理解開源硬件思想，驅(qū)動(dòng)實(shí)際問(wèn)題解決
——“開源硬件及其特征”教學(xué)建議

董玥 郭培培 韓冬兵 馬靜 北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)

普通高中信息技術(shù)課程之選擇性必修模塊6“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新力，它是實(shí)現(xiàn)STEAM教育理念的重要載體。

● 課程標(biāo)準(zhǔn)要求分析

“開源硬件及其特征”是該模塊的入門單元，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱課程標(biāo)準(zhǔn)）要求從實(shí)例出發(fā)進(jìn)行分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解開源硬件的基本概念和特征，知道開源硬件的發(fā)展歷史、用戶群體和影響力，了解常見(jiàn)的開源硬件平臺(tái)，體驗(yàn)簡(jiǎn)單的開源硬件項(xiàng)目，體會(huì)利用開源硬件進(jìn)行信息技術(shù)創(chuàng)新的價(jià)值和意義。

1.內(nèi)容要求

課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊提出了8項(xiàng)內(nèi)容要求，其中與本單元教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)的是：“6.1 基于實(shí)例分析，認(rèn)識(shí)開源硬件的特征與發(fā)展，理解利用開源硬件進(jìn)行信息技術(shù)創(chuàng)新的意義。”“6.2 通過(guò)剖析使用開源硬件完成作品的實(shí)例，體驗(yàn)基于開源硬件完成項(xiàng)目的基本流程，知道常用開源硬件的功能與特征。”[1]其具體教學(xué)內(nèi)容及要求如下表所示。

2.學(xué)業(yè)要求

課程標(biāo)準(zhǔn)中提出：“學(xué)生能在信息技術(shù)環(huán)境下綜合利用科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)與數(shù)學(xué)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，理解利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的基本思路與方法，認(rèn)識(shí)數(shù)字化工具在問(wèn)題解決方案中的價(jià)值與作用（信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。”在本單元中，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)例體驗(yàn)的方式，了解開源硬件是實(shí)現(xiàn)STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)與數(shù)學(xué)）的理想方法，理解利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的基本思路和方法，還可以結(jié)合生活情境，利用快速原型的方法解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)認(rèn)識(shí)數(shù)字化工具在問(wèn)題解決方案中的價(jià)值與作用。

教學(xué)內(nèi)容 要求開源硬件的特征 認(rèn)識(shí)開源硬件的發(fā)展 認(rèn)識(shí)利用開源硬件進(jìn)行信息技術(shù)創(chuàng)新的意義 理解基于開源硬件完成項(xiàng)目的基本流程 體驗(yàn)常用開源硬件的功能與特征 知道

“理解并自覺(jué)踐行開源的理念與知識(shí)分享的精神，理解保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的意義（信息社會(huì)責(zé)任）”也是“開源硬件及其特征”這一單元的重要內(nèi)容。在課堂教學(xué)中，學(xué)生可以通過(guò)小組之間的開源與共享、模塊與復(fù)用，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行迭代完善，踐行開源的理念與合作分享精神。

● 教學(xué)內(nèi)容分析

1.各版本教材分析

現(xiàn)行各版本教材均圍繞信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)展開，雖各有特色，但整體內(nèi)容相對(duì)統(tǒng)一。人教－中圖版教材第一單元“開源硬件及其特征”以“開源硬件推介會(huì)”為主題學(xué)習(xí)項(xiàng)目，主要教學(xué)內(nèi)容包括“認(rèn)識(shí)開源硬件”“開源硬件的發(fā)展”“開源硬件的特征”和“開源硬件與創(chuàng)新”四部分。浙教版教材第一單元“開源思想與開源硬件”以“近三年最具影響力的中國(guó)開源硬件事件的評(píng)述”為主題學(xué)習(xí)項(xiàng)目，主要內(nèi)容包括“開源思想與開源運(yùn)動(dòng)”“開源硬件的發(fā)展特征”“開源硬件的經(jīng)典案例”三部分。粵教版教材第一單元“認(rèn)識(shí)開源硬件項(xiàng)目”以“體驗(yàn)開源硬件開發(fā)平臺(tái)”為主題學(xué)習(xí)項(xiàng)目，主要內(nèi)容包括“開源硬件的特征和發(fā)展歷程”“利用開源硬件進(jìn)行創(chuàng)新”“開源硬件系統(tǒng)的組成及開發(fā)環(huán)境”三部分。

