從開源開放到教育自信

李紅印 梁森山 謝作如

第一部分 緣起

謝作如：今天的重點話題是“中國特色開源硬件”。我在一次會議中得知，裝備中心在開展“中國特色的開源軟硬件教育應用”方面的研究工作，對此我很感興趣。請問李處長，你們是基于什么樣的背景和考慮，啟動了這一研究工作？

李紅印：STEAM與創客教育一直是我和梁老師共同關注的話題，也是我們處的重要學術研究方向，今后也希望能夠繼續保持與一線教學之間的互動。

“中國特色開源軟硬件”提出的大背景來自教育部《2021年教育信息化和網絡安全工作要點》（以下簡稱《要點》），其中有一條提出要“加強具有中國特色的開源軟硬件教育應用研究，構建適合我國中小學開展創客教育以及高中階段開源硬件選修模塊的教育裝備支撐體系”。這項工作的責任單位是教育部裝備中心，具體業務落實在我們新技術處。《要點》正式下發后，裝備中心高度重視，立即啟動了相關配套工作的研究，目前正準備跟上級主管部門匯報溝通，相信很快會有具體的工作辦法。

另外，“中國特色開源硬件”的提出還與一個學術研究課題有關，那就是我們中心2020年立項的“基于我國具有自主知識產權開源硬件的普通高中實驗項目開發研究”課題（以下簡稱課題）。這個課題申報時用的名稱是“基于開源硬件的普通高中信息技術實驗教學研究”，學術委員會在課題論證的時候，表達了幾點意見：一是把學科范圍適當放開，別再局限在信息技術學科，通用技術、物理、化學等學科，甚至音樂、美術等學科也可以結合開源硬件開展跨學科教學;二是不再局限于實驗教學，用更大的一個詞“項目開發”來概括，這跟高中階段課程改革提出的“項目式教學”一脈相承;三是添加限定詞“我國具有自主知識產權開源硬件”，我的理解是，這正好是“中國特色開源硬件”最重要的內涵之一。

當然，“中國特色開源硬件”的提出既不可能只存在單一因素，也不會單一指向某一目標，還有其他方面的考慮，梁老師可以做些補充，他是課題負責人。

梁森山：申報研究課題的時候，最初考慮的重點是因為當前國內具有自主知識產權的開源硬件特別少。中小學在開展創客教育時，用到的開源硬件大多是國外的，軟硬件生態的主體都在國外，很難做到自主可控。在當前的國際環境下，這里潛藏著一定的風險和隱患，所以教育教學用軟硬件應該有所籌劃，盡可能未雨綢繆，以中國特色開源軟硬件構建信息技術學科裝備支撐體系。

另一個重要原因在于從小培養孩子的文化自信和民族自豪感。謝老師對我們國家的創客教育發展歷程很熟悉，應該清楚創客教育常用的電子器材，在2018年前基本上都是國外的品牌，包括軟件和硬件，很難看到國產自主知識產權的教具或學具。

謝作如：雖然《要點》關于“中國特色開源軟硬件”的論述并不長，但這個研究領域是全新的。我再提兩個比較核心的問題，第一個問題是為什么要加強開源軟硬件教育應用研究？第二個問題是為什么要強調“中國特色”這個修飾語？

李紅印：謝老師的觀察很敏銳，《要點》實際上給中小學創客教育和信息技術學科指明了一個新的方向，也為我們教育裝備工作開辟了一個新領域。為了比較深入地談論這個話題，有必要跟讀者介紹一下我所從事的教育裝備工作。首先，“教育教學裝備是教書育人的必要條件，是實現教育現代化的重要支撐，是培養學生創新精神和實踐能力、促進學生全面發展的重要載體”，這是2016年《教育部關于新形勢下進一步做好普通中小學裝備工作的意見》對教育裝備給出的界定。其次，對教育教學裝備的要求本來就是課程標準中的重要組成部分，“普通高中學校首先要根據本校平行班的數量，設立信息技術教室……同時，設立信息技術實驗室。實驗室應針對每個模塊單獨設立，著重滿足學生實踐操作的需求”，這段話來自2020年修訂的《普通高中信息技術課程標準》（以下簡稱《課標》）。

