基于開源硬件的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué) 與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

梁森山

● 信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）提出了“信息技術(shù)課的教學(xué)場(chǎng)所將從機(jī)房轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓夹g(shù)實(shí)驗(yàn)室”，很多一線教師認(rèn)為這樣的提法符合當(dāng)前信息技術(shù)教育發(fā)展趨勢(shì)，能夠幫助解決信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)化以及在創(chuàng)客教育、STEAM教育深入發(fā)展的過程中所亟待解決的一些關(guān)鍵問題，但是，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)涵蓋哪些內(nèi)容？需要配備哪些儀器、設(shè)備、器材？信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室如何建設(shè)？需要哪些軟件環(huán)境和硬件環(huán)境？信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，又能給信息技術(shù)學(xué)科發(fā)展帶來哪些契機(jī)和挑戰(zhàn)？這些都還需要教育工作長(zhǎng)期探索、實(shí)踐和總結(jié)。

總體來看，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成果，無論在數(shù)量方面，還是質(zhì)量方面，相對(duì)都比較薄弱，與國(guó)家對(duì)信息技術(shù)學(xué)科實(shí)驗(yàn)的重視非常不匹配。以“信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)”為主題在中國(guó)知網(wǎng)檢索，所得數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，大量“使用或基于信息技術(shù)改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（物理、化學(xué)、生物等學(xué)科）教學(xué)案例”摻雜在其中，真正的信息技術(shù)學(xué)科實(shí)驗(yàn)很少。知網(wǎng)大成編客欄目2019—2020年連續(xù)推出的2輯《中小學(xué)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例匯編》（限于版面，此處不詳述，內(nèi)容詳見http：//bianke.cnki.net/Home/Corpus/7397.html、http：//bianke.cnki.net/home/corpus/23870.html），則比較全面地梳理了當(dāng)前中小學(xué)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的存量。

● 信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

信息技術(shù)課程的前身是計(jì)算機(jī)課程，這一變化不僅是名稱及其所指內(nèi)容的變化（超越了基于計(jì)算機(jī)/臺(tái)式機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)內(nèi)容），還體現(xiàn)了課程目標(biāo)的變革（從計(jì)算機(jī)素養(yǎng)轉(zhuǎn)變到信息素養(yǎng)的培養(yǎng)），然而一直以來信息技術(shù)課程的教學(xué)場(chǎng)所始終局限在計(jì)算機(jī)教室，以應(yīng)用軟件的操作訓(xùn)練和程序設(shè)計(jì)入門為主要教學(xué)形式，遠(yuǎn)未能跟上課程名稱和內(nèi)涵的變化步伐，與高中階段育人目標(biāo)嚴(yán)重不符。

知網(wǎng)大成編客欄目推出的《信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)——信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例》第2輯第4章綜合匯編了“信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”方面的學(xué)術(shù)研究成果，主要聚焦在高中階段。在《高中信息技術(shù)必修課實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索》一文中，鐘柏昌考證高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)首次使用了“信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”來指稱信息技術(shù)課程的教學(xué)場(chǎng)所，表明信息技術(shù)課程教學(xué)不僅需要新理念，更需要新環(huán)境。

上海外國(guó)語大學(xué)附屬浦東外國(guó)語學(xué)校的孫政庭在《新課標(biāo)背景下高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的構(gòu)想》一文中，從課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，分析了各課程模塊中對(duì)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的具體要求，針對(duì)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的物理空間設(shè)計(jì)、軟硬件配置、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)完善、教師的素質(zhì)要求等方面提出了建設(shè)構(gòu)想。信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是未來信息技術(shù)課程實(shí)施的基本保障，是高中學(xué)生開展創(chuàng)新型研究和教師開展STEM（STEAM）教學(xué)的理想園地，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)閷W(xué)生提供理想的數(shù)字化學(xué)習(xí)、實(shí)踐的場(chǎng)所。

在《支撐多課程生態(tài)系統(tǒng)的高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)》一文中，孫政庭又提出信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)既要“以標(biāo)為標(biāo)”，又要同不斷形成的多課程生態(tài)系統(tǒng)共生，促成“課程是教師、學(xué)生、教材、環(huán)境四個(gè)因素動(dòng)態(tài)交互作用下的‘生態(tài)系統(tǒng)”，尤其是STEM（STEAM）教育、創(chuàng)客教育、研究型學(xué)習(xí)項(xiàng)目的實(shí)施，使得學(xué)科之間、課程與課程之間的聯(lián)系愈加緊密，相互依存。

