基于開源硬件的中小學生數(shù)字素養(yǎng)培育的上海實踐與研究

摘" 要" 隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，“數(shù)字中國”建設已成為推進中國式現(xiàn)代化的重要動能，是促進社會經濟各領域高質量發(fā)展的基礎工程和國家戰(zhàn)略。如何培育學生數(shù)字素養(yǎng)，提高學生在數(shù)字社會的適應性與競爭力、彌合數(shù)字鴻溝，是教育數(shù)字化轉型過程中不可或缺的一環(huán)。結合義務教育新課程標準剖析中小學在學生數(shù)字素養(yǎng)培育過程中存在的問題，聚焦開源硬件教育裝備如何更好地促進學生數(shù)字素養(yǎng)培育，進行區(qū)域實踐、探索與研究。

關鍵詞" 開源硬件；中小學教育；數(shù)字素養(yǎng)；區(qū)域實踐

中圖分類號：G623.58" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）23-00-04

0" 引言

隨著物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等數(shù)字技術發(fā)展的日新月異，新一輪科技革命和產業(yè)變革正在孕育興起，以數(shù)字資源為重要生產要素、以全要素數(shù)字化轉型為重要推動力的數(shù)字經濟蓬勃發(fā)展，已經融入人們日常生活與工作的方方面面。因此，提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能，是順應數(shù)字時代要求、助力全民終身學習型社會建設的重要任務，是實現(xiàn)我國從網絡大國邁向網絡強國的必由之路。2021年，中央網絡安全和信息化委員會辦公室發(fā)布的《提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能行動綱要》[1]明確指出，把提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能作為建設網絡強國、數(shù)字中國的一項基礎性、戰(zhàn)略性、先導性工作。

聚焦教育領域，黨的二十大報告中提出，堅持以人民為中心發(fā)展教育，推進教育數(shù)字化，對教育系統(tǒng)數(shù)字化轉型工作作出了重要的戰(zhàn)略部署。2022年，教育部啟動國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動，以前所未有的力度全面推進教育數(shù)字化轉型。教育數(shù)字化轉型的本質是人的轉型，其最終目標指向學生數(shù)字素養(yǎng)的提升。義務教育屬于基礎教育階段，是學生知識學習、思維發(fā)展及行為習慣培養(yǎng)的奠基階段，也是中小學生數(shù)字素養(yǎng)啟蒙與培育的關鍵時期[2]。

1" 學生數(shù)字素養(yǎng)的內涵

根據(jù)中央網絡安全和信息化委員會的定義，數(shù)字素養(yǎng)與技能是指數(shù)字社會公民學習工作生活應具備的數(shù)字獲取、制作、使用、評價、交互、分享、創(chuàng)新、安全保障、倫理道德等一系列素質與能力的集合。培養(yǎng)學生數(shù)字素養(yǎng)的重點在于使其具備適應和應對數(shù)字化時代的核心能力。

然而，我國關于學生數(shù)字素養(yǎng)培育的研究起步較晚，目前尚未出臺系統(tǒng)、完善的中小學生數(shù)字素養(yǎng)評價體系。在中小學生數(shù)字素養(yǎng)評價指標體系研究[3]中將中小學生數(shù)字素養(yǎng)分為數(shù)字意識、數(shù)字知識與技能、計算思維、數(shù)字化合作與交流、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、數(shù)字社會責任六個一級指標，初步形成了評價的基礎與策略。重點關注培養(yǎng)學生對數(shù)字內容的敏感度和數(shù)字內容價值的判斷力、學生利用數(shù)字化技術解決問題的能力、學生應用計算機科學領域的思維分析思考與計算的能力、學生在日常學習與生活中應用數(shù)字設備使用數(shù)字資源溝通交流的能力、學生在日常學習與生活中運用數(shù)字技術與資源創(chuàng)造性地解決問題的能力、學生在數(shù)字社會中對數(shù)字倫理道德規(guī)范的認知以及承擔責任的能力等。

學生數(shù)字素養(yǎng)的培育不僅僅是使其能熟練地應用數(shù)字化工具、了解數(shù)字技術，還要能真正融入數(shù)字生活的各種場景，具備從思維、認知到應用、創(chuàng)新，再到解決問題、承擔責任等一系列綜合素質與能力。因此，在中小學教育階段，學生數(shù)字素養(yǎng)的培育更應注重創(chuàng)設真實情境，引導學生通過數(shù)字技術與資源差異化、創(chuàng)造性地解決問題，以促進學生綜合運用數(shù)字素養(yǎng)相關技能的提升、思維的拓展與知識的增加。

