软硬兼施，开源创新
——开源硬件项目设计模块的教学策略

李维明

“开源硬件项目设计”是为学生个性化发展而设计的课程中的三个模块之一，是针对学生个性化发展需要，按照开源硬件项目设计流程而设置的选择性必修模块。虽然模块名称有“硬件”标签，但开源硬件项目的设计与实现却与软件关联甚紧，所以本模块的教学采用“软硬兼施”的策略为上。

● 开源硬件与软件

开源（Open Source）这一概念兴起于软件行业，其基本内涵是开放源代码，即源代码开放共享的开发模式。开源模式是一种依托互联网平台，大规模群体智慧通过共同参与和协作而不断累积，实现持续创新的方法。在开源模式下，通过许可证的方式，使用者在遵守许可限制的条件下，可自由获取源代码，并可使用、复制、修改和再发布。开放的源代码大多是免费的，因此得到广大编程爱好者和产品开发者的青睐，从而在一定的程度上促进了编程技术的发展。

“开源硬件”就是以“开放源代码软件”相同的方式“开放”“源”电子硬件的设计，并通过这样的方式设计及“衍生”出来的硬件产品。信息技术课程中经常使用的开源硬件核心板如基于单片机的“Arduino”、基于Python的“掌控板”、基于Linux的“树莓派”和“虚谷号”等都属于“开源硬件”及“衍生”品。这些源硬件核心板、扩展板加上它们的编程软件，就构成了开源硬件项目的开发平台。

开源的本质在于开放、共享、协同，由此形成的“开源文化”，催生了众多的“开源社区”。这些社区由全世界拥有共同兴趣爱好的人组成，是自由学习交流的空间，在推动开源软件、硬件发展的过程中起着不可忽视的作用。这些“开源社区”里大量的开源项目案例及资源，也是信息技术课程教学资源的重要来源。

● 开源硬件项目的开发

“开源硬件项目”一般特指两类项目：①硬件设计本身的开源项目，这类项目涉及硬件的设计与制造，难度较大；②利用开源硬件开发、设计、制作的项目，这类项目难度较低，适应面广，特别适合信息技术教学及创新教育领域应用。

“开源硬件项目”的开发，需要经过创意设计、硬件组装、软件编程、测试运行、完善迭代等多个环节（如下图）。

所谓创意就是头脑中的一种想法，需要通过设计把这种想法加载在某个具体的硬件或软件中；而之后的硬件组装、软件编程、测试运行、完善迭代等多个环节，就是为实现这个创意设计而进行的具体步骤。

“开源硬件项目”的开发，还需要考虑其教学价值及经济成本，一般选用开放程度高、周边配套齐、操控方法简便、展示效果好、结实耐用、物美价廉的系统及产品，特别是周边配套的因素需要重点考虑。因为开源硬件的核心板一般都比较简练，很多功能需要扩展才能实现，周边配套的软件、硬件，包括各种传感器、接插件的丰富程度直接影响创意设计实现的可能性。

● 教学的基本策略

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）要求：“通过本模块的学习，学生能搜索并利用开源硬件及相关资料，体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程，初步形成以信息技术学科方法观察事物和求解问题的能力，提升计算思维与创新能力。”这里“体验”开源硬件开发的完整过程是学生活动的主干，是教学落实的重点；而“初步形成”“观察”“求解”问题的能力，“提升”计算思维及创新能力是教学的目的，是努力实现的目标。

基于此，笔者提出本模块教学的基本策略之一——亲历体验，这也就是《课标》中建议的“组织学生利用开源硬件设计开发一些生活中的简单信息系统，引导学生理解项目设计过程中常用的开源硬件，熟悉开源硬件的基本使用方法，认识基于开源硬件的信息系统的基本结构及一般设计流程”。

怎样“利用”开源硬件“设计开发”生活中的简单信息系统？这是教学中实现学生“体验”的重点。为了帮助学生实现更好的体验，选择好的项目开展教学十分必要。现行的教材中就有不少优秀项目，如“设计制作低头报警仪”“设计制作基于开源硬件的感应灯”“设计制作智能园艺装置”等。

在实例体验及剖析的基础上，笔者提出本模块教学的基本策略之二——开放创新，这也就是《课标》建议的“设计较为开放的任务，给学生充分的想象与创新空间”。

什么是“开放的任务”？一般的任务有明确的产品制作目标，如“基于开源硬件的感应灯”的制作、“智能水杯”的制作等，这类任务学生虽有一定的创意空间，但在产品类别上有明确的限制；同时，教师提供的实验器材也仅限于完成这类作品所需。开放的任务不受产品类别、用途的限制，是以学生为中心，让学生结合所学知识，自主选择项目、合作伙伴、指导教师、学习环境等，以达到创新、创造的目的。

创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭源泉，创新是引领发展的第一动力，是科技教育追求的基本目标。如何设计项目任务，激发学生创新的兴趣，培养学生创新、创造的能力，这是教学中应当关注的重要问题。如果在教学中引入STEAM（科学、技术、工程、人文艺术与数学）教育的理想方法，“开放创新”的意义将会得到进一步的提升。

● 学业评价建议

“开源硬件项目设计”模块仍然是“为学生个性化发展而设计的课程”的模块，也是实践性极强的内容模块。建议测评时仍以实践操作、创新创造的效果为测评依据。一方面对“亲历体验”的效果进行测评，检测学生能搜索并利用开源硬件及相关资料，体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程，初步形成以信息技术学科方法观察事物和求解问题的能力，以确定基本成绩；另一方面对“开放创新”的效果进行测评，检测“提升计算思维与创新能力”的效果，以确定加分成绩。两部分成绩相加，形成本模块修习的学业成绩。

常言道教无定法，选择性必修模块的教学更是如此。只有明确“立德树人”的根本任务，把握素养培育的基本要求，立足学生主体的教育阵地，开展开放创新的课堂教学，“软硬兼施”、开源创新，克服教学中遇到的各种困难，才能取得更好的教学成果。