开源硬件在创新人才培养中的应用

陈杰

党的十九届五中全会明确提出了到2035年我国进入创新型国家前列，建成人才强国的战略目标。可见，创新型人才培养工作已经提到了国家发展的战略性层面。《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》和《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中特别强调了拔尖创新人才培养的意义，指出拔尖创新人才的培养既是我国经济发展战略的重要组成，也是我国教育改革的重要方面。而创新人才的培养不是一蹴而就的，它需要一个长期的过程。为此，南京市电化教育馆布局全市，依据各区各校特点有针对性地实施了创新教育项目。南京师范大学附属中学树人学校（以下简称“南师附中树人學校”）以“能塑会造”创客空间为依托，开展了基于开源硬件创新人才的培养方案。本文主要从开源硬件平台、课程、教师培养、智慧目标等角度谈谈具体的应用。

一、开源硬件为创新人才普及教育提供了实践平台

所谓开源硬件指的是与自由及开放源代码软件以相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件考虑对软件以外的领域开源，是开源文化的一部分。其中，Arduino、micro：bit、掌控板、行空板等国内外开源硬件的诞生可谓开源硬件发展史上的一个个里程碑。正是因为如此，原本在高等院校使用的单片机，以开源硬件的方式走入了基础教育领域。南师附中树人学校VEX社团不仅锻炼了学生的创新能力和动手能力，还在国内外重要赛事中斩获大奖，但惠及的学生面太小，目前只能集中在社团成员。造成这种困局有多种原因，如器材和场地不足、课程内容开发不多、专业教师人员太少等。其中，最主要的原因是缺少性价比更高的平台。相比VEX动辄上万元的价格，开源硬件的价格十分亲民，操作简单易用，周边生态健全，这使得开源硬件能够真正走入普通课堂。

为此，南师附中树人学校开设了基于开源硬件的普及型机器人课程。该课程中使用的硬件为micro：bit和麦昆车体，总价为400元，且micro：bit和麦昆车体上都各自集成了不少传感器及执行器，如巡线、避障、灯光、声音、无线通信等。这些设备的集成，一方面减少了烦琐的电路连线；另一方面，Mind+、Microsoft MakeCode这些图形化软件都支持对开源硬件机器人进行编程，这大大降低了学生操作难度。麦昆车体还提供四组IO和两组I2C接口，后续可进行模块拓展。例如，接入视觉识别模块即可进行AI教学。

这些开源硬件周边软件十分丰富，最典型的莫过于SIoT，它是一个为中小学STAEM教育定制的跨平台开源MQTT服务器程序。SIoT重点关注物联网数据的收集和导出，是采集科学数据比较好的选择之一。SIoT一键解压即可完成服务器部署，无需复杂的安装及设置。另外，SIoT采用本地局域网内数据访问，一般信息科技课程教学环境（机房）皆能满足要求。数据上传、下载无需连入因特网，这一点也从根本上解决了学生听不懂因特网数据下载相关操作，而对后续学习失去兴趣的情况。SIoT采集的数据可导出为Excel格式，为后续做数据分析提供基础数据。开源硬件无论是从资源还是周边丰富的软件生态来说，完全可以作为学生创新教育的实践平台。教师以开源硬件为基础平台，能够实现机器人、物联网、AI等方向的知识体系内容教学框架。（如图）

二、开源硬件为培养创新人才衍生出创新课程

培养创新人才必然需要创新的课程，创新的课程多具备以下特点：以项目化形式开展教学；关注多学科融合，强调知识运用。南师附中树人学校目前以开源硬件为基础，开设多门创新性实践课程。其中最具有代表性的课程是“麦昆STEAM成长记”“气象万千——探究气象的秘密”等。

“麦昆STEAM成长记”课程主要是为普及机器人基本操作，但更重要的是为创设具体的情境，让学生将多学科知识融入其中，使其成为一门STEAM课程。我们将该课程内容设计分为四部分：技能篇、任务篇、AIoT篇、竞赛篇。技能篇主要介绍麦昆机器人的基本操作；任务篇主要是搭建各种创意项目，学生通过分析、设计、提出解决方案，让麦昆机器人创造性地完成多项任务；AIoT篇主要是将人工智能与物联网结合，学生通过AIoT解决现实生活中的具体问题；竞赛篇主要是引导学生自主设计各种场地来进行比赛，通过比赛来验证学习的有效性，提升学习的趣味性。虽然是机器人课程，但是弱化技术，强化学科知识的融合。例如，我们在“麦昆机器人过桥”一课中利用麦昆机器人来探究数学中的速度、时间、路程的关系；在“安全加密”一课中则将历史上的密码等知识引入课程，并介绍了数据编码的方法……可见该系列课程摒弃传统机器人课程的教学模式，不再单纯地介绍技术，而是真正构建STEAM理念的课程。最后一部分竞赛篇，从最初的创意设计、规则制定，到最后的方案确定等，完全由学生独立完成。这也反映了学生的成长。课程的发展。该课程获得了2019年上海国际STEAM课程开发大赛前48强。