回到謝老師的第一個問題上：為什么加強開源軟硬件教育應用研究？從《課標》中很多地方提到開源硬件和開源軟件可以看出，開源軟硬件是信息技術課程中的重要裝備。既然如此，開源軟硬件的應用，也需要體現教育裝備的育人價值。《課標》在“開源硬件項目設計”中有段話很有說服力，也符合高中階段的育人目標：“基于開源硬件的項目設計與開發有益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（科學、技術、工程、人文藝術與數學）教育的理想方法。”此外，《中國信息技術教育》雜志的讀者大多數是信息技術教師，都知道我國的信息技術教學長期以來有些偏“軟”——偏軟件輕硬件，我們裝備工作屬“硬”，也有“重建設輕應用”的弊端，都有偏廢之嫌，不夠全面。《要點》中首次提出“開源軟硬件”就是希望能回歸“軟硬結合”的正確道路。

關于“為什么要強調中國特色的開源軟硬件教育應用研究”，梁森山老師在前面已經介紹了。我很認同“自主可控”的重要性，但除此之外，這也和文化自信有關。新時期，從小培養孩子的創新精神和大國自信勢在必行。“器以載道”，在新課標和新教材的實施過程中，我們需要自己的“開源軟硬件”支撐體系。國家高中教材以Python編程項目式學習為主線的人工智能、物聯網課程清晰明了，國產具有自主知識產權的開源硬件已經可以支持Python編程學習，輔以物聯網芯片同時具備Wi-Fi和藍牙功能，完全可以全方位支持高中信息技術教學，所以，當前推動“中國特色開源軟硬件”體系建設正當時。

第二部分 現狀

謝作如：聽了兩位的介紹后，我感受到了一種責任。的確，在掌控板出現之前，國內中小學的開源硬件幾乎只有Arduino和micro：bit兩種。記得北京師范大學的傅騫教授也多次在演講中提起這個話題。正因為出于這樣的責任，他從2014年開始，組織團隊開發米思齊（Mixly），為開源硬件的推動起到了重要的作用。

據我了解，裝備中心從去年開始，已經組織了多次的考察和調研活動，去了好幾個城市和好些學校，了解中小學的開源軟硬件應用情況。能否介紹一下，除了技術學科外，當前還有哪些學科已經在應用開源軟硬件？或者說開源軟硬件在哪些領域發揮了重要的作用？

梁森山：課題組一直非常重視調研工作，特別是“中國特色開源軟硬件”寫入《要點》之后，專程到深圳等開源軟硬件資源比較豐富的地區做了調研。其實除了現場調研，線上文獻也是一個重要的信息來源。我們可以通過兩組數據，來看一下開源軟硬件在學科應用領域的情況。

一組數據來自中國知網，可以檢索到《基于Arduino的向心力實驗儀》《基于Arduino的全反射實驗系統設計》《基于掌控板和數據分析探究熱敏電阻阻值與溫度關系》《利用開源硬件掌控板開展小學科學實驗教學》《用SIoT與掌控板做熱輻射實驗》等學術成果，主要集中在物理、化學、生物等科學領域的學科。當然這是不完全統計，課題組后續會加強這方面的研究。

另一組數據來自“首屆掌控板教學應用設計大賽”。在提交的作品中，與學科教學相關的有《探究水沸騰時溫度的變化特點》《多功能溫濕度計》《測高儀》《超聲波測速實驗》《比較不同物質比熱容實驗》《機械能守恒驗證實驗》《液體氣體壓強實驗》《掌控次氯酸自動制作裝置教具》《三原色演示儀》《紙飛機高度測量儀》《基于mPython平臺驗證伽利略斜面實驗》《單擺實驗平臺》《光的反射挑戰實驗裝置》《光照對溫度的影響實驗裝置》《太陽能熱水器效能檢測裝置》等，也是主要集中在科學領域的學科。藝術學科雖然有很多案例，但主要集中在高校。

我們也看到一些與數學學科相關的應用，如在浙江省的高中數學公開課活動中，諸暨中學的老師就用掌控板來做茶水溫度的探究活動。相對于科學領域的學科來說，相關的成果還是比較少。當然從另一個角度來看，這也為開源軟硬件的發展留下了巨大的潛在發展空間，尤其是中小學開始重視項目式學習，開源硬件在項目式學習中能夠發揮重大的作用。

