推進信息科技教育生態國產自主可控培育中國信息科技人才

朱立新

北京師范大學互聯網教育智能技術及應用國家工程研究中心學習環境設計與評測實驗室聯席主任、高級工程師。長期從事信息科技教育的生態研究，重點關注RISC-V芯片、人工智能教育芯片及其終端設備、信息科技教育終端操作系統、物聯網技術及教育應用研究、STEM教育生態研究。

2022年4月，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》頒布，課標中超過四十次提及了國產自主可控。在義務教育階段，信息科技教育教學的實踐涵蓋了從芯片到圍繞芯片設計的硬件板卡教具、操作系統到教學應用軟件等四大部分，構成了信息科技教育的完整生態鏈。

實現國產安全自主可控，以中國研發的自主可控的芯片、硬件及其基礎軟件、應用軟件培養中國的科技人才具有重大國家戰略意義。本期，我們專訪了北京師范大學互聯網教育智能技術及應用國家工程研究中心高級工程師朱立新，他從2018年就開始關注國內信息科技教育的生態發展。

本刊編輯：義務教育階段信息科技教育課程標準多次提及國產自主可控，您認為從國家戰略方面的具體意義是什么 ？

朱立新：目前，在中國義務教育階段，信息科技教育所使用的芯片主處理器、硬件板卡、操作系統、應用軟件，主要以美國和歐洲產品為主，中國在芯片和基礎軟件領域有明顯的短板。自2018年以來，美國對我國芯片、嵌入式操作系統信息領域核心技術進行了封鎖。因此，實現國產自主可控的信息科技教育對于培養學生對國內自主研發的信息科技產品和技術的認知和理解至關重要。這有助于提高學生的科技創新能力、工程實踐能力和解決實際問題的能力，為培養高素質的科技人才奠定堅實的基礎。

通過培育圍繞中國信息科技教育的生態鏈，可以建立一個完整的教育體系，覆蓋從教育教學工具的研發和生產到教學實踐的全過程。這樣的生態鏈可以促進教育資源的本土化和可持續發展，為學生提供更好的學習體驗和教育機會。使用中國研發的自主可控信息科技教育產品也有助于推動國內信息科技產業的發展。信息科技教育的國產自主可控可以保障國家信息安全和數據隱私，在當前全球信息化競爭激烈的背景下，依賴自主可控的信息科技教育生態可以減少對外部技術的依賴，提高國家的信息安全能力。

本刊編輯：信息科技教育的國產自主可控具體是指什么？有哪些組成？

朱立新：信息科技教育的國產自主可控，從技術棧的角度來看，可以劃分為信息科技教育芯片、圍繞芯片設計的硬件板卡、基礎軟件，以及信息科技教育應用軟件。

信息科技教育芯片：是基于特定的技術標準和需求設計的芯片，用于支持信息科技教育的各種功能和應用。這些芯片通常包括處理器、內存、存儲、輸入/輸出接口等關鍵組件，為信息科技教育提供計算和數據處理能力。

硬件板卡：圍繞信息科技教育芯片設計的硬件板卡是指將芯片與其他硬件、組件集成在一起的硬件平臺。這些硬件板卡可以包括各種傳感器、顯示屏、攝像頭、麥克風等外設，以及擴展接口和連接器，為學生提供與信息科技教育用途相關的交互和實驗功能。

基礎軟件：主要包含應用于信息科技教育教具的嵌入式操作系統或固件和PC端運行的通用操作系統。嵌入式操作系統或固件是安裝在信息科技教育用具上的系統軟件，用于管理和控制教育用具的功能和資源。這些操作系統或固件通常具有簡化的界面和功能，以便學生能夠輕松使用和學習。PC上運行的通用操作系統，主要支撐信息科技教育的操作軟件、資源軟件等信息科技教育應用軟件。

信息科技教育應用軟件：是指在中小學信息科技教育中使用的軟件工具和應用程序，用于提供各種教育內容、實驗模擬、編程環境等功能。這些應用軟件可以包括編程工具、虛擬實驗室、教育游戲等，旨在培養學生的計算思維、編程能力和問題解決能力。

