开源硬件在小学创客教育中的应用研究

河南许昌实验小学 杨 瑞

【关键字】 开源硬件；创客教育；优势

我国于2016年6月制定印发了《教育信息化“十三五”规划》，提出探索信息技术在跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等教育模式的应用。全国各地的创客空间如雨后春笋般涌现出来，如浙江省温州中学的DF创客空间、北京景山学校的景山学校创客空间、上海格致中学的FabLab创新实验室等。这些都是我国K-12教育阶段创客空间的代表，而且大部分的创客空间都使用了开源硬件作为一类开发工具。

一、开源硬件和创客教育的关系

开源硬件是指与自由、开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。其中Arduino的诞生成为了开源硬件发展史的里程碑。开源硬件概念正式确立源自1997年，开源运动的发起人之一，也是无线电发烧友（HAM）的布鲁斯·佩伦斯首次发起的“开源硬件认证计划”。

创客教育是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣以项目学习的方式，借助数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题的能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。Arduino作为开源硬件的典型代表，在创客教育中使用可以有助于项目式学习和自主学习的有效开展，学习者不需要对它的硬件结构有多么深刻的了解，比较适合在中小学创客教育活动中使用。

不同的开源硬件具有不同的功能，像树莓派、pcDuino平台、BeagleBoard等这些性能相对高一些的开源硬件，可以在高级或者偏重多媒体开发的项目中进行使用，达到的效果会更好。对于小学创客教育来说，Arduino开源硬件深受中国创客教育产品研发人员的青睐，但是它的开发离不开C语言编程和电子线路的搭建这两个基本的技能，这对于小学生来说存在一定的挑战。所以开发者根据学习对象的认知特点，尝试从这两个方面对Arduino开源硬件进行了简化。Scratch、ArduBlock、Mixly等图形化编程工具的出现就是为了简化编程，让初学者更容易接受和学习。

经过广泛调研，我们发现Arduino开源平台作为一个典型的开源硬件，有着极强的易用性和扩展性，受到众多电子工程师、手工制作爱好者的青睐，在国外应用较为广泛。笔者认为开源硬件是创客教育实践创新教育过程中的重要工具之一，二者之间的核心问题是怎样让孩子们更好地理解隐藏在两者背后的技术和知识，从而利用新的数字技术来创造、分享和学习。两者扮演的角色不同，缺一不可。

二、Arduino开源硬件在创客教育中应用的优势

Arduino是意大利的一个教学用开源硬件项目。笔者认为，将Arduino开源硬件应用到小学创客教育中具有以下优势：

1.价格低，开放性强

Arduino开源硬件的价格相对于同类型的开源硬件来说存在着明显的价格优势，容易获得。例如WER教育机器人的一套配置最低的设备价格也在2000多元，而同样功能的Arduino开源硬件，国产的行家版只需要几十元，深受使用者的青睐；另外，它的硬件和软件是完全开放的，任何人都可以使用。开放的源代码可以给所有人免费下载，用户不需要有太多编程基础就能做出令人惊艳的互动作品。Arduino的开源精神影响着全世界，也吸引了各个领域的人们加入Arduino的神奇世界。

2.平台多，操作简单

要对Arduino开源硬件进行编程，既可以用文本式的Arduino IDE编程环境，也可以用图形化积木式的编程环境Mixly，并且这两款软件均为绿色版的软件，使用者不需要进行安装就可以直接使用。目前，我校的创客教育中使用到的编程平台有Scratch、Mblock、慧编程等积木式编程平台，它们也可以对Arduino开源硬件进行编程。这样对于小学阶段的孩子来说，即使没有学习电子电路相关的知识，也可以在老师的带领下轻松地学习和使用它，关于积木式的编程软件，孩子们在信息技术常规课中有所接触和学习，对于孩子们来说会更好理解。这些编程软件也解决了孩子们对于算法和设计程序中对程序结构的理解，让创客学习变成好玩的东西，进而激发孩子们的学习兴趣。

3.资源丰富

几年来，国内创客教育先行者的不断努力，国内众多教育团队和学校不断探索和实践，柔软地改变着教育。2017年6月，中国教科院办颁布了《中国STEM教育白皮书》，随之有关创客教育的资源也开始丰富起来，一些开源的创客教育类的普惠课程开始通过网络传播开来。我们通过学习和借鉴，并结合自己学校创客教育的实际情况，设计开发出适合我们自己的课程，并推广给其他需要的学校，从而实现资源的共享和共建，进一步丰富有关开源硬件方面的资源。

4.发展迅速

开源硬件经历了从集成电路发展初期到集成电路大规模发展时期，再到超大规模集成电路发展时期。21世纪，开源软件的流行进一步刺激了开源硬件的发展。在此过程中解决了开源硬件生产成本过高的问题，随着其不断发展和改进，开源硬件作为产业已经发展成熟。Arduino不仅是全球最流行的开源硬件，也是硬件开发的代表。Arduino简单的开发方式使开发者更关注创意的实现，从而节约了学习的成本，将开发周期也缩短了。

5.功能强大

Arduino芯片的扩展性特别强，通过扩展板和自带的众多I/O接口可以和超声波传感器、红外传感器、蓝牙等相连接。开源硬件设计的便利性，使它特别容易和其他创客工具融合，比如孩子们要做一个智能路灯，只需要通过3 D打印机和激光切割机将路灯的外壳设计并制作出来，然后再将核心技术Arduino开源硬件和声音传感器、光敏传感器以及小灯模块连接起来，通过“慧编程”软件进行程序的设计，这样一款智能路灯就设计完成了。

Arduino开源硬件在小学创客教育中应用所具备的价格低、操作简单、资源丰富、发展迅速、功能强大等优势，在很大程度上促进了我校创客教育的发展。根据国内K 12领域学校的核心需求和教学特点，创客教育的发展需要通过开源硬件和教育产品相结合，让孩子在各类创客空间中自主学习、创意智造，从而培养他们的创新意识和创新能力。