2" 中小學生數(shù)字素養(yǎng)培育的現(xiàn)狀與問題

在教育數(shù)字化轉型的時代背景下，我國按照教育發(fā)展高質量的要求，通過數(shù)字技術全方位賦能，推進育人方式、教與學方式、評價方式、教育資源供給方式等系統(tǒng)性變革，這為學生數(shù)字素養(yǎng)的培育提供了創(chuàng)新的沃土，同時也提出了更高的要求。教育部頒布的《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》（以下簡稱新課標）全面關注中小學生數(shù)字素養(yǎng)與技能的培育，將信息科技作為獨立設置的新科目，納入義務教育國家課程，成為中小學生數(shù)字素養(yǎng)與技能教育的載體和平臺、培養(yǎng)學生數(shù)字素養(yǎng)與技能的主渠道。同時，新課標倡導“做中學、用中學、創(chuàng)中學”，注重引導學生參與學科探究活動和跨學科實踐，讓知識學習基于實踐并通過實踐得到提升，強化真實情境的問題解決能力，為提升學生包含數(shù)字素養(yǎng)在內的各項核心素養(yǎng)提供了更多樣化的培育方式。

但在課程實施過程中，仍存在教學方式與課程設計缺少創(chuàng)新、新技術與新裝備應用存在缺位、教師數(shù)字素養(yǎng)有待進一步提升三大突出問題亟待解決。

2.1" 教學方式與課程設計缺少創(chuàng)新

教師通過講解、展示、模仿、練習進行教學的傳統(tǒng)教育方式仍占主導地位，限制了學生差異化創(chuàng)想。課程設計缺少與真實數(shù)字生活場景的聯(lián)系，無法培養(yǎng)學生數(shù)字化學習與創(chuàng)新、數(shù)字社會責任以及解決真實問題的能力。

2.2" 新技術與新裝備應用存在缺位

絕大部分課程只注重知識點的講解、軟件工具的學習以及案例應用分析，缺少可以支撐學生實際動手的數(shù)字化實驗載體與實踐資源。以《義務教育信息科技教學指南》為例，在過程與控制、物聯(lián)網實踐與探索等數(shù)字技術的學習中，大量優(yōu)質的數(shù)字化應用場景沒有合適的教育裝備支持學生進行數(shù)字化實踐與實驗探索。

2.3" 教師數(shù)字素養(yǎng)有待進一步提升

數(shù)字化時代的教學是數(shù)字技術與教學過程和教學內容的深度融合，教師是“融合”的關鍵。教育部2022年發(fā)布了《教師數(shù)字素養(yǎng)》教育行業(yè)標準，對教師的數(shù)字素養(yǎng)與能力提出了標準化要求，但是現(xiàn)階段仍存在大部分教師數(shù)字教育資源開發(fā)能力不強，對數(shù)字技術的學習、應用與創(chuàng)新不足，城鄉(xiāng)發(fā)展差異明顯等問題。

3" 開源硬件與學生數(shù)字素養(yǎng)培育

開源硬件是數(shù)字化教育裝備，主要包含主控制器及各類傳感器，可通過圖形化、Python等語言進行簡單編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、網絡傳輸、過程控制、人工智能應用場景搭建等功能，具備極好的開放性、可拓展性、兼容性、經濟性、教育性等特點，是新課標改革中信息科技、綜合實踐等課程項目化學習的載體，可以讓學生通過動手實踐真實感受數(shù)字技術在現(xiàn)實生活中的應用，探索物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)與人工智能技術之間的創(chuàng)新關系，增強多維思考能力與實踐研究能力，從而實現(xiàn)學生數(shù)字素養(yǎng)的提升。

但開源硬件在中小學的應用仍面臨很大的困難與挑戰(zhàn)，研究者在2023年面向上海市中小學發(fā)放了開源硬件應用情況的調查問卷，通過對800余份問卷數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)三大問題：一是開源硬件在中小學教學中的應用普及率不高，上海市開設開源硬件相關課程的學校占比不超過20%；二是開源硬件校本課程開發(fā)存在較大需求，在開設開源硬件相關課程的學校中，使用第三方課程的學校占44.29%，但是超70%的學校希望建設自己的校本課程；三是教師對開源硬件的使用存在認知心理門

檻，71.32%的學校未開設開源硬件相關課程的原因是認為開源硬件入門難度高。

4" 研究方式與實踐路徑

針對義務教育階段學生數(shù)字素養(yǎng)培育課程實施過程中存在的問題以及開源硬件在中小學應用過程中面臨的困難與需求，研究者聚焦開源硬件這一教育裝備，從切實提升中小學生數(shù)字素養(yǎng)的角度出發(fā)，進行了基于開源硬件的中小學生數(shù)字素養(yǎng)培育的實踐探索與研究。通過應用開源硬件數(shù)字化教育裝備的課程資源建設，引導學校自主開發(fā)中小學生數(shù)字素養(yǎng)培育學習項目，組織開展教學實踐，探索建設網絡學習社區(qū)，跨界整合推動優(yōu)質課程資源共建共享，多維助力教師數(shù)字素養(yǎng)和技能提升，建立常態(tài)化運行及研究機制，提升中小學生對數(shù)字生活、數(shù)字學習、數(shù)字創(chuàng)新的感知力、適應力和創(chuàng)造力。探索數(shù)字化教學方式、數(shù)字裝備應用、教師數(shù)字素養(yǎng)等問題的創(chuàng)新發(fā)展，賦能學生數(shù)字素養(yǎng)培育。

