開(kāi)源硬件在小學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用研究

河南許昌實(shí)驗(yàn)小學(xué) 楊 瑞

【關(guān)鍵字】 開(kāi)源硬件；創(chuàng)客教育；優(yōu)勢(shì)

我國(guó)于2016年6月制定印發(fā)了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等教育模式的應(yīng)用。全國(guó)各地的創(chuàng)客空間如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，如浙江省溫州中學(xué)的DF創(chuàng)客空間、北京景山學(xué)校的景山學(xué)校創(chuàng)客空間、上海格致中學(xué)的FabLab創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等。這些都是我國(guó)K-12教育階段創(chuàng)客空間的代表，而且大部分的創(chuàng)客空間都使用了開(kāi)源硬件作為一類開(kāi)發(fā)工具。

一、開(kāi)源硬件和創(chuàng)客教育的關(guān)系

開(kāi)源硬件是指與自由、開(kāi)放原始碼軟件相同方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。其中Arduino的誕生成為了開(kāi)源硬件發(fā)展史的里程碑。開(kāi)源硬件概念正式確立源自1997年，開(kāi)源運(yùn)動(dòng)的發(fā)起人之一，也是無(wú)線電發(fā)燒友（HAM）的布魯斯·佩倫斯首次發(fā)起的“開(kāi)源硬件認(rèn)證計(jì)劃”。

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，借助數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育。Arduino作為開(kāi)源硬件的典型代表，在創(chuàng)客教育中使用可以有助于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的有效開(kāi)展，學(xué)習(xí)者不需要對(duì)它的硬件結(jié)構(gòu)有多么深刻的了解，比較適合在中小學(xué)創(chuàng)客教育活動(dòng)中使用。

不同的開(kāi)源硬件具有不同的功能，像樹(shù)莓派、pcDuino平臺(tái)、BeagleBoard等這些性能相對(duì)高一些的開(kāi)源硬件，可以在高級(jí)或者偏重多媒體開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中進(jìn)行使用，達(dá)到的效果會(huì)更好。對(duì)于小學(xué)創(chuàng)客教育來(lái)說(shuō)，Arduino開(kāi)源硬件深受中國(guó)創(chuàng)客教育產(chǎn)品研發(fā)人員的青睞，但是它的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)C語(yǔ)言編程和電子線路的搭建這兩個(gè)基本的技能，這對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)存在一定的挑戰(zhàn)。所以開(kāi)發(fā)者根據(jù)學(xué)習(xí)對(duì)象的認(rèn)知特點(diǎn)，嘗試從這兩個(gè)方面對(duì)Arduino開(kāi)源硬件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。Scratch、ArduBlock、Mixly等圖形化編程工具的出現(xiàn)就是為了簡(jiǎn)化編程，讓初學(xué)者更容易接受和學(xué)習(xí)。

經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)Arduino開(kāi)源平臺(tái)作為一個(gè)典型的開(kāi)源硬件，有著極強(qiáng)的易用性和擴(kuò)展性，受到眾多電子工程師、手工制作愛(ài)好者的青睞，在國(guó)外應(yīng)用較為廣泛。筆者認(rèn)為開(kāi)源硬件是創(chuàng)客教育實(shí)踐創(chuàng)新教育過(guò)程中的重要工具之一，二者之間的核心問(wèn)題是怎樣讓孩子們更好地理解隱藏在兩者背后的技術(shù)和知識(shí)，從而利用新的數(shù)字技術(shù)來(lái)創(chuàng)造、分享和學(xué)習(xí)。兩者扮演的角色不同，缺一不可。

二、Arduino開(kāi)源硬件在創(chuàng)客教育中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

Arduino是意大利的一個(gè)教學(xué)用開(kāi)源硬件項(xiàng)目。筆者認(rèn)為，將Arduino開(kāi)源硬件應(yīng)用到小學(xué)創(chuàng)客教育中具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.價(jià)格低，開(kāi)放性強(qiáng)

Arduino開(kāi)源硬件的價(jià)格相對(duì)于同類型的開(kāi)源硬件來(lái)說(shuō)存在著明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，容易獲得。例如WER教育機(jī)器人的一套配置最低的設(shè)備價(jià)格也在2000多元，而同樣功能的Arduino開(kāi)源硬件，國(guó)產(chǎn)的行家版只需要幾十元，深受使用者的青睞；另外，它的硬件和軟件是完全開(kāi)放的，任何人都可以使用。開(kāi)放的源代碼可以給所有人免費(fèi)下載，用戶不需要有太多編程基礎(chǔ)就能做出令人驚艷的互動(dòng)作品。Arduino的開(kāi)源精神影響著全世界，也吸引了各個(gè)領(lǐng)域的人們加入Arduino的神奇世界。