● 基于開源硬件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

關(guān)于信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)等建設(shè)無疑會(huì)是今后一段時(shí)期內(nèi)信息技術(shù)學(xué)科教育的一個(gè)熱門話題，筆者站在《新課標(biāo)》結(jié)構(gòu)、群眾基礎(chǔ)和文化自信等角度，認(rèn)為“基于開源硬件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”更能契合《新課標(biāo)》要求，體現(xiàn)時(shí)代精神，展示文化自信，貼合群眾基礎(chǔ)，在內(nèi)容和形式上都與當(dāng)下在中小學(xué)校廣泛開展的創(chuàng)客教育、STEAM教育實(shí)踐不謀而合。

1.開源硬件是《新課標(biāo)》內(nèi)容之一

在《新課標(biāo)》的課程結(jié)構(gòu)中，選擇性必修模塊6為“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”，并提出：“基于開源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，同時(shí)也是在信息技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)STEAM教育的理想方法?！遍_源硬件在《新課標(biāo)》其他各模塊中的描述如下表所示。

從表中不難發(fā)現(xiàn)，“開源硬件”在信息技術(shù)各模塊之間明顯起著“共同關(guān)聯(lián)詞”作用。實(shí)際上，開源硬件對(duì)信息技術(shù)學(xué)科各個(gè)模塊的“技術(shù)設(shè)備底層支持”不是巧合，而是在課標(biāo)修訂過程中精心設(shè)計(jì)的。

2.開源硬件有良好的群眾基礎(chǔ)

開源硬件、創(chuàng)客教育與信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)有著天然的姻緣。“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，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育。”

《新課標(biāo)》要求以主體項(xiàng)目式學(xué)習(xí)組織教學(xué)形式，教學(xué)過程要提供技術(shù)多樣、資源豐富的數(shù)字化環(huán)境，要不斷創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，要以有實(shí)踐意義的項(xiàng)目作為教學(xué)的主要方式，這就要求教學(xué)過程中必須要提供相應(yīng)的軟硬件環(huán)境予以支持。開源硬件的開源與開放、分享與協(xié)作、模塊與復(fù)用等典型特征，為創(chuàng)客教育、STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)提供了良好的載體和媒介。

而《新課標(biāo)》的頒布，使得信息技術(shù)學(xué)科看到了具體的操作路徑，其中非常引人注目的是選擇性必修模塊6“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”，有很多教師覺得，這個(gè)模塊仿佛“就是為了普及創(chuàng)客教育設(shè)計(jì)的”。

3.教學(xué)用開源硬件正在從自主走向自信

人教-地圖版《信息系統(tǒng)與社會(huì)》和《開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)》編委會(huì)在教材論證、編寫過程中，從眾多開源硬件中，選擇了兩款教學(xué)用國(guó)產(chǎn)自主的開源硬件作為主體項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主要載體，其中一個(gè)是面向物聯(lián)網(wǎng)的掌控板，另一個(gè)是基于Linux系統(tǒng)的開源卡片計(jì)算機(jī)虛谷號(hào)。以此為標(biāo)志，教學(xué)用開源硬件正在從自主走向自信。

虛谷號(hào)是一個(gè)面向人工智能教學(xué)和Python編程學(xué)習(xí)的中國(guó)原創(chuàng)開源硬件平臺(tái)，板內(nèi)集成高性能處理器和通用單片機(jī)，內(nèi)置多功能擴(kuò)展接口和多種通信接口，可以看成是樹莓派3與Arduino UNO的合體。掌控板是一款為學(xué)習(xí)Python編程和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的開源硬件，內(nèi)置MicroPython開源嵌入式操作系統(tǒng)，采用國(guó)產(chǎn)高性能處理器，集成藍(lán)牙和Wi-Fi功能。

在掌控板、虛谷號(hào)、樂造模塊和虛谷物聯(lián)等開源教育項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，廣大一線教師還聯(lián)合高校、創(chuàng)客空間和創(chuàng)客企業(yè)共同發(fā)起了“虛谷計(jì)劃”，共同推進(jìn)開源創(chuàng)客教育項(xiàng)目走進(jìn)校園，共同維護(hù)開源、分享、交流的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，營(yíng)造開源文化氛圍，打好基于開源硬件的創(chuàng)客教育群眾基礎(chǔ)，共同促進(jìn)基于開源硬件的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。

最后，筆者引用吳俊杰老師在《2018展望：信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室》一文（刊登于《中國(guó)信息技術(shù)教育》雜志2018年第1期）中的一段話作為對(duì)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的未來期望：

什么是信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)？

信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室怎樣建？

信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何開展？

如何通過信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)綜合促進(jìn)學(xué)生信息素養(yǎng)的提升？

這些問題都需要認(rèn)真研究和審視。但慶幸的是，從2012年開始的創(chuàng)客教育和STEAM教育中的一些案例——數(shù)量不多，它們當(dāng)中都有信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的影子，期望在即將來臨的信息技術(shù)（信息科技）新課程改革的大潮中，有更多的創(chuàng)客老師，自信地“做一位了不起的信息技術(shù)教師”。