基于開源硬件的信息技術實驗教學 與信息技術實驗室建設

梁森山

● 信息技術實驗教學

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）提出了“信息技術課的教學場所將從機房轉變為信息技術實驗室”，很多一線教師認為這樣的提法符合當前信息技術教育發展趨勢，能夠幫助解決信息技術學科專業化以及在創客教育、STEAM教育深入發展的過程中所亟待解決的一些關鍵問題，但是，信息技術實驗涵蓋哪些內容？需要配備哪些儀器、設備、器材？信息技術實驗室如何建設？需要哪些軟件環境和硬件環境？信息技術實驗教學的開展，又能給信息技術學科發展帶來哪些契機和挑戰？這些都還需要教育工作長期探索、實踐和總結。

總體來看，目前國內關于信息技術實驗教學的成果，無論在數量方面，還是質量方面，相對都比較薄弱，與國家對信息技術學科實驗的重視非常不匹配。以“信息技術實驗”為主題在中國知網檢索，所得數據質量參差不齊，大量“使用或基于信息技術改造傳統實驗（物理、化學、生物等學科）教學案例”摻雜在其中，真正的信息技術學科實驗很少。知網大成編客欄目2019—2020年連續推出的2輯《中小學信息技術實驗教學案例匯編》（限于版面，此處不詳述，內容詳見http：//bianke.cnki.net/Home/Corpus/7397.html、http：//bianke.cnki.net/home/corpus/23870.html），則比較全面地梳理了當前中小學信息技術實驗教學案例的存量。

● 信息技術實驗室建設探索

信息技術課程的前身是計算機課程，這一變化不僅是名稱及其所指內容的變化（超越了基于計算機/臺式機和網絡的教學內容），還體現了課程目標的變革（從計算機素養轉變到信息素養的培養），然而一直以來信息技術課程的教學場所始終局限在計算機教室，以應用軟件的操作訓練和程序設計入門為主要教學形式，遠未能跟上課程名稱和內涵的變化步伐，與高中階段育人目標嚴重不符。

知網大成編客欄目推出的《信息技術實驗教學與信息技術實驗室建設——信息技術實驗教學案例》第2輯第4章綜合匯編了“信息技術實驗室建設”方面的學術研究成果，主要聚焦在高中階段。在《高中信息技術必修課實驗與實驗室建設探索》一文中，鐘柏昌考證高中信息技術課程標準首次使用了“信息技術實驗室”來指稱信息技術課程的教學場所，表明信息技術課程教學不僅需要新理念，更需要新環境。

上海外國語大學附屬浦東外國語學校的孫政庭在《新課標背景下高中信息技術實驗室建設的構想》一文中，從課程標準出發，分析了各課程模塊中對信息技術實驗室的具體要求，針對信息技術實驗室的物理空間設計、軟硬件配置、實驗項目的開發完善、教師的素質要求等方面提出了建設構想。信息技術實驗室是未來信息技術課程實施的基本保障，是高中學生開展創新型研究和教師開展STEM（STEAM）教學的理想園地，信息技術實驗室能夠為學生提供理想的數字化學習、實踐的場所。

在《支撐多課程生態系統的高中信息技術實驗室重構》一文中，孫政庭又提出信息技術實驗室建設既要“以標為標”，又要同不斷形成的多課程生態系統共生，促成“課程是教師、學生、教材、環境四個因素動態交互作用下的‘生態系統”，尤其是STEM（STEAM）教育、創客教育、研究型學習項目的實施，使得學科之間、課程與課程之間的聯系愈加緊密，相互依存。

● 基于開源硬件開展實驗教學與實驗室建設

關于信息技術實驗等建設無疑會是今后一段時期內信息技術學科教育的一個熱門話題，筆者站在《新課標》結構、群眾基礎和文化自信等角度，認為“基于開源硬件開展實驗教學與實驗室建設”更能契合《新課標》要求，體現時代精神，展示文化自信，貼合群眾基礎，在內容和形式上都與當下在中小學校廣泛開展的創客教育、STEAM教育實踐不謀而合。

1.開源硬件是《新課標》內容之一

在《新課標》的課程結構中，選擇性必修模塊6為“開源硬件項目設計”，并提出：“基于開源硬件的項目設計與開發有利于激發學生創新的興趣，培養學生動手實踐的能力，同時也是在信息技術課程中實現STEAM教育的理想方法。”開源硬件在《新課標》其他各模塊中的描述如下表所示。

從表中不難發現，“開源硬件”在信息技術各模塊之間明顯起著“共同關聯詞”作用。實際上，開源硬件對信息技術學科各個模塊的“技術設備底層支持”不是巧合，而是在課標修訂過程中精心設計的。

2.開源硬件有良好的群眾基礎

開源硬件、創客教育與信息技術學科教學有著天然的姻緣。“創客教育是創客文化與教育的結合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育。”

《新課標》要求以主體項目式學習組織教學形式，教學過程要提供技術多樣、資源豐富的數字化環境，要不斷創設真實的學習情境，要以有實踐意義的項目作為教學的主要方式，這就要求教學過程中必須要提供相應的軟硬件環境予以支持。開源硬件的開源與開放、分享與協作、模塊與復用等典型特征，為創客教育、STEAM項目式學習、信息技術實驗提供了良好的載體和媒介。

而《新課標》的頒布，使得信息技術學科看到了具體的操作路徑，其中非常引人注目的是選擇性必修模塊6“開源硬件項目設計”，有很多教師覺得，這個模塊仿佛“就是為了普及創客教育設計的”。

3.教學用開源硬件正在從自主走向自信

人教-地圖版《信息系統與社會》和《開源硬件項目設計》編委會在教材論證、編寫過程中，從眾多開源硬件中，選擇了兩款教學用國產自主的開源硬件作為主體項目學習的主要載體，其中一個是面向物聯網的掌控板，另一個是基于Linux系統的開源卡片計算機虛谷號。以此為標志，教學用開源硬件正在從自主走向自信。

虛谷號是一個面向人工智能教學和Python編程學習的中國原創開源硬件平臺，板內集成高性能處理器和通用單片機，內置多功能擴展接口和多種通信接口，可以看成是樹莓派3與Arduino UNO的合體。掌控板是一款為學習Python編程和物聯網應用而設計的開源硬件，內置MicroPython開源嵌入式操作系統，采用國產高性能處理器，集成藍牙和Wi-Fi功能。

在掌控板、虛谷號、樂造模塊和虛谷物聯等開源教育項目的基礎上，廣大一線教師還聯合高校、創客空間和創客企業共同發起了“虛谷計劃”，共同推進開源創客教育項目走進校園，共同維護開源、分享、交流的網絡社區，營造開源文化氛圍，打好基于開源硬件的創客教育群眾基礎，共同促進基于開源硬件的信息技術實驗教學實踐。

最后，筆者引用吳俊杰老師在《2018展望：信息技術實驗室》一文（刊登于《中國信息技術教育》雜志2018年第1期）中的一段話作為對信息技術實驗教學和信息技術實驗室建設的未來期望：

什么是信息技術實驗？

信息技術實驗室怎樣建？

信息技術實驗教學如何開展？

如何通過信息技術實驗綜合促進學生信息素養的提升？

這些問題都需要認真研究和審視。但慶幸的是，從2012年開始的創客教育和STEAM教育中的一些案例——數量不多，它們當中都有信息技術實驗的影子，期望在即將來臨的信息技術（信息科技）新課程改革的大潮中，有更多的創客老師，自信地“做一位了不起的信息技術教師”。