軟硬兼施，開源創新
——開源硬件項目設計模塊的教學策略

李維明

“開源硬件項目設計”是為學生個性化發展而設計的課程中的三個模塊之一，是針對學生個性化發展需要，按照開源硬件項目設計流程而設置的選擇性必修模塊。雖然模塊名稱有“硬件”標簽，但開源硬件項目的設計與實現卻與軟件關聯甚緊，所以本模塊的教學采用“軟硬兼施”的策略為上。

● 開源硬件與軟件

開源（Open Source）這一概念興起于軟件行業，其基本內涵是開放源代碼，即源代碼開放共享的開發模式。開源模式是一種依托互聯網平臺，大規模群體智慧通過共同參與和協作而不斷累積，實現持續創新的方法。在開源模式下，通過許可證的方式，使用者在遵守許可限制的條件下，可自由獲取源代碼，并可使用、復制、修改和再發布。開放的源代碼大多是免費的，因此得到廣大編程愛好者和產品開發者的青睞，從而在一定的程度上促進了編程技術的發展。

“開源硬件”就是以“開放源代碼軟件”相同的方式“開放”“源”電子硬件的設計，并通過這樣的方式設計及“衍生”出來的硬件產品。信息技術課程中經常使用的開源硬件核心板如基于單片機的“Arduino”、基于Python的“掌控板”、基于Linux的“樹莓派”和“虛谷號”等都屬于“開源硬件”及“衍生”品。這些源硬件核心板、擴展板加上它們的編程軟件，就構成了開源硬件項目的開發平臺。

開源的本質在于開放、共享、協同，由此形成的“開源文化”，催生了眾多的“開源社區”。這些社區由全世界擁有共同興趣愛好的人組成，是自由學習交流的空間，在推動開源軟件、硬件發展的過程中起著不可忽視的作用。這些“開源社區”里大量的開源項目案例及資源，也是信息技術課程教學資源的重要來源。

● 開源硬件項目的開發

“開源硬件項目”一般特指兩類項目：①硬件設計本身的開源項目，這類項目涉及硬件的設計與制造，難度較大；②利用開源硬件開發、設計、制作的項目，這類項目難度較低，適應面廣，特別適合信息技術教學及創新教育領域應用。

“開源硬件項目”的開發，需要經過創意設計、硬件組裝、軟件編程、測試運行、完善迭代等多個環節（如下圖）。

所謂創意就是頭腦中的一種想法，需要通過設計把這種想法加載在某個具體的硬件或軟件中；而之后的硬件組裝、軟件編程、測試運行、完善迭代等多個環節，就是為實現這個創意設計而進行的具體步驟。

“開源硬件項目”的開發，還需要考慮其教學價值及經濟成本，一般選用開放程度高、周邊配套齊、操控方法簡便、展示效果好、結實耐用、物美價廉的系統及產品，特別是周邊配套的因素需要重點考慮。因為開源硬件的核心板一般都比較簡練，很多功能需要擴展才能實現，周邊配套的軟件、硬件，包括各種傳感器、接插件的豐富程度直接影響創意設計實現的可能性。

● 教學的基本策略

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）要求：“通過本模塊的學習，學生能搜索并利用開源硬件及相關資料，體驗作品的創意、設計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創新能力。”這里“體驗”開源硬件開發的完整過程是學生活動的主干，是教學落實的重點；而“初步形成”“觀察”“求解”問題的能力，“提升”計算思維及創新能力是教學的目的，是努力實現的目標。

基于此，筆者提出本模塊教學的基本策略之一——親歷體驗，這也就是《課標》中建議的“組織學生利用開源硬件設計開發一些生活中的簡單信息系統，引導學生理解項目設計過程中常用的開源硬件，熟悉開源硬件的基本使用方法，認識基于開源硬件的信息系統的基本結構及一般設計流程”。

怎樣“利用”開源硬件“設計開發”生活中的簡單信息系統？這是教學中實現學生“體驗”的重點。為了幫助學生實現更好的體驗，選擇好的項目開展教學十分必要。現行的教材中就有不少優秀項目，如“設計制作低頭報警儀”“設計制作基于開源硬件的感應燈”“設計制作智能園藝裝置”等。

在實例體驗及剖析的基礎上，筆者提出本模塊教學的基本策略之二——開放創新，這也就是《課標》建議的“設計較為開放的任務，給學生充分的想象與創新空間”。

什么是“開放的任務”？一般的任務有明確的產品制作目標，如“基于開源硬件的感應燈”的制作、“智能水杯”的制作等，這類任務學生雖有一定的創意空間，但在產品類別上有明確的限制；同時，教師提供的實驗器材也僅限于完成這類作品所需。開放的任務不受產品類別、用途的限制，是以學生為中心，讓學生結合所學知識，自主選擇項目、合作伙伴、指導教師、學習環境等，以達到創新、創造的目的。

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭源泉，創新是引領發展的第一動力，是科技教育追求的基本目標。如何設計項目任務，激發學生創新的興趣，培養學生創新、創造的能力，這是教學中應當關注的重要問題。如果在教學中引入STEAM（科學、技術、工程、人文藝術與數學）教育的理想方法，“開放創新”的意義將會得到進一步的提升。

● 學業評價建議

“開源硬件項目設計”模塊仍然是“為學生個性化發展而設計的課程”的模塊，也是實踐性極強的內容模塊。建議測評時仍以實踐操作、創新創造的效果為測評依據。一方面對“親歷體驗”的效果進行測評，檢測學生能搜索并利用開源硬件及相關資料，體驗作品的創意、設計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和求解問題的能力，以確定基本成績；另一方面對“開放創新”的效果進行測評，檢測“提升計算思維與創新能力”的效果，以確定加分成績。兩部分成績相加，形成本模塊修習的學業成績。

常言道教無定法，選擇性必修模塊的教學更是如此。只有明確“立德樹人”的根本任務，把握素養培育的基本要求，立足學生主體的教育陣地，開展開放創新的課堂教學，“軟硬兼施”、開源創新，克服教學中遇到的各種困難，才能取得更好的教學成果。