谈树莓派在学生创新教育中的应用

汪琴　李明

摘要：树莓派在国内外的发展为学生的创新创业提供了可借鉴的新方向。为了了解树莓派在学生创新教育中的应用，本文从什么是树莓派以及树莓派的特性出发，给出了树莓派在学生创新教育中的具体应用分析，并着重阐述了一种应用方法，最后介绍了树莓派应用的优势，以期让树莓派可以为学生的创新教育提供更多的帮助。

关键词：树莓派；创新；创业；Python

中图分类号：G40-057 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）05-0073-03

树莓派介绍

树莓派是由英国剑桥大学开发的一款搭载ARM架构处理器的微型电脑主机，在国外成立有树莓派教育基金会，旨在推进成人和儿童的教育，特别是在计算机、计算机科学和相关学科的领域。它可以搭载Linux、Windows操作系统，配备有Python、C、Java、Scratch等语言开发环境，不仅具有USB接口、快速以太网接口、SD卡扩展接口及HDMI高清视频输出接口这类常规接口，还具有DSI接口、CSI接口、一个26Pin的插座，该插座集合了GPIO、I2C、SPI接口，通过该插座可以连接光线、温度、湿度、灰尘等各类传感器。[1][2]

树莓派有与外界交流的能力，通過以太网接口或无线路由就可以与Internet连接，通过其他接口可以与多种设备连接，现已被广泛应用于数字化制造项目。树莓派的功能多样，其中包括音乐器、探测器气象站、红外照相机、浏览互联网、播放高清晰度视频、制作电子表格，即使是文字处理和游戏制作也是能够通过树莓派制作的。它是一个允许失败的自由环境，学生可以不断失败，不断尝试却不会产生较高费用。如果一个文件系统被损坏，用户总是可以再次开始用一个新的SD卡。

树莓派在创新教育中的应用

在创新教育中应用树莓派，应在实践中激励创新意识，即激励推崇创新、求新求变、积极探索的精神，能够有效激发创新欲望；在应用中注重培养创新思维，鼓励打破思维定势，采用批判的视角，提出与众不同的设想或有新意的解决方案。通过树莓派多重项目能够提升学生的创新技能，加强其综合运用多学科知识的能力，提高发现问题、解决问题的能力，也增强了团队合作的能力，最终为运用创新思维奠定了基础。

笔者基于体验学习圈为树莓派在学生创新教育中的应用提供了一种可参考的方法，如下图所示。

1.学生利用树莓派进行初级阶段学习

在此阶段，学生的主要任务是了解基础知识，了解树莓派的基础构成。至于相关程序设计的学习，如果是那些不具备程序设计基础的学生，可以利用树莓派进行程序设计基础学习，学习Scratch或者Python语言。Scratch采用的图形化编辑界面对于学生来说非常好理解，学生也不需要对程序设计规则深入了解，利用Scratch即可实现一些简单的操作。Python语言通俗易懂，学生较容易接受。通过一段时间的学习和动手操作，学生即可利用Python或Scratch语言在树莓派上进行实践操作。那些有程序设计基础的学生，一方面可以利用已有知识对树莓派进行再学习创造，另一方面可以接触更多的程序设计语言，使自己能够更得心应手地利用树莓派。而对于那些负责非程序设计方面的学生，教师可以针对其专业，针对树莓派不同项目需求进行知识点的讲解、巩固及训练。

在基础学习阶段，教师主要针对全体学生进行讲解，利用树莓派，通过小实验或小作品实现内容的陈述，以便让学生在实践中充分了解各部件的性能和功用。

2.学生利用树莓派进行模仿

树莓派拥有大量的作品案例，学生可以根据兴趣爱好进行学习。学生组成团队，讨论完成项目的方法，确认团队的分工细节、活动时间等。因为是团队合作，每位成员的要求都不一样，故而教师要循序渐进地对学生开展多层次的教学活动。首先，每个人都必须充分了解树莓派的相关特性，了解这些知识可以更好地掌握树莓派，熟知树莓派的各种特性，这对之后的学习创新创造有着十分重要的作用。其次，项目内容包含各个学科的具体实际问题，因此教师在进行树莓派创新教育的时候不妨采用跨院校跨专业的学生组成合作小组或者团队的方式开展。随后教师可以针对团队中成员的工作范围或工作内容提供学习指导、帮助，而组员则需要按照各自的学习进度表进行学习操作。最后，就可以根据不同的树莓派项目活动进行团队合作了。为使学生在有限的时间内达到教学目标，教师必须为学生提供学习规划大纲，让学生根据这一大纲制作出合理的学习计划表，并定期开展学习交流会，以创造提供思想碰撞，形成头脑风暴的机会。

在此基础上，教师应引导学生掌握树莓派项目设计的思路和方法，鼓励学生从效率、创新功能等方面优化代码，培养学生的动手能力和解决问题的能力，从而为之后进行设计和开发具有原创性的项目产品打下坚实基础。[3]