“气象万千——探究气象的秘密”课程是信息科技教研组联合地理、语文、数学、地理教研组共同开展的一门课程。课程最初起因是地理教研组为了探究南师附中本部与南师附中树人学校两个校区存在的温度差。地理教研组需要一些测量记录气象数据的装置而找到了信息科技教研组，信息科技教研组决定先利用开源硬件搭建简易气象站，再利用气象站采集并记录数据进行相关研究。随着语文、数学等学科的加入，课程发生了改变，最终经过一轮轮的讨论，“气象万千”课程形成方案。该课程首先由二十四节气引入，学生找寻与二十四节气相关的古诗词，丰富文学素养（语文学科）；其次介绍二十四节气中的气象知识及探究的目标（地理学科）；然后利用开源硬件搭建简易气象站，使用物联网采集、存储数据（信息科技学科）；最后通过数据分析建模验证探究目标，得出结论（数学学科）。

三、具备创新能力的教师是创新人才培养的必要条件

实施创新教育，培养创新人才，离不开具有创新能力的教师。而创新教师应拥有扎实的学科知识，多学科融合的课程设计能力，开阔的视野和学科站位高度。

首先，创新课程教师应该具备扎实的开源硬件专业知识。实操物化作品是课程实施过程中的重要步骤，也是创新人才培养的重要环节，更是技术实践的重要保障。为此，教师对常见开源硬件及其生态周边应熟知并能够熟练应用，同时要对人工智能、物联网等相关模块有一定的了解，可以实现简易功能物联网或人工智能作品的搭建。教师不仅要传授知识，还需要为学生物化作品提供强有力的技术支持。

其次，创新课程教师不仅应具备扎实的开源硬件专业知识，更应具备多学科融合的课程设计能力。目前，市面上所谓的创新课程要么是以课程融合为幌子的培训教程，要么就是忽略技术的科普原理类课程。而培养创新人才的课程内容不仅包含技术操作，还包括了原理学习、模型的建构、知识迁移等。

以“麦昆机器人过桥”一课为例，该案例属于小学数学中的小车过桥问题，此处将其设计为实物化方式（麦昆小车）来进行问题求解。已知条件：路程s，小车的电机转速v，求时间t。小车过桥属于数学问题，控制小车运动属于技术问题。图形化编程小车移动指令中的速度是电机的转速，而非小车实际行走的速度。这一点，可以让学生自己在操作实践中去发现，提供给学生一个试错的机会。学生要解决该问题，就要利用电机转速将其转换成小车实际行走速度，于他们而言是一个新的挑战。学生需要先指定小车以固定的转速运行一定时间t1，正确测量并记录行驶的距离s1，从而求得小车的实际速度v1。有了小车的实际速度v1后，有些学生可能会直接求过桥时间t2，通过试验发现无法完成任务。而造成失败的原因是他们没有把车身的长度加上，就直接求t2。该问题如果放在数学试卷上，可能很少有学生会犯错，但在实际情境模拟下，学生们的方案可能有些差强人意。要培养创新人才就需要有创新课程教师来设计诸如此类的创新课程案例。

最后，创新课程教师在选取合适开源硬件时要有一定的站位高度。眾所周知，目前开源硬件种类繁多，教师一时间可能无从选择。创新课程教师在开源硬件选择上，应本着育人的宗旨，不被厂家所宣传的功能所迷惑，让产品为我所用。义务教育新课标中已明确提出硬件资源的自主可控，所以在选择开源硬件时，教师要有一定的站位高度，尽可能选择国产控制器，例如行空板、掌控板等。

四、基于开源硬件的项目设计培养了创新人才的智慧

基于开源硬件的项目设计多以问题为导向，我们称其为问题式学习。而“问题”分为结构良好问题和结构残缺（或结构不良）问题两种。对结构良好问题，有一定的解决路径、模式和方法，学生能通过不断的学习和练习，形成解决问题的经验。对结构不良问题而言，不能用固定的模式、方法来解决，而是需要调动学生已有的知识、能力、经验等，甚至重新学习、不断尝试，才有可能解决问题。

新冠疫情期间，南师附中树人学校信息科创社团围绕“抗击疫情”，开展了抗疫主题项目作品设计与制作。如围绕解决测温数据上报为需求的项目；疫情期间如何克服焦躁情绪，积极健康锻炼为需求的项目……对学生而言，这些项目没有固定的模式和方法，也没有固定的标准答案。例如，围绕解决测温数据上报为需求的项目中，学生设计了两种测温的方案：一种是以门禁人脸识别非接触测温，并将体温数据上报物联网端；另外一种则是将测温仪器设计成随身携带的手环，实时测温上报物联网端。两种不同的设计方案都是从用户需求出发，体现了以人为本的理念。开源硬件的选取同样也有不同的方案，第一种方案中测温模块需具备非接触测温功能，对模块体积大小无特别要求；第二种方案中，由于是可穿戴的设计，对测温模块的体积有具体的要求，必须实现穿戴舒适。可见，学生设计的出发点不同，产生的作品也千变万化，这个过程提升了学生的创新能力。

综上所述，南师附中树人学校有目的地开展基于开源硬件创新人才培养计划，积极引导、开发学生创新思维和培养学生对创新的正确态度，实现了从理论学习向实践操作的教育转变；从单纯的技术教育向多学科融合教育的转变；从知识传授向创新思维培养的转变。