4.1" 基于裝備，深耕教學應用場景

通過開源硬件教育實驗室建設，配置各類開源主控板、傳感器、編程終端，根據(jù)新課標要求，探索不同學段、不同知識點、不同應用場景適用的數(shù)字化教育裝備與技術。如：在八年級信息技術課程“物聯(lián)網實踐與探索”中，探索如何通過開源硬件實現(xiàn)物聯(lián)網場景的應用。在智能家居、數(shù)字氣象站等生活化場景中可選擇具備Wi-Fi和藍牙模塊的集成開源主控板，也可選擇主控板搭配IoT物聯(lián)網模塊或擴展板的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)功能，對不同傳感器的靈敏度、準確度、可用性進行測試，對教育領域常用的IoT數(shù)據(jù)傳輸平臺進行兼容測試，為課程設計與實施提供裝備參考與技術支持。

同時，本研究圍繞開源硬件課程資源建設的目標，研制了一套基于開源硬件的課程開發(fā)模板工具，通過規(guī)范教學條件、教學對象、活動主題、專題任務、教學目標、教學資源、學生活動單、數(shù)據(jù)記錄與分析等在內的研究要素，支持教師開發(fā)學習活動項目。課程開發(fā)模板要求課程資源建設必須基于真實生活場景解決現(xiàn)實問題，通過項目化探索的學習形式，引導學生在學習的過程中應用數(shù)字資源、數(shù)字工具進行自主學習、小組交流、團隊合作，激發(fā)學生差異化創(chuàng)想，最終實現(xiàn)通過數(shù)字技術解決實際問題的目的，以此提升學生的數(shù)字素養(yǎng)。

4.2" 由點到面，有序探索課程開發(fā)

研究經歷了由淺入深、由點到面，有序探索的過程。

2023年為學校試點實踐階段，經公開征集、自主申報、專家評審，遴選四所具備開源硬件教學應用基礎的學校進行數(shù)字課程資源開發(fā)與課堂實踐。經過多輪方案設計、課程細化、課堂實踐、課程優(yōu)化，最終開發(fā)了“校園微型氣象站的設計和制作”“科技助老：智慧家居設計與實踐”“新能源AI小車”“清障機器人的設計與制作”四個課程資源，覆蓋小學、初中、高中三個學段，以便在此基礎上進一步擴大實踐研究范圍，形成模板效應。

2024年為區(qū)域試點實踐階段，遴選四個區(qū)域的十余所學校進行項目化課程設計、開展課堂實踐，涵蓋區(qū)域名校、特色校、加強校等不同學校，既有城區(qū)學校又有郊區(qū)學校。學習方式包含信息科技課、綜合實踐課、社團、探究等多種形式，輻射范圍進一步擴大，均衡程度進一步優(yōu)化，課堂模式進一步多樣化，超過千名中小學生接觸并使用開源硬件進行數(shù)字化項目學習。

經過兩年的課程設計與課堂實踐，研究已形成了常態(tài)化的“市—區(qū)—?！比壜?lián)動機制。市級層面重在系統(tǒng)規(guī)劃，做好政策制定與引導、資源整合與分配；區(qū)級層面重在教師培訓與實施指導，通過組織培訓、交流研討、資源共享等活動，協(xié)調解決學校在開源硬件教學應用過程中遇到的問題和困難，提升教師的開源硬件教學能力和水平；校級層面重在課程的開發(fā)與實施，建立跨學科的教學團隊，將開源硬件有機融入日常教學中，創(chuàng)新教學方法和手段，促進不同學科之間的交叉融合，激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力，切實提升學生數(shù)字素養(yǎng)。

4.3" 開源共享，促進教師數(shù)字素養(yǎng)提升

研究推進過程中，秉承開源共創(chuàng)共享的精神，建立了“格物致知”課程資源共享平臺，匯聚中小學、高校、企業(yè)、機構等研究資源，并將研究成果、開發(fā)課程、項目學習資源以及不同開源硬件的基礎應用資源等在平臺開源共享，幫助教師更好地學習新技術、新裝備的應用，打破認知心理門檻，快速應用、設計課程。