在信息科技教育的生態系統中，從芯片、硬件板卡、操作系統到應用軟件，國內的發展尚未形成一個完整的生態系統。盡管我國在信息技術領域取得了一定的進展，但與國際領先水平相比，還存在一些差距和挑戰。

以信息科技教育教學用具為例，主處理器芯片和圍繞主處理器研發的硬件板卡，是信息科技教育教學用具的核心組成部分。盡管中國在芯片設計和制造領域有一定的發展，但在信息科技教育高端專用芯片的研發方面，對標科技教育中應用廣泛的單板機樹莓派采用的美國博通公司的芯片，目前國內是一個空白。

要形成一個國內完全自主可控的信息科技教育生態系統，需要持續的投資、技術研發和創新推動。政府、產業界和學術界可以共同努力，加強合作，推動芯片、板卡、操作系統和應用軟件的發展，促進互聯互通、標準化和開放共享，提高國內信息科技教育用具的質量和競爭力。產業界和學術界可以加強合作，共同推動信息科技教育生態國產自主可控的發展。

本刊編輯：教育用具在信息科技教育中是不可或缺的，其中芯片是靈魂和基石，目前國產自主可控芯片在信息科技教育教具中面臨的主要問題是什么？

朱立新：圍繞國產自主可控芯片在信息科技教育教具中面臨的主要問題，主要表現在以下三個方面。

第一，芯片核心嚴重依賴國外授權。基于ARM內核設計的必要條件是購買日本軟銀公司授權，才能進行芯片的設計，這為我國研發自主可控的專用信息科技教育專用芯片增加了設計成本，同時也帶來了技術依賴。我國信息科技教育芯片缺少具有自主知識產權的CPU內核體系架構，嚴重依賴于ARM內核體系結構的芯片設計策略，不利于芯片的本土化和國產化自主可控，也不符合國家提出的建設數字資源新型基礎設施、可信安全新型基礎設施的方針政策。

第二，信息科技教育專用芯片匱乏。醫療行業、汽車行業、航空產業對于芯片的要求都有嚴格的行業標準，國內半導體公司設計芯片開始時的產品定義主要為應用于某一特定領域，但是因為信息科技教育領域沒有行業標準，而且對芯片的性能要求門檻低，所以不少芯片衍生應用到信息科技教育領域。

因此，國內尚沒有一顆SoC芯片是專為信息科技教育研發設計，缺少一顆能夠涵蓋編程教育、機器人教育、創客教育尤其是人工智能教育所有功能的專用芯片。教師要根據實際教學實驗的需要，圍繞現有的板卡，額外搭載多個外設實驗附件模塊。隨著人工智能教育的興起，帶來的影響就是終端的芯片缺少機器學習、深度學習算法的硬件加速單元，導致國內的不少教學用具必須借助云端或者PC端進行計算，給智慧課堂帶來不便。

第三，圍繞芯片設計的硬件標準缺失。目前應用于信息科技教育的芯片及其硬件產品五花八門，尤其是圍繞主芯片的外圍接口沒有統一的接口標準，導致實驗的外圍附件模塊種類繁多。教師在進行信息科技教育教學時，沒有標準化的信息科技教育用具供選擇。各地信息科技教育課程沒有統一的教具，針對不同年齡階段的學生以及不同課程體系應該使用哪些信息科技教育教學用具，沒有明確的分級體系。

本刊編輯：信息科技教育生態中的軟件重要性日益凸顯，目前國內的操作系統及其應用軟件，面臨哪些挑戰？有什么樣的探索？

朱立新：在信息科技教育環境中，定制化的操作系統和應用軟件對于多硬件、多平臺之間的拓展和教育人群的使用場景具有重要意義。

當前存在一些問題與挑戰，缺乏針對信息科技教育的定制化操作系統。目前，大部分操作系統并非專門為信息科技教育環境而設計，它們通常是通用的操作系統，如Linux、FreeBSD等。這些操作系統可能包含了許多不適用于教育環境的組件和功能，且對開發者有較高的技術要求。