通過(guò)對(duì)比以上各版本的教材內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)各教材均以主題項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式設(shè)計(jì)，從學(xué)生熟悉的生活場(chǎng)景出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開源硬件實(shí)踐體驗(yàn)，認(rèn)識(shí)和了解開源硬件的特征、發(fā)展歷史、創(chuàng)新性以及常用的開源硬件平臺(tái)。

2.教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，并結(jié)合各版本教材的對(duì)比分析，筆者設(shè)定單元1“開源硬件及其特征”的教學(xué)目標(biāo)為：①通過(guò)實(shí)例體驗(yàn)，認(rèn)識(shí)開源硬件，了解其相關(guān)概念，了解常見(jiàn)開源硬件平臺(tái)及其相關(guān)功能模塊；②通過(guò)閱讀、搜集資料，了解開源硬件的發(fā)展歷史；③通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)，認(rèn)識(shí)到開源硬件的用戶群體和影響力；④通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的分享整合，掌握開源硬件的特征，并能簡(jiǎn)單使用開源硬件的功能模塊；⑤通過(guò)完成項(xiàng)目任務(wù)，體會(huì)學(xué)習(xí)開源硬件對(duì)個(gè)人和社會(huì)創(chuàng)新的意義和價(jià)值。

本單元的重點(diǎn)是開源硬件的特征，難點(diǎn)是常見(jiàn)開源硬件平臺(tái)及其功能模塊的使用。在教學(xué)過(guò)程中，教師需要選擇恰當(dāng)?shù)拈_源硬件實(shí)例，提供相關(guān)的閱讀素材和體驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)適合學(xué)生的開源硬件項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，才能有效地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

3.核心概念分析

本單元涉及的核心概念包括“開源”和“開源硬件”。對(duì)于“開源”這一核心概念，各版本教材都從開源軟件講起，然后上升到開源思想這一概念，這其實(shí)也是開源硬件的本質(zhì)，即分享知識(shí)，協(xié)作創(chuàng)新。對(duì)于“開源硬件”這一核心概念，各版教材雖然定義各不相同，但基本相近。例如，人教－中圖版對(duì)開源硬件的定義是“開源硬件指可以通過(guò)公開渠道（如開源社區(qū)）獲得其硬件設(shè)計(jì)，并允許任何人進(jìn)行學(xué)習(xí)、修改、發(fā)布、制作和銷售的硬件。”[2]浙教版對(duì)開源硬件的定義則是“開源硬件（Open Source Hardware）是指在遵循開源許可協(xié)議的前提下，將計(jì)算機(jī)和電子硬件，包括電路原理圖、材料清單、設(shè)計(jì)圖等，完全以開源的方式授權(quán)用戶自由地使用、分享和再創(chuàng)作。”[3]通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者對(duì)開源硬件定義的本質(zhì)其實(shí)是相同的。在教學(xué)過(guò)程中，教師要帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)各學(xué)習(xí)小組之間項(xiàng)目的分享與協(xié)作、模塊與復(fù)用，同時(shí)在不斷更新完善項(xiàng)目的過(guò)程中，理解和體會(huì)開源硬件的定義及其內(nèi)涵。

● 教學(xué)實(shí)施建議

在設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向的開源硬件項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)中，建議將教學(xué)實(shí)施分為真實(shí)互動(dòng)—快速原型—分享整合—遷移創(chuàng)新四個(gè)核心步驟展開，分別對(duì)應(yīng)學(xué)生的好奇—理解—應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新四個(gè)思維階段，以此幫助學(xué)生理解開源硬件思想，學(xué)會(huì)利用開源硬件等數(shù)字化工具，綜合應(yīng)用習(xí)得的知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題，從而促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)思維和計(jì)算思維能力的發(fā)展。[4]

1.通過(guò)真實(shí)互動(dòng)，讓學(xué)生快速直觀地了解開源硬件的相關(guān)概念

本單元教學(xué)涉及開源、開源軟件、開源硬件和開源協(xié)議等概念，這些概念對(duì)學(xué)生而言，多屬于初次接觸，因此可以通過(guò)實(shí)例體驗(yàn)的方式，讓學(xué)生直觀地接觸到真實(shí)的開源硬件設(shè)備，在操作和體驗(yàn)的過(guò)程中，對(duì)本單元涉及的概念有具象的認(rèn)識(shí)和了解，同時(shí)理解概念之間的內(nèi)涵與關(guān)系。這比教師單一講授更便于學(xué)生接受和理解。