謝作如：作為一名經歷了國內創客教育從零到一，然后進入快速發展階段全過程的一線教師，我清楚地知道，開源硬件和創客教育之間有著密不可分的關系。因此，在前一個問題中我特意強調了“除了技術學科外”。還是回到技術領域來，請梁老師繼續介紹一下目前在人工智能、創客教育、STEM、信息技術教育等方面，哪些開源軟硬件在發揮重要的作用？其中有哪些軟硬件具備了“中國特色”？

梁森山：這個問題其實問的就是“目前教學中常用的有哪些開源軟硬件”。“常用”具有很強的主觀性，并不容易界定。根據課題組目前的觀察，比較成熟的硬件大體可分為Arduino、micro：bit、microPython、樹莓派以及各種兼容“派”的硬件。這里所說的比較成熟是指相對成熟的軟硬件體系和有影響力的社區與生態。在本刊3月的對話欄目中，我們聊到了開源操作系統和開源鴻蒙，成敗的關鍵除了技術之外，還有一個重要的指標就是生態，建設生態最難。

我先對開源硬件初步做個劃分。Arduino、micro：bit可以歸類為微控制器（MCU）性質，直接在裸機上跑可執行程序;樹莓派以及各種兼容派可以歸類為單板機（SCB）或片上系統（SOC），能完整地跑定制化的開源Linux操作系統，內置常用教學或開發工具;microPython介于MCU和SCB兩者之間，可以認為是一種定制化的Python語法兼容的運行環境。這四種硬件除了micro：bit面向青少年計算機普及之外，其他三個都不原產于教育系統，Arduino是媒體藝術家的玩意兒，microPython的原作者希望用來控制工業機器人，樹莓派則定位在廉價的計算機。這里有必要澄清一下，從目前公開的資料來看，樹莓派其實并不屬于“開源硬件”的范疇，官方聲明使用的詞語是“開放硬件”，因為樹莓派用的是定制的專用芯片，市場上買不到。反觀其他各種“派”（如香蕉派、香橙派、荔枝派等），基本上做到除了PCB版圖之外，能“開”的盡可能“開”了，反而應該歸屬開源硬件的范疇。

再來看看軟件，比較成熟的用于教學的開源軟件基本上分為兩類，一類是圖形化編程的軟件，或者基于開源圖形化軟件所做的二次開發，另一類是Python代碼編程IDE和擴展庫。因為高中在教材編寫的過程中，基本上統一使用了Python語言，因而很多優秀的Python庫進入了中小學教學。

總結下來可以說，硬件以Arduino、micro：bit、microPython和各種兼容“派”為代表，軟件以圖形化編程和Python為代表，共同推進了2018年以前國內人工智能、創客教育、STEAM教育、信息技術教育的發展。沒有他們，就不可能有信息技術學科教學質量的整體提升，從另一個角度來說，沒有他們，就不會有中國特色的開源軟硬件的孕育。這些開源軟硬件都很成功，但遺憾的是，以上這些都不是中國特色開源軟硬件，在這些開源軟硬件的核心團隊里幾乎見不到中國人的身影。

我剛才特意強調了一下2018年這個時間點，因為2018年以后，我們推出了以掌控板和虛谷號為代表的系列中國特色開源軟硬件。

謝作如：這樣看來，課題組前期的調研還是充分的，對軟硬件的分類也非常到位。那么，梁老師能不能再介紹一下，中國特色開源軟硬件目前取得了哪些新的進展？

梁森山：從課題組目前的觀察來看，開源軟硬件率先從高中信息技術選擇性必修教材《開源硬件項目設計》取得突破。

2019年經國家教材委員會專家委員會審核通過的人民教育出版社與中國地圖出版社聯合編寫的普通高中信息技術教材中，引入了國產自主知識產權開源硬件掌控板和虛谷號，作為《開源硬件項目設計》的主要教學載體，其中虛谷號還被必修2《信息系統與社會》選用搭建簡易信息系統。其后的教師用書和項目活動手冊也沿用了掌控板和虛谷號。