教育專用性不強：通用操作系統和應用軟件可能缺乏對教育教學的專門優化。在信息科技教育中，特別是針對不同年齡組的學生，教育專用的操作系統和應用軟件可以提供更易于理解和使用的界面、工具和功能，以滿足教學需求。

可靠性和穩定性問題：一些單板計算機，如樹莓派的基于Linux的Raspbian操作系統，雖然進行了深度優化，但在可靠性和性能方面不如專門的嵌入式系統。在教育環境中，穩定性和可靠性對于學生的學習體驗和教學效果至關重要。

技術要求較高：通用操作系統和應用軟件往往需要一定的技術知識和經驗才能進行開發和定制。對于教育從業者和學生來說，這可能是一個挑戰，特別是對義務教育階段的信息科技教師而言。

解決這些問題，國內從事信息科技教育的企業和學術機構，可從以下幾個方向進行探索。

開發針對信息科技教育的定制化操作系統：可以針對信息科技教育的需求和場景，開發定制化的操作系統，提供易于使用、專門優化的界面、工具和功能，以滿足教學需求，并降低技術門檻。

提供信息科技教育專用的應用軟件：開發針對不同年齡組學生的教育專用應用軟件，提供易于理解和使用的界面、工具和功能，支持教學活動和編程實踐。

加強嵌入式系統的研發和應用：嵌入式系統在可靠性和性能方面具有優勢，可以進一步加強嵌入式系統的研發和應用，以滿足信息科技教育的需求。

提供教育培訓和支持：為教育從業者和學生提供相關的培訓和支持，降低定制化操作系統和應用軟件的技術門檻，使其能夠更好地應用于教育實踐中。

本刊編輯：圍繞信息科技教育的整個生態系統，您認為未來可以從哪些方面進行合理的規劃和建設？

朱立新：中國要發展具有國產自主可控的信息科技教育生態，要從芯片、硬件教具板卡、國產信息科技教育軟件、教程和教輔、網上社區、信息科技教育的大數據平臺六個方向進行規劃和建設。

一是芯片。基于RISC-V指令集的CPU體系結構，設計一顆中國完全自主研發的SoC芯片，芯片的功能設計要充分滿足創客教育、機器人教育、科學教育、編程教育的要求，更重要的是要具備人工智能加速功能，以便在芯片端、邊緣端直接運行深度學習算法模型，甚至能夠運行ChatGPT這樣的大語言模型。

二是硬件教具板卡。圍繞這顆芯片打造一個中國版的類似樹莓派的信息科技教育硬件平臺，基礎軟件搭載中國自主知識產權的操作系統，應用軟件要具備一個完全自主知識產權的圖形化操作軟件。

三是國產信息科技教育軟件。開發和推廣國產的信息科技教育軟件，涵蓋編程學習、數據分析、圖形設計等方面。這些軟件可以提供符合國內教育需求的教學內容和工具，支持學生在信息技術領域的學習和實踐。

四是教程和教輔。編寫和發布適用于國產信息科技教育生態的教程和教輔材料。這些教材應該與國內《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》相匹配，提供系統化的教學指導和實踐項目，幫助學生全面掌握信息科技相關的知識和技能。

五是網上社區。建設信息科技教育的網上社區平臺，為教師和學生提供在線交流和資源共享的平臺。這樣的社區可以促進教學經驗的交流、教學資源的互動，增強信息科技教育的協作和創新能力。

六是信息科技教育的大數據平臺。建設大數據平臺，收集、分析和應用信息科技教育的相關數據，可以為信息科技教育工作者、電教館、教育區域化治理、國家教育部門等提供各種大數據服務，為區域信息科技服務提供數據支撐。這些數據也可以為國家教育部門提供決策依據，制定和調整信息科技教育政策，推動信息科技教育的發展。

編" "輯：仲玉維