2.以快速原型的方法，構(gòu)建生活中的場(chǎng)景案例，讓學(xué)生體會(huì)到開源硬件發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)因

開源硬件的迅速發(fā)展，有其必然性和內(nèi)在動(dòng)因，這種發(fā)展源于信息技術(shù)自身的發(fā)展，也和開源硬件自身的特點(diǎn)有關(guān)。開源硬件原創(chuàng)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)上手快、簡(jiǎn)單易操作，這些特點(diǎn)讓媒體藝術(shù)愛(ài)好者和教育領(lǐng)域的師生可以設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意，或者利用開源硬件驗(yàn)證一些構(gòu)想。大眾對(duì)開源硬件的需求使得它有了更多的應(yīng)用場(chǎng)景，這些應(yīng)用又促進(jìn)了開源硬件的研究和開發(fā)。

在教學(xué)過(guò)程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活中的某些場(chǎng)景，通過(guò)快速原型法構(gòu)建該場(chǎng)景，并對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行有益的改進(jìn)。此外，也可以讓學(xué)生提出某一構(gòu)想，通過(guò)快速原型法構(gòu)建該構(gòu)想的雛形，分析其應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)可行性。通過(guò)實(shí)踐探究，學(xué)生感受到開源硬件的價(jià)值和意義，自然也就理解了它蓬勃發(fā)展的必然性和內(nèi)在動(dòng)因。

3.通過(guò)項(xiàng)目的分享整合，讓學(xué)生體會(huì)和理解開源硬件的特征

開源硬件具有開源與開放、分享與協(xié)作、模塊與復(fù)用三個(gè)典型特征。這些特征有利于大眾通過(guò)開源硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)造，這也是促進(jìn)開源硬件發(fā)展的重要內(nèi)因。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以通過(guò)分組設(shè)計(jì)項(xiàng)目、組間項(xiàng)目分享、班級(jí)項(xiàng)目整合的方式讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)到開源硬件的典型特征。

例如，可以設(shè)計(jì)“多檔亮度調(diào)節(jié)燈”項(xiàng)目，將全班分A、B兩大組，A組學(xué)生完成串口傳輸并顯示的任務(wù)，B組學(xué)生完成模擬輸出端口控制燈亮度的任務(wù)。待任務(wù)完成后，分別請(qǐng)兩組的學(xué)生代表匯報(bào)本組的任務(wù)成果，并講解實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，同時(shí)將小組電路圖和程序共享。接下來(lái)再請(qǐng)全班學(xué)生共同完成通過(guò)串口控制，讓燈可以有四檔亮度變化的進(jìn)階項(xiàng)目。通過(guò)這樣的過(guò)程，學(xué)生對(duì)開源硬件項(xiàng)目的特征就有了切實(shí)的體驗(yàn)。

4.通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在創(chuàng)作過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力

學(xué)習(xí)開源硬件，必須以實(shí)踐為根本，只有在不斷實(shí)踐探索的過(guò)程中，學(xué)生才能真正體會(huì)到學(xué)習(xí)開源硬件的樂(lè)趣。開源硬件傳感器及外部設(shè)備的使用方法都有其規(guī)范和程序，這都屬于開源硬件的基礎(chǔ)，當(dāng)學(xué)生掌握了硬件設(shè)備的控制方法后，怎樣通過(guò)各種組合更好地應(yīng)用，更好地實(shí)現(xiàn)其功能，更好地呈現(xiàn)效果，都需要學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。學(xué)會(huì)使用開源硬件不難，但如何用好開源硬件，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的相互配合，還需要學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中不斷體會(huì)和學(xué)習(xí)。

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)開源硬件的核心概念、基本特征、發(fā)展歷程，開源硬件項(xiàng)目開發(fā)流程，以及通過(guò)開源硬件項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新都有了基本的了解，同時(shí)，本章的學(xué)習(xí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，指引了學(xué)生的探索方向，為后續(xù)章節(jié)的有序推進(jìn)打下了基礎(chǔ)。