基于信息技术教学与开源硬件项目设计融合的教学建议

摘要：随着我国信息科技教育教学水平的不断提高，开源硬件作为新型教学工具，正在迅速成为开展素质教育与锻炼学生创新思维的好帮手。而如何设计好一个开源硬件的项目教学，对于开源硬件的特征分析是深入研究的基础。本文从开源硬件的教材地位、概念界定以及应用于教学的特征分析三个方面对开源硬件进行梳理并对教学提出建议，为之后开源硬件的相关教学内容的编制与顺利开展做铺垫。

关键词：开源硬件；项目设计；特征

一、前言

2019 年中共中央、国务院印发了《中国教育现代化 2035》，同时中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《加快推进教育现代化实施方案（2018－2022年）》等系列政策文件，来推动现代化教育理念的转变[1]与教育模式的变革，构建开放融合的现代化教育制度体系。

在这一趋势下，一些新型的教学实践工具逐渐闯入人们的视线，成为实施创新教育的重要帮手。此类工具大多符合以下几个原则：易于上手，适合初学者，具有良好的扩展性，能锻炼学生高阶思维，培养其创造力，即具备“低地板、高天花板”的特点[2]。而开源硬件则是此类教学工具的代表。由于开源硬件具备开放性、跨平台性和可扩展性等特性，学生使用开源硬件进项目设计与开发，可以真切地体验项目作品设计、制作、测试及运行的全过程[3]。近年来，开源硬件的发展日渐成熟，优势渐显，在我国基础教育、高等教育和职业教育领域受到了广泛关注与重视，比如“开源硬件项目设计”已经被纳入高中信息技术学科选择性必修课程之列，受到越来越多的重视。

二、教材地位分析

根据教育部最新颁布的《高中信息技术课程标准》，其中选择性必修包括六个模块：数据与数据结构、网络基础、数据管理与分析、人工智能初步、三维设计与创意、开源硬件项目设计。其中在选择性必修的开源硬件项目设计模块明确提出以 STEAM 教育理念为指导， 以开源硬件为依托的项目设计与开发有益于激发高中学生的创新兴趣，培养高中生动手实践的能力，是实现科学、技术、工程、人文艺术与数学融合教育的最佳方法。开源硬件项目设计是选择性必修类课程中为适应学生个性化发展而设计的部分。[4]

三、概念界定

开源硬件是开源文化的一部分，开源是指开放源代码[5]，硬件是有形物品，如：机器、设备或其他实物。开源硬件指的是硬件设计对公众发布且允许任何人制造、修改或使用的机器、设备等物理事物[6]。开源硬件的概念源于开源软件的许可方式，其正式确立源自于开源运动的发起人布斯·佩伦斯在1997年发起的“开源硬件认证计划”[7]。有研究将可用于创客教育的开源硬件分为“开源硬件开发平台”和“积木式开源硬件”两类[8]：开源硬件开发平台是一块嵌入式芯片开发板，所有产品的设计、开发以及设备调试都是依据开发板而进行的。开源硬件使人们能够自由控制其技术，同时通过公开交流设计来 共享知识和促进商业化[9]。

四、开源硬件应用于教学的特征

开源硬件作为创客的重要实践、分享平台，倡导通过实践掌握知识，培养人的创新能力、造物能力，以便捷的方式将梦想变为现实，这些特点受到了众多教育者的偏爱，并对其教学应用开展了积极的探索。以下为开源硬件在实际教学应用中的几点特征：

1.情景真实，有利于激发兴趣

开源硬件项目设计课程强调从真实情境出发，引导学生发现身边真实存在的问题，并设计相应的解决方案。中学生的有意注意较小学有所提高，注意的选择性和稳定性也有很大发展，思维向抽象思维过渡，教师通过真实情境进行导入，可以引导学生主动发现问题，在解决问题的过程中增强社会责任感和自我效能感。

2坚持以生为本，鼓励自主探究

开源硬件的教学问题通常是开放的、建构的，在开放性的项目设计中，学生是设计者，教师负责引导、解惑和调控整体进程。学生设计项目的过程中，教师要鼓励学生选择合适的数字化学习资源，学会主动获取信息并进行筛选，结合所学知识，自主探究解决问题的方案。

3跨学科整合知识

在项目设计中，需要综合运用工程、艺术、数学、物理等学科知识，教师在设计开源硬件课程时需要综合考虑各学科知识，使学生在解决问题的过程中建立各学科之间的联系，体验知识获得的过程，从而更好地进行知识的建构，对知识进行社会性、情境性的迁移运用。

4学习过程迭代循环

开源硬件的项目学习和优化是一个迭代的、非线性的过程，在制作项目时，学生需要不断地调整、优化，在多次的迭代循环过程中，学生会对问题产生新的见解，重新认识问题、界定问题，产生创造性的想法，最终找到最佳解决方案。教师在教学过程中需要引导学生对作品进行迭代，经过多次反馈、修正不断完善作品，实现知识反复应用和强化。

5强调多元化评价

开源硬件项目设计课程评价阶段要坚持评价的主体多元化、方式多元化，针对评价主体的不同，如组间成员、组内成员、教师、专业人士等，分别设计相应的评价方式，关注过程性评价和终结性评价相结合，可以借助权威的量表或问卷，从多维度考察学习者的能力、综合素质提升状况。

五、结语

开源硬件应用于教学强调将开源硬件与学科教学进行融和，在具体的教学实践操作的过程中来培养学生的创造力、创新力、解决问题的能力等，从而提高学生的计算思维能力与学生核心素养的发展。从关注学科知识教学转向提升学生的素养，注重多学科融合并辅助其他学科教学，注重学生个性化发展以及评价方式多元化。我国对于开源硬件项目学习的发展越来越重视，确实也是为整个信息技术教育教学的改革提供了有力可行的方向。

参考文献：

[1] 孙其华.新时代需要什么样的教育理念——以《中国教育现代化 2035》为据[J].江苏教育，2020（18）：6-11.

[2] Grover S， Pea R. Computational Thinking in K–12： A Review of the State of the Field[J]. EducationalResearcher， 2013， 42（1）：38-43.

[3] 卢雅，杨文正，许秋璇，周琴英.设计思维导向的开源硬件教学模式构建与应用研究[J].电化教育研究，2021，42（01）：100-106.

[4] 教育部.普通高中信息技术课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017：3.

[5] 刘莹昕，牛宝裕，石伟，李敬睿.基于计算思维培养的中小学开源硬件课程开发探究[J].中国教育信息化，2020（18）：75-79.

[6] Open Source Hardware Association. The open-source hardware statement of principles and definition[EB/OL]. https：//www.oshwa.org/definition.

[7] Perens B. The open hardware certification program[EB/OL]. 2014-12-27. http：//lists.debian.org/debian-an-nounce/1997/msg00026.html.

[8] 雒亮，祝智庭.开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J].中国电化教育，2015（04）：7-14.

[9] Sylvie Barak.开源硬件有多“开放”？[J].电子产品世界，2015，22（09）：20-21+31.