針對這套教材，課題組在做了一定的分析之后發現，掌控板在其中基本定位在控制器，同時兼做物聯網節點，還具備簡單感知與顯示的能力，從功能跨度上來看，相當于是Arduino、micro：bit和microPython三者的合體，開發軟件也基本能夠做到相互兼容。虛谷號定位在單板機，內置了一些教材中用到的軟件和工具等，可以看作是Python與網絡教學環境服務器，基本上做到即插即用，性能相當于樹莓派的水平。另一個亮點是，在兩款硬件底層，還嵌套著xugu通用硬件接口和Siot物聯網服務平臺。總體看下來，這種軟硬件組合，支撐高中階段的信息技術實驗教學與項目實踐應該是沒有問題的。

2019年之后，掌控板等其他國產開源軟硬件還入編了粵教版普通高中信息技術教科書選擇性必修6《開源硬件項目設計》活動冊及教師教學用書、浙教版普通高中信息技術教科書必修2《信息系統與社會》教師用書。國產自主知識產權的開源軟硬件入編高中信息技術教材的比例占一半以上。

除上述國家教材外，中國特色開源軟硬件還在地方信息技術和創客教育教材中取得進展，如掌控板和虛谷號均入編清華大學“大、中、小學一條龍教學研究”實驗教材，掌控板入編教育科學出版社“十三五”任務單式教學系列規劃教材《信息技術（基礎模塊）》……至于校本教材方面就很多了，如《掌控板和Mind+互動創意設計》《小創客學掌控板》等。

課題組還計劃聯合清華大學出版社推出一套《中國特色開源硬件》叢書，這些課程資源都在共同營造中國特色開源軟硬件生態。清華大學“大、中、小學一條龍教學研究”實驗教材編寫團隊在選擇教學軟硬件的時候，將開源和免費放在第一位，其次是跨平臺。因而，我們完全可以在任何一個操作系統上進行教學，包括Windows、MacOS、Linux，甚至包括剛發布不久的鴻蒙操作系統。這是很重要的突破。

另外，我覺得中國特色開源軟硬件今年能夠寫進《要點》，這本身就是開源軟硬件教育應用最大的進展之一。

李紅印：前面說到掌控板和虛谷號，其實我也有個問題想問謝老師。“虛谷計劃”是國內影響力最大的開源教育項目，我們熟悉的掌控板和虛谷號都是其中的項目之一。那么，作為“虛谷計劃”的聯合發起人，你能否說說為什么會發起“虛谷計劃”？特別是為什么會推出掌控板和虛谷號？

謝作如：關于“虛谷計劃”的起源，我在不同場合都講過多次。其實做任何事，理由往往不是只有一點，而是有很多。借著“中國特色開源軟硬件”這個話題，我想再說一個藏了多年一直沒說的故事。

五年前，也就是2016年前后，我參與編寫浙教版的高中信息技術新教材，其中必修2模塊和選擇性必修6模塊都涉及開源硬件。最開始從Arduino下手，但Arduino僅僅支持C/C++，和其他模塊教材使用的編程語言不統一。于是選擇了micro：bit，并試圖跟micro：bit官方建立一種交流、對話機制，提供我們發現的BUG或者教學需求以期望開發團隊能夠改進。例如，編程平臺就有兩個細節問題，“毫秒”與“微秒”翻譯成了同一個中文，舵機也不能正常使用。

當我嘗試把問題提交過去，結果發現石沉大海，沒有任何反饋。這種感覺很不舒服，就是我作為一名用戶，但是和開發團隊不能平等對話。在后續的交流中，這種感覺越來越強烈。于是，2018年暑假，借著人教-中圖版《開源硬件項目設計》編寫的機遇，我們聯合國內創客企業，嘗試推出了一塊醞釀已久的、具有自主知識產權的開源硬件，那就是大家所知道的掌控板。

