硬件教育應用的研究熱點包含Arduino、樹莓派、教學設計等方面;基于開源硬件的教學模式以項目式教學為主，并輔以任務驅動、體驗教學、實驗教學的教學策略;傳感器為開源硬件教育應用的主要技術選取功能，通過感知并反饋環境，進而實現與真實世界的交互;開源硬件的教育應用在學習質量、學習態度、綜合能力和職業規劃等認知和非認知層面能夠對學生產生積極影響。但通過深入研究筆者發現，目前開源硬件教育應用還存在一些問題，具體可以歸納為以下幾個方面。

3.1淺層次理論綜述多，深層次實證研究少

開源硬件教育應用的實證研究較少，導致應用研究顯得蒼白無力且公信度不足。具體可以表現為以下幾個方面的問題：研究數據來源較為單一，多為單門或幾門課程的樣本;研究問題切入點不夠深入，只是泛泛地論述開源硬件的教學優勢和教學策略;缺少系統嚴格的實驗設計，對于開源硬件如何提升教育教學效果缺乏數據支撐和合理論證。因此，探究如何在教育教學中合理地選擇并應用開源硬件，并加大開源硬件教育應用的實證研究力度將是下一步研究的重點。

3.2開源硬件教育研究分布不均，缺乏對新興技術的關注

目前，市面上出現的諸多種類開源硬件，在教育領域也開始被推廣與應用。但在文獻梳理的過程中，筆者發現目前對于開源硬件教育應用的研究較多針對的是Arduino和Raspberry pi，只有極少數的文章會涉及到pcDuino、BeagleBoard、Cubie-Board等開源硬件，且大多數還是在與其他開源硬件的比較研究中進行論述的。對于一些新興的開源硬件，如metas、kiwiboard、makeblock等，學界還沒有相關的教育應用研究文獻。為了避免出現理論滯后于實際應用的現象，學者們應該加深對這些新的開源硬件的教育應用研究，以更好地指導實踐，形成“技術+應用+實踐”為主線的教育形式。

3.3存在“技術本位”思想，面向創新的能力培養不足

開源硬件不僅僅是硬件設計方法的開放，更多體現的是一種創新理念的開放，而創客教育的核心就是培養學生的創新意識、創新思維和創新能力。通過對文獻的深入分析研究發現，目前我國在運用開源硬件進行教育教學時存在“技術本位”的思想，教學內容主要集中在開源硬件的基本結構、編程知識以及平臺搭建等方面，更多地考慮如何運用技術進行教學而較少思考技術能夠培養學生什么能力。作為創客教育的主要載體，開源硬件的教育應用應著重發展學生的創新能力，包括學習能力、發現問題能力、設計解決問題方案能力和實踐其方案的能力。因此，開源硬件教育應用，可以考慮將動手操作和實踐體驗的元素融入各學科、各專業的教學中，設計并開展基于創造的學習。

[責任編輯 馬曉寧]