談樹莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育中的應(yīng)用

汪琴　李明

摘要：樹莓派在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供了可借鑒的新方向。為了了解樹莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育中的應(yīng)用，本文從什么是樹莓派以及樹莓派的特性出發(fā)，給出了樹莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育中的具體應(yīng)用分析，并著重闡述了一種應(yīng)用方法，最后介紹了樹莓派應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，以期讓樹莓派可以為學(xué)生的創(chuàng)新教育提供更多的幫助。

關(guān)鍵詞：樹莓派；創(chuàng)新；創(chuàng)業(yè)；Python

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2017）05-0073-03

樹莓派介紹

樹莓派是由英國(guó)劍橋大學(xué)開發(fā)的一款搭載ARM架構(gòu)處理器的微型電腦主機(jī)，在國(guó)外成立有樹莓派教育基金會(huì)，旨在推進(jìn)成人和兒童的教育，特別是在計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和相關(guān)學(xué)科的領(lǐng)域。它可以搭載Linux、Windows操作系統(tǒng)，配備有Python、C、Java、Scratch等語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，不僅具有USB接口、快速以太網(wǎng)接口、SD卡擴(kuò)展接口及HDMI高清視頻輸出接口這類常規(guī)接口，還具有DSI接口、CSI接口、一個(gè)26Pin的插座，該插座集合了GPIO、I2C、SPI接口，通過(guò)該插座可以連接光線、溫度、濕度、灰塵等各類傳感器。[1][2]

樹莓派有與外界交流的能力，通過(guò)以太網(wǎng)接口或無(wú)線路由就可以與Internet連接，通過(guò)其他接口可以與多種設(shè)備連接，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字化制造項(xiàng)目。樹莓派的功能多樣，其中包括音樂器、探測(cè)器氣象站、紅外照相機(jī)、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、播放高清晰度視頻、制作電子表格，即使是文字處理和游戲制作也是能夠通過(guò)樹莓派制作的。它是一個(gè)允許失敗的自由環(huán)境，學(xué)生可以不斷失敗，不斷嘗試卻不會(huì)產(chǎn)生較高費(fèi)用。如果一個(gè)文件系統(tǒng)被損壞，用戶總是可以再次開始用一個(gè)新的SD卡。

樹莓派在創(chuàng)新教育中的應(yīng)用

在創(chuàng)新教育中應(yīng)用樹莓派，應(yīng)在實(shí)踐中激勵(lì)創(chuàng)新意識(shí)，即激勵(lì)推崇創(chuàng)新、求新求變、積極探索的精神，能夠有效激發(fā)創(chuàng)新欲望；在應(yīng)用中注重培養(yǎng)創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)打破思維定勢(shì)，采用批判的視角，提出與眾不同的設(shè)想或有新意的解決方案。通過(guò)樹莓派多重項(xiàng)目能夠提升學(xué)生的創(chuàng)新技能，加強(qiáng)其綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)的能力，提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，也增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作的能力，最終為運(yùn)用創(chuàng)新思維奠定了基礎(chǔ)。

筆者基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈為樹莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育中的應(yīng)用提供了一種可參考的方法，如下圖所示。

1.學(xué)生利用樹莓派進(jìn)行初級(jí)階段學(xué)習(xí)

在此階段，學(xué)生的主要任務(wù)是了解基礎(chǔ)知識(shí)，了解樹莓派的基礎(chǔ)構(gòu)成。至于相關(guān)程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，如果是那些不具備程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的學(xué)生，可以利用樹莓派進(jìn)行程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)Scratch或者Python語(yǔ)言。Scratch采用的圖形化編輯界面對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)非常好理解，學(xué)生也不需要對(duì)程序設(shè)計(jì)規(guī)則深入了解，利用Scratch即可實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的操作。Python語(yǔ)言通俗易懂，學(xué)生較容易接受。通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作，學(xué)生即可利用Python或Scratch語(yǔ)言在樹莓派上進(jìn)行實(shí)踐操作。那些有程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的學(xué)生，一方面可以利用已有知識(shí)對(duì)樹莓派進(jìn)行再學(xué)習(xí)創(chuàng)造，另一方面可以接觸更多的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，使自己能夠更得心應(yīng)手地利用樹莓派。而對(duì)于那些負(fù)責(zé)非程序設(shè)計(jì)方面的學(xué)生，教師可以針對(duì)其專業(yè)，針對(duì)樹莓派不同項(xiàng)目需求進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的講解、鞏固及訓(xùn)練。