3.学生利用树莓派进行创造升级

模仿是为了更多地了解树莓派的性质、作用，以及它的功能，并最终能在模仿的基础上进行创造。创造不是一蹴而就的，而是厚积薄发。首先在原有思路上从交互性、智能性等方面完善项目，然后鼓励学生创建具有社会意义、实用意义、文化内涵和丰富个性的作品，最终开发设计出有价值的项目。采用这种递进式的实验方式能够激励学生的创新精神，培养学生的创新思维，提高学生的实际操作能力，同时也可以为学生的创新教育提供思路和奠定基础。

运用树莓派进行创新教育的优势

树莓派在培养学生创新教育能力方面所蕴藏的巨大潜能还远远没有发挥，故在未来我们应积极探索树莓派在学生创新教育方面的有效方法和模式，提升学生的创造性思维能力及问题解决能力。[4]因此，教师应以本地学校教育为基础，将不同专业、不同年级的学生通过树莓派团结起来，将树莓派有效地与众创空间紧密联系起来，寻求学科、技术的有效整合。笔者认为，国内开展树莓派在创新教育方面的应用具有以下优势。

1.树莓派作品案例丰富多样

国外关于树莓派的研究范围较广，有集中于树莓派教育的，有集中于工程设计和技术研发方面的……在树莓派官方网站、树莓派官方杂志以及各个树莓派研究论坛上也都有丰富的树莓派应用案例。国内树莓派的研究主要集中于工程设计和技术研发方面，如基于树莓派设计并实现的电梯彩屏显示系统，基于树莓派对网络监控系统、冷链监控系统和实时监控系统等进行的系统开发及应用研究。[5][6][7]多种多样的树莓派案例为学生的学习及创造提供了有利的基础条件。

2.有利于学生形成团队合作意识及能力

树莓派项目是多知识融合贯穿的基于跨院系跨专业交叉的项目，在整个项目完成的过程中都需要不同学科、不同专业的学生相互合作。项目内容包含各个学科的具体实际问题。学生在完成各个项目的过程中需要不断地组合、容纳其他学科的思維方式和技术手段。因此，教师在进行树莓派创新教育时可采用跨院校跨专业的学生组成合作小组或者团队的方式开展。这样，学生在组合重组中就锻炼了团队意识、团队协作能力及团队精神等。

3.提供良好实践操作环境

树莓派具有多样的接口，可以连接各类传感器、摄像头、机械臂等多种设置。另外，树莓派还支持多种语言的开发。学生在有一定程序语言的基础上进行学习，学习障碍会减少很多。在没有语言基础的情况下，也可以利用树莓派一边进行程序学习，一边进行树莓派活动项目制作。学生可以利用这些有利条件进行模仿、创造。

4.有助于提高学生创新创业意识和能力

2015年5月，国务院办公厅印发的《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》指出，“不断提高学生的创新意识、创新精神、创新能力成为高校培养学生的重要指标”。树莓派项目实施过程中的跨学科知识连接、阶段式的项目发展、不断的项目实践操作过程都为学生的创新提供了有力条件。

总结

基于树莓派的学生创新创业的应用可以为培养学生的创新意识、创新精神、创新能力以及创业能力提供强有力的帮助。它在给学生提供学习多学科知识机会的同时，也为学生提供了良好的动手操作环境，有助于学生的团队形成并最终提升学生团队合作的多方面能力。将树莓派和外部设备，如Arduino、Weather station等结合起来进行项目实践能够能提高学生的学习兴趣和创新能力。但是目前国内树莓派在教学方面的研究较少，如何采用合理的教学方法、教学模式都需要进行不断的尝试与研究，因此需要开展的工作还有很多。[8]树莓派的应用，不仅可以在高等院校中进行，还可以在中小学中实施并做出成果。相信在大家的不断探索努力下，树莓派在教学创新方面的应用能够得到更好的发展。

参考文献：

[1]（美）Matt Richardson， Shawn Wallace.爱上Raspberry Pi[M].李凡希，译.北京：科学出版社，2013.

[2][5]叶飞，李莉，江涛，等.树莓派（Raspberry Pi）在冷链监控系统中应用的探讨[J].中国管理信息化，2014（18）：43-44.

[3]田琳琳，刘斌，于红，等.面向应用型创新人才培养的程序设计语言实验教学[J].计算机教育，2016（03）：12-15.

[4][8]姚鹏阁，颜磊，杨阳，等.树莓派教育应用：儿童编程能力培养的新途径[J].现代教育技术，2015（10）：113-118.

[6]冯志辉.使用树莓派实现网络监控系统[J].电子技术与软件工程，2015（05）：85.

[7]王节旺，王瑞宝.基于树莓派的雷电预警系统设计方案[J].电子设计工程，2016（01）：169-171+174.

作者简介：李明，教授，硕士生导师，研究方向为在线教育、电子商务；汪琴，学生，在读硕士，研究方向为中小学信息技术教育、移动教育。