掌控板最大的特點就是源自一線教學的需求，掌控板的每一個技術細節，每一個元器件的選擇，全部由我們中小學教師提出。第二個特點是使用通用的國產物聯網芯片（ESP32），自帶了藍牙和Wi-Fi，完美解決了高中必修2和選擇性必修6聯網和物聯網的需求。選用通用芯片的另一個好處就是課堂所學知識和工程項目實踐可以無縫結合、零門檻遷移，因為工業和消費市場用的是同一顆芯片。第三個特點是集成度高，性價比高，便于大范圍推廣和普及。除此之外，更重要的是產權歸屬“虛谷計劃”組委會，多家創客企業共同開發軟件，具備良好的生態，對于任何問題，都有順暢的渠道傳遞給開發團隊，不斷修改，不斷完善，這就是自主知識產權的好處和價值所在。

為了表達“兼容”與開放的態度，我們把掌控板Python庫的所有的引腳控制方法和micro：bit一致。考慮到有些學校可能已經買了micro：bit，所以我們還設計了一個同時兼容掌控板和micro：bit的擴展板。雖然我們推出掌控板，但是依然愿意跟國際保持接軌，不希望“排他”，不希望用戶處于兩難的選擇中——使用了掌控板就不能用micro：bit。

追憶這段“初心”，我現在不禁有些感慨。大家共同發起“虛谷計劃”，在設計掌控板和虛谷號的時候，其實僅僅是想設計一塊更加適合教學的開源硬件，并沒有想很多，尤其是沒有想到我們做的事情會和“中國特色開源軟硬件”結合起來，和國家的政策導向竟如此一致。

梁森山：謝老師私藏的故事還蠻精彩，而且還夾帶著干貨。那么通過這次對話，我們是不是可以做個初步的梳理，中國特色開源軟硬件應該具備哪些特征？能否請李處長進行簡要的歸納？

李紅印：首先中國特色開源軟硬件是一個待定的話題，也是一個開放的話題。這次對話只是進行一次探索和嘗試，歡迎教育領域的其他專家、一線教師能夠一起共同思考和探討這個話題，共同推進有中國特色開源軟硬件教學體系的建設。接下來我就結合目前的研究，談一談自己對這個話題的理解和認識。

“中國特色開源軟硬件”首先要符合“開源硬件”和“開源軟件”的規范，其次才是“中國特色”。其實謝老師在講掌控板的故事時，已經把中國特色開源軟硬件的特征大都“覆蓋”了。現在我們換個角度，把這些特征再提取出來。

第一個特征，需求來自一線教學，具有鮮明的“教學應用”特征。第二特征，軟硬件開發服務于教材和課程改革，算是第一個特征的延伸，但是價值導向更具體，那就是能夠出現在教材中。第三個特征，技術具有先進性和前瞻性。第四個特征，具備自主知識產權，做到軟件和硬件都可控。第五個特征，要有一定的國際影響力，能夠走出國門、走出去的才叫中國特色，如果走不出去，最多叫中國的。第六個特征，相對完善的自主可控社區與生態，這一條放在最后，是因為這條既重要又難辦，上期我們討論開源操作系統的時候，也有提到過，建立生態最難，因為生態靠的是吸引力。

以上幾點應該可以作為現階段“中國特色開源軟硬件”的基本界定，當然可能不夠全面，歡迎其他老師補充。

第三部分 期望

謝作如：非常感謝李處長概括的“中國特色開源軟硬件”的特征。作為一名中小學教師，每一次在教材中看到具備“中國特色”的開源軟硬件，都有一種自豪感油然而生。尤其是在教材和比賽中看到自己參與開發的開源軟硬件得到廣泛應用，得到各種認可，就更加深刻地的體會到什么叫“新時代是奮斗出來的”。

最后我想再問一個問題：接下來國家是否會出臺相關政策，對中國特色開源軟硬件做出實質性的支持？

李紅印：根據《要點》的要求，我們還在向相關主管部門匯報和溝通具體的工作措施，目前的思路是重點抓住三個方面的工作：一是從講政治的高度支持具有自主知識產權的國產教學用開源硬件健康發展，培養學生的民族自豪感和文化自信;二是堅持開源、開放和共享，合理引進社會產品和公共服務有序進課堂;三是堅持軟硬件同步推進，不偏不廢，共同營造相對完善的軟硬件生態環境。在具體工作過程中，也希望能夠得到院校專家、一線教師的大力支持和幫助，力爭盡快形成適合我國中小學開展創客教育以及信息技術課程教學的教育裝備支撐體系，共同營造中國特色開源軟硬件學術氛圍和生態環境。