在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段，教師主要針對(duì)全體學(xué)生進(jìn)行講解，利用樹莓派，通過(guò)小實(shí)驗(yàn)或小作品實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的陳述，以便讓學(xué)生在實(shí)踐中充分了解各部件的性能和功用。

2.學(xué)生利用樹莓派進(jìn)行模仿

樹莓派擁有大量的作品案例，學(xué)生可以根據(jù)興趣愛好進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，討論完成項(xiàng)目的方法，確認(rèn)團(tuán)隊(duì)的分工細(xì)節(jié)、活動(dòng)時(shí)間等。因?yàn)槭菆F(tuán)隊(duì)合作，每位成員的要求都不一樣，故而教師要循序漸進(jìn)地對(duì)學(xué)生開展多層次的教學(xué)活動(dòng)。首先，每個(gè)人都必須充分了解樹莓派的相關(guān)特性，了解這些知識(shí)可以更好地掌握樹莓派，熟知樹莓派的各種特性，這對(duì)之后的學(xué)習(xí)創(chuàng)新創(chuàng)造有著十分重要的作用。其次，項(xiàng)目?jī)?nèi)容包含各個(gè)學(xué)科的具體實(shí)際問題，因此教師在進(jìn)行樹莓派創(chuàng)新教育的時(shí)候不妨采用跨院?？鐚I(yè)的學(xué)生組成合作小組或者團(tuán)隊(duì)的方式開展。隨后教師可以針對(duì)團(tuán)隊(duì)中成員的工作范圍或工作內(nèi)容提供學(xué)習(xí)指導(dǎo)、幫助，而組員則需要按照各自的學(xué)習(xí)進(jìn)度表進(jìn)行學(xué)習(xí)操作。最后，就可以根據(jù)不同的樹莓派項(xiàng)目活動(dòng)進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作了。為使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，教師必須為學(xué)生提供學(xué)習(xí)規(guī)劃大綱，讓學(xué)生根據(jù)這一大綱制作出合理的學(xué)習(xí)計(jì)劃表，并定期開展學(xué)習(xí)交流會(huì)，以創(chuàng)造提供思想碰撞，形成頭腦風(fēng)暴的機(jī)會(huì)。

在此基礎(chǔ)上，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生掌握樹莓派項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思路和方法，鼓勵(lì)學(xué)生從效率、創(chuàng)新功能等方面優(yōu)化代碼，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力，從而為之后進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)具有原創(chuàng)性的項(xiàng)目產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。[3]

3.學(xué)生利用樹莓派進(jìn)行創(chuàng)造升級(jí)

模仿是為了更多地了解樹莓派的性質(zhì)、作用，以及它的功能，并最終能在模仿的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)造。創(chuàng)造不是一蹴而就的，而是厚積薄發(fā)。首先在原有思路上從交互性、智能性等方面完善項(xiàng)目，然后鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)建具有社會(huì)意義、實(shí)用意義、文化內(nèi)涵和豐富個(gè)性的作品，最終開發(fā)設(shè)計(jì)出有價(jià)值的項(xiàng)目。采用這種遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)方式能夠激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力，同時(shí)也可以為學(xué)生的創(chuàng)新教育提供思路和奠定基礎(chǔ)。

運(yùn)用樹莓派進(jìn)行創(chuàng)新教育的優(yōu)勢(shì)

樹莓派在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新教育能力方面所蘊(yùn)藏的巨大潛能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮，故在未來(lái)我們應(yīng)積極探索樹莓派在學(xué)生創(chuàng)新教育方面的有效方法和模式，提升學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力及問題解決能力。[4]因此，教師應(yīng)以本地學(xué)校教育為基礎(chǔ)，將不同專業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生通過(guò)樹莓派團(tuán)結(jié)起來(lái)，將樹莓派有效地與眾創(chuàng)空間緊密聯(lián)系起來(lái)，尋求學(xué)科、技術(shù)的有效整合。筆者認(rèn)為，國(guó)內(nèi)開展樹莓派在創(chuàng)新教育方面的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)。