5" 研究成效

經過探索，基于開源硬件的中小學生數(shù)字素養(yǎng)培育研究已建立起常態(tài)化運行機制，其間兩輪實踐研究形成了一套課程資源開發(fā)工具，在“格物致知”課程資源共享平臺生成了一批優(yōu)質共享課程資源，在多個區(qū)域的中小學形成了一定影響力，教師對開源硬件這一數(shù)字化教育裝備的掌握程度大大

加強。

5.1" 數(shù)字化教育裝備賦能學生數(shù)字素養(yǎng)與技能提升

新課標改革致力于提升中小學生包含數(shù)字素養(yǎng)在內的核心素養(yǎng)，提倡學生從真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。開源硬件包含功能多樣的傳感器，作為各類生活中數(shù)字數(shù)據(jù)的接收端，可以滿足學生基于生活場景解決真實問題的各類差異化創(chuàng)想，提升其知識遷移能力及數(shù)字素養(yǎng)。研究基于不同開源硬件及傳感器、控制器的功能屬性并結合新課標要求，展開教育裝備測試與選型工作，探索不同主題活動的開源硬件與軟件適配，做好開源硬件學習與應用資源建設，形成了基于開源硬件的課程開發(fā)工具，賦能學生數(shù)字素養(yǎng)與技能提升。以2023年項目校時代中學的“科技助老：智慧家居設計與實踐”課程為例，該課程基于科技助老這一生活情境，通過問題鏈引導學生運用數(shù)字技術與數(shù)字工具解決特需人群居家生活的各種問題，做到從“好玩”到“有用”的轉變，培養(yǎng)了學生的數(shù)字道德倫理，使他們感知了數(shù)字生活應用場景，為跨學科復合型數(shù)字人才隊伍培養(yǎng)奠定了基礎。該案例在第三十九屆上海市青少年科技創(chuàng)新大賽中榮獲上海市青少年科普促進會專項獎“科教育苗獎”。

5.2" 開放共享的課程資源助力教師突破數(shù)字與技術應用門檻

基于新課標的開源硬件課程資源開發(fā)，從裝備賦能的角度重點關注開源硬件對學生解決實際問題能力、科學探究能力以及數(shù)字信息處理能力的培養(yǎng)。項目實施過程中，通過學校多輪實操迭代，分享相關資源、案例、資料與數(shù)據(jù)，幫助教師突破新技術學習與教學應用的認知心理門檻；通過課程資源共享平臺，幫助教師快速了解開源硬件、學習項目化課程設計、提高數(shù)字素養(yǎng)與技能應用能力，盡快將數(shù)字技術與數(shù)字裝備應用到課堂教學中去，促進教與學方式的變革，助力教育數(shù)字化轉型。以2023年項目校曹楊二中附屬學校為例，課程開發(fā)團隊由新教師、未來教師、行政管理人員組成，探索去中心化的課程資源開發(fā)模式、新教師培養(yǎng)培訓機制，開放共享的課程資源讓新教師在第二輪課程迭代中快速突破新技術應用門檻；此外，在課堂教學實踐中，項目團隊運用實證研究的方法，收集課堂前測、后測數(shù)據(jù)，利用錄音、錄像設備對課堂過程進行全程錄制，第一輪教學實驗結束后，對相關數(shù)據(jù)和資料進行分析，項目成效明顯。

5.3" 靈活低廉的裝備應用方案為更大范圍普及普惠提供可能

作為數(shù)字化教育裝備，開源硬件本身價格低廉，應用路徑成本低、易復制、可推廣，教育領域常用的控制器板單價在20～100元，傳感器價格更低，成套的班級基礎配置成本不超過5 000元，對標準化應用于信息科技、科學、人工智能課程中的實驗與實踐環(huán)節(jié)具有實際意義。

6" 結束語

2024年下半年，《義務教育信息科技教學指南》《上海市中小學人工智能課程指南（試行）》相繼發(fā)布，相關課程中均存在大量開源硬件應用場景?；谡n程需求，開源硬件已納入《上海市普通中小學校教學儀器配備標準（試用）》?？梢灶A見，相關學校基于項目生成的開源共享的案例及課程資源，將在更大范圍內得到應用。

7" 參考文獻

[1] 提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能行動綱要[EB/OL].（2021-11-05）[2024-01-03].https：//www.cac.gov.cn/2021-11/05/c_1637708867754305.htm.

[2] 孫曉莉.中小學信息技術課程中學生數(shù)字素養(yǎng)的培養(yǎng)策略[J].求知導刊，2024（10）：89-91.

[3] 吳砥，李環(huán)，楊灑，等.教育數(shù)字化轉型背景下中小學生數(shù)字素養(yǎng)評價指標體系研究[J].中國教育學刊，2023（7）：28-33.