李維明

“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”是為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展而設(shè)計(jì)的課程中的三個(gè)模塊之一，是針對(duì)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要，按照開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程而設(shè)置的選擇性必修模塊。雖然模塊名稱有“硬件”標(biāo)簽，但開源硬件項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)卻與軟件關(guān)聯(lián)甚緊，所以本模塊的教學(xué)采用“軟硬兼施”的策略為上。

● 開源硬件與軟件

開源（Open Source）這一概念興起于軟件行業(yè)，其基本內(nèi)涵是開放源代碼，即源代碼開放共享的開發(fā)模式。開源模式是一種依托互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，大規(guī)模群體智慧通過共同參與和協(xié)作而不斷累積，實(shí)現(xiàn)持續(xù)創(chuàng)新的方法。在開源模式下，通過許可證的方式，使用者在遵守許可限制的條件下，可自由獲取源代碼，并可使用、復(fù)制、修改和再發(fā)布。開放的源代碼大多是免費(fèi)的，因此得到廣大編程愛好者和產(chǎn)品開發(fā)者的青睞，從而在一定的程度上促進(jìn)了編程技術(shù)的發(fā)展。

“開源硬件”就是以“開放源代碼軟件”相同的方式“開放”“源”電子硬件的設(shè)計(jì)，并通過這樣的方式設(shè)計(jì)及“衍生”出來(lái)的硬件產(chǎn)品。信息技術(shù)課程中經(jīng)常使用的開源硬件核心板如基于單片機(jī)的“Arduino”、基于Python的“掌控板”、基于Linux的“樹莓派”和“虛谷號(hào)”等都屬于“開源硬件”及“衍生”品。這些源硬件核心板、擴(kuò)展板加上它們的編程軟件，就構(gòu)成了開源硬件項(xiàng)目的開發(fā)平臺(tái)。

開源的本質(zhì)在于開放、共享、協(xié)同，由此形成的“開源文化”，催生了眾多的“開源社區(qū)”。這些社區(qū)由全世界擁有共同興趣愛好的人組成，是自由學(xué)習(xí)交流的空間，在推動(dòng)開源軟件、硬件發(fā)展的過程中起著不可忽視的作用。這些“開源社區(qū)”里大量的開源項(xiàng)目案例及資源，也是信息技術(shù)課程教學(xué)資源的重要來(lái)源。

● 開源硬件項(xiàng)目的開發(fā)

“開源硬件項(xiàng)目”一般特指兩類項(xiàng)目：①硬件設(shè)計(jì)本身的開源項(xiàng)目，這類項(xiàng)目涉及硬件的設(shè)計(jì)與制造，難度較大；②利用開源硬件開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作的項(xiàng)目，這類項(xiàng)目難度較低，適應(yīng)面廣，特別適合信息技術(shù)教學(xué)及創(chuàng)新教育領(lǐng)域應(yīng)用。

“開源硬件項(xiàng)目”的開發(fā)，需要經(jīng)過創(chuàng)意設(shè)計(jì)、硬件組裝、軟件編程、測(cè)試運(yùn)行、完善迭代等多個(gè)環(huán)節(jié)（如下圖）。

所謂創(chuàng)意就是頭腦中的一種想法，需要通過設(shè)計(jì)把這種想法加載在某個(gè)具體的硬件或軟件中；而之后的硬件組裝、軟件編程、測(cè)試運(yùn)行、完善迭代等多個(gè)環(huán)節(jié)，就是為實(shí)現(xiàn)這個(gè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)而進(jìn)行的具體步驟。

“開源硬件項(xiàng)目”的開發(fā)，還需要考慮其教學(xué)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)成本，一般選用開放程度高、周邊配套齊、操控方法簡(jiǎn)便、展示效果好、結(jié)實(shí)耐用、物美價(jià)廉的系統(tǒng)及產(chǎn)品，特別是周邊配套的因素需要重點(diǎn)考慮。因?yàn)殚_源硬件的核心板一般都比較簡(jiǎn)練，很多功能需要擴(kuò)展才能實(shí)現(xiàn)，周邊配套的軟件、硬件，包括各種傳感器、接插件的豐富程度直接影響創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可能性。