1.樹莓派作品案例豐富多樣

國(guó)外關(guān)于樹莓派的研究范圍較廣，有集中于樹莓派教育的，有集中于工程設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā)方面的……在樹莓派官方網(wǎng)站、樹莓派官方雜志以及各個(gè)樹莓派研究論壇上也都有豐富的樹莓派應(yīng)用案例。國(guó)內(nèi)樹莓派的研究主要集中于工程設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā)方面，如基于樹莓派設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的電梯彩屏顯示系統(tǒng)，基于樹莓派對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行的系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究。[5][6][7]多種多樣的樹莓派案例為學(xué)生的學(xué)習(xí)及創(chuàng)造提供了有利的基礎(chǔ)條件。

2.有利于學(xué)生形成團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)及能力

樹莓派項(xiàng)目是多知識(shí)融合貫穿的基于跨院系跨專業(yè)交叉的項(xiàng)目，在整個(gè)項(xiàng)目完成的過(guò)程中都需要不同學(xué)科、不同專業(yè)的學(xué)生相互合作。項(xiàng)目?jī)?nèi)容包含各個(gè)學(xué)科的具體實(shí)際問題。學(xué)生在完成各個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中需要不斷地組合、容納其他學(xué)科的思維方式和技術(shù)手段。因此，教師在進(jìn)行樹莓派創(chuàng)新教育時(shí)可采用跨院?？鐚I(yè)的學(xué)生組成合作小組或者團(tuán)隊(duì)的方式開展。這樣，學(xué)生在組合重組中就鍛煉了團(tuán)隊(duì)意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及團(tuán)隊(duì)精神等。

3.提供良好實(shí)踐操作環(huán)境

樹莓派具有多樣的接口，可以連接各類傳感器、攝像頭、機(jī)械臂等多種設(shè)置。另外，樹莓派還支持多種語(yǔ)言的開發(fā)。學(xué)生在有一定程序語(yǔ)言的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)障礙會(huì)減少很多。在沒有語(yǔ)言基礎(chǔ)的情況下，也可以利用樹莓派一邊進(jìn)行程序?qū)W習(xí)，一邊進(jìn)行樹莓派活動(dòng)項(xiàng)目制作。學(xué)生可以利用這些有利條件進(jìn)行模仿、創(chuàng)造。

4.有助于提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)和能力

2015年5月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》指出，“不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力成為高校培養(yǎng)學(xué)生的重要指標(biāo)”。樹莓派項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的跨學(xué)科知識(shí)連接、階段式的項(xiàng)目發(fā)展、不斷的項(xiàng)目實(shí)踐操作過(guò)程都為學(xué)生的創(chuàng)新提供了有力條件。

總結(jié)

基于樹莓派的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的應(yīng)用可以為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力以及創(chuàng)業(yè)能力提供強(qiáng)有力的幫助。它在給學(xué)生提供學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)機(jī)會(huì)的同時(shí)，也為學(xué)生提供了良好的動(dòng)手操作環(huán)境，有助于學(xué)生的團(tuán)隊(duì)形成并最終提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的多方面能力。將樹莓派和外部設(shè)備，如Arduino、Weather station等結(jié)合起來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐能夠能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。但是目前國(guó)內(nèi)樹莓派在教學(xué)方面的研究較少，如何采用合理的教學(xué)方法、教學(xué)模式都需要進(jìn)行不斷的嘗試與研究，因此需要開展的工作還有很多。[8]樹莓派的應(yīng)用，不僅可以在高等院校中進(jìn)行，還可以在中小學(xué)中實(shí)施并做出成果。相信在大家的不斷探索努力下，樹莓派在教學(xué)創(chuàng)新方面的應(yīng)用能夠得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）Matt Richardson， Shawn Wallace.愛上Raspberry Pi[M].李凡希，譯.北京：科學(xué)出版社，2013.

[2][5]葉飛，李莉，江濤，等.樹莓派（Raspberry Pi）在冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的探討[J].中國(guó)管理信息化，2014（18）：43-44.

[3]田琳琳，劉斌，于紅，等.面向應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（03）：12-15.

[4][8]姚鵬閣，顏磊，楊陽(yáng)，等.樹莓派教育應(yīng)用：兒童編程能力培養(yǎng)的新途徑[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2015（10）：113-118.

[6]馮志輝.使用樹莓派實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（05）：85.

[7]王節(jié)旺，王瑞寶.基于樹莓派的雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016（01）：169-171+174.

作者簡(jiǎn)介：李明，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵诰€教育、電子商務(wù)；汪琴，學(xué)生，在讀碩士，研究方向?yàn)橹行W(xué)信息技術(shù)教育、移動(dòng)教育。