2.平臺(tái)多，操作簡(jiǎn)單

要對(duì)Arduino開(kāi)源硬件進(jìn)行編程，既可以用文本式的Arduino IDE編程環(huán)境，也可以用圖形化積木式的編程環(huán)境Mixly，并且這兩款軟件均為綠色版的軟件，使用者不需要進(jìn)行安裝就可以直接使用。目前，我校的創(chuàng)客教育中使用到的編程平臺(tái)有Scratch、Mblock、慧編程等積木式編程平臺(tái)，它們也可以對(duì)Arduino開(kāi)源硬件進(jìn)行編程。這樣對(duì)于小學(xué)階段的孩子來(lái)說(shuō)，即使沒(méi)有學(xué)習(xí)電子電路相關(guān)的知識(shí)，也可以在老師的帶領(lǐng)下輕松地學(xué)習(xí)和使用它，關(guān)于積木式的編程軟件，孩子們?cè)谛畔⒓夹g(shù)常規(guī)課中有所接觸和學(xué)習(xí)，對(duì)于孩子們來(lái)說(shuō)會(huì)更好理解。這些編程軟件也解決了孩子們對(duì)于算法和設(shè)計(jì)程序中對(duì)程序結(jié)構(gòu)的理解，讓創(chuàng)客學(xué)習(xí)變成好玩的東西，進(jìn)而激發(fā)孩子們的學(xué)習(xí)興趣。

3.資源豐富

幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)創(chuàng)客教育先行者的不斷努力，國(guó)內(nèi)眾多教育團(tuán)隊(duì)和學(xué)校不斷探索和實(shí)踐，柔軟地改變著教育。2017年6月，中國(guó)教科院辦頒布了《中國(guó)STEM教育白皮書(shū)》，隨之有關(guān)創(chuàng)客教育的資源也開(kāi)始豐富起來(lái)，一些開(kāi)源的創(chuàng)客教育類的普惠課程開(kāi)始通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播開(kāi)來(lái)。我們通過(guò)學(xué)習(xí)和借鑒，并結(jié)合自己學(xué)校創(chuàng)客教育的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出適合我們自己的課程，并推廣給其他需要的學(xué)校，從而實(shí)現(xiàn)資源的共享和共建，進(jìn)一步豐富有關(guān)開(kāi)源硬件方面的資源。

4.發(fā)展迅速

開(kāi)源硬件經(jīng)歷了從集成電路發(fā)展初期到集成電路大規(guī)模發(fā)展時(shí)期，再到超大規(guī)模集成電路發(fā)展時(shí)期。21世紀(jì)，開(kāi)源軟件的流行進(jìn)一步刺激了開(kāi)源硬件的發(fā)展。在此過(guò)程中解決了開(kāi)源硬件生產(chǎn)成本過(guò)高的問(wèn)題，隨著其不斷發(fā)展和改進(jìn)，開(kāi)源硬件作為產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成熟。Arduino不僅是全球最流行的開(kāi)源硬件，也是硬件開(kāi)發(fā)的代表。Arduino簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使開(kāi)發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意的實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，將開(kāi)發(fā)周期也縮短了。

5.功能強(qiáng)大

Arduino芯片的擴(kuò)展性特別強(qiáng)，通過(guò)擴(kuò)展板和自帶的眾多I/O接口可以和超聲波傳感器、紅外傳感器、藍(lán)牙等相連接。開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)的便利性，使它特別容易和其他創(chuàng)客工具融合，比如孩子們要做一個(gè)智能路燈，只需要通過(guò)3 D打印機(jī)和激光切割機(jī)將路燈的外殼設(shè)計(jì)并制作出來(lái)，然后再將核心技術(shù)Arduino開(kāi)源硬件和聲音傳感器、光敏傳感器以及小燈模塊連接起來(lái)，通過(guò)“慧編程”軟件進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，這樣一款智能路燈就設(shè)計(jì)完成了。

Arduino開(kāi)源硬件在小學(xué)創(chuàng)客教育中應(yīng)用所具備的價(jià)格低、操作簡(jiǎn)單、資源豐富、發(fā)展迅速、功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)，在很大程度上促進(jìn)了我校創(chuàng)客教育的發(fā)展。根據(jù)國(guó)內(nèi)K 12領(lǐng)域?qū)W校的核心需求和教學(xué)特點(diǎn)，創(chuàng)客教育的發(fā)展需要通過(guò)開(kāi)源硬件和教育產(chǎn)品相結(jié)合，讓孩子在各類創(chuàng)客空間中自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)意智造，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。