● 教學(xué)的基本策略

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）要求：“通過本模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能搜索并利用開源硬件及相關(guān)資料，體驗(yàn)作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、運(yùn)行的完整過程，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計(jì)算思維與創(chuàng)新能力?！边@里“體驗(yàn)”開源硬件開發(fā)的完整過程是學(xué)生活動(dòng)的主干，是教學(xué)落實(shí)的重點(diǎn)；而“初步形成”“觀察”“求解”問題的能力，“提升”計(jì)算思維及創(chuàng)新能力是教學(xué)的目的，是努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

基于此，筆者提出本模塊教學(xué)的基本策略之一——親歷體驗(yàn)，這也就是《課標(biāo)》中建議的“組織學(xué)生利用開源硬件設(shè)計(jì)開發(fā)一些生活中的簡(jiǎn)單信息系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生理解項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中常用的開源硬件，熟悉開源硬件的基本使用方法，認(rèn)識(shí)基于開源硬件的信息系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及一般設(shè)計(jì)流程”。

怎樣“利用”開源硬件“設(shè)計(jì)開發(fā)”生活中的簡(jiǎn)單信息系統(tǒng)？這是教學(xué)中實(shí)現(xiàn)學(xué)生“體驗(yàn)”的重點(diǎn)。為了幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)更好的體驗(yàn)，選擇好的項(xiàng)目開展教學(xué)十分必要?，F(xiàn)行的教材中就有不少優(yōu)秀項(xiàng)目，如“設(shè)計(jì)制作低頭報(bào)警儀”“設(shè)計(jì)制作基于開源硬件的感應(yīng)燈”“設(shè)計(jì)制作智能園藝裝置”等。

在實(shí)例體驗(yàn)及剖析的基礎(chǔ)上，筆者提出本模塊教學(xué)的基本策略之二——開放創(chuàng)新，這也就是《課標(biāo)》建議的“設(shè)計(jì)較為開放的任務(wù)，給學(xué)生充分的想象與創(chuàng)新空間”。

什么是“開放的任務(wù)”？一般的任務(wù)有明確的產(chǎn)品制作目標(biāo)，如“基于開源硬件的感應(yīng)燈”的制作、“智能水杯”的制作等，這類任務(wù)學(xué)生雖有一定的創(chuàng)意空間，但在產(chǎn)品類別上有明確的限制；同時(shí)，教師提供的實(shí)驗(yàn)器材也僅限于完成這類作品所需。開放的任務(wù)不受產(chǎn)品類別、用途的限制，是以學(xué)生為中心，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)，自主選擇項(xiàng)目、合作伙伴、指導(dǎo)教師、學(xué)習(xí)環(huán)境等，以達(dá)到創(chuàng)新、創(chuàng)造的目的。

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是一個(gè)國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭源泉，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，是科技教育追求的基本目標(biāo)。如何設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造的能力，這是教學(xué)中應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重要問題。如果在教學(xué)中引入STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)與數(shù)學(xué)）教育的理想方法，“開放創(chuàng)新”的意義將會(huì)得到進(jìn)一步的提升。

● 學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)建議

“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊仍然是“為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展而設(shè)計(jì)的課程”的模塊，也是實(shí)踐性極強(qiáng)的內(nèi)容模塊。建議測(cè)評(píng)時(shí)仍以實(shí)踐操作、創(chuàng)新創(chuàng)造的效果為測(cè)評(píng)依據(jù)。一方面對(duì)“親歷體驗(yàn)”的效果進(jìn)行測(cè)評(píng)，檢測(cè)學(xué)生能搜索并利用開源硬件及相關(guān)資料，體驗(yàn)作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、運(yùn)行的完整過程，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和求解問題的能力，以確定基本成績(jī)；另一方面對(duì)“開放創(chuàng)新”的效果進(jìn)行測(cè)評(píng)，檢測(cè)“提升計(jì)算思維與創(chuàng)新能力”的效果，以確定加分成績(jī)。兩部分成績(jī)相加，形成本模塊修習(xí)的學(xué)業(yè)成績(jī)。

常言道教無(wú)定法，選擇性必修模塊的教學(xué)更是如此。只有明確“立德樹人”的根本任務(wù)，把握素養(yǎng)培育的基本要求，立足學(xué)生主體的教育陣地，開展開放創(chuàng)新的課堂教學(xué)，“軟硬兼施”、開源創(chuàng)新，克服教學(xué)中遇到的各種困難，才能取得更好的教學(xué)成果。