開源硬件在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

陳杰

黨的十九屆五中全會明確提出了到2035年我國進(jìn)入創(chuàng)新型國家前列，建成人才強國的戰(zhàn)略目標(biāo)?？梢?，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工作已經(jīng)提到了國家發(fā)展的戰(zhàn)略性層面?！秶抑虚L期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中特別強調(diào)了拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的意義，指出拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)既是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成，也是我國教育改革的重要方面。而創(chuàng)新人才的培養(yǎng)不是一蹴而就的，它需要一個長期的過程。為此，南京市電化教育館布局全市，依據(jù)各區(qū)各校特點有針對性地實施了創(chuàng)新教育項目。南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校（以下簡稱“南師附中樹人學(xué)?！保┮浴澳芩軙臁眲?chuàng)客空間為依托，開展了基于開源硬件創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方案。本文主要從開源硬件平臺、課程、教師培養(yǎng)、智慧目標(biāo)等角度談?wù)劸唧w的應(yīng)用。

一、開源硬件為創(chuàng)新人才普及教育提供了實踐平臺

所謂開源硬件指的是與自由及開放源代碼軟件以相同方式設(shè)計的計算機(jī)和電子硬件。開源硬件考慮對軟件以外的領(lǐng)域開源，是開源文化的一部分。其中，Arduino、micro：bit、掌控板、行空板等國內(nèi)外開源硬件的誕生可謂開源硬件發(fā)展史上的一個個里程碑。正是因為如此，原本在高等院校使用的單片機(jī)，以開源硬件的方式走入了基礎(chǔ)教育領(lǐng)域。南師附中樹人學(xué)校VEX社團(tuán)不僅鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，還在國內(nèi)外重要賽事中斬獲大獎，但惠及的學(xué)生面太小，目前只能集中在社團(tuán)成員。造成這種困局有多種原因，如器材和場地不足、課程內(nèi)容開發(fā)不多、專業(yè)教師人員太少等。其中，最主要的原因是缺少性價比更高的平臺。相比VEX動輒上萬元的價格，開源硬件的價格十分親民，操作簡單易用，周邊生態(tài)健全，這使得開源硬件能夠真正走入普通課堂。

為此，南師附中樹人學(xué)校開設(shè)了基于開源硬件的普及型機(jī)器人課程。該課程中使用的硬件為micro：bit和麥昆車體，總價為400元，且micro：bit和麥昆車體上都各自集成了不少傳感器及執(zhí)行器，如巡線、避障、燈光、聲音、無線通信等。這些設(shè)備的集成，一方面減少了煩瑣的電路連線；另一方面，Mind+、Microsoft MakeCode這些圖形化軟件都支持對開源硬件機(jī)器人進(jìn)行編程，這大大降低了學(xué)生操作難度。麥昆車體還提供四組IO和兩組I2C接口，后續(xù)可進(jìn)行模塊拓展。例如，接入視覺識別模塊即可進(jìn)行AI教學(xué)。

這些開源硬件周邊軟件十分豐富，最典型的莫過于SIoT，它是一個為中小學(xué)STAEM教育定制的跨平臺開源MQTT服務(wù)器程序。SIoT重點關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集和導(dǎo)出，是采集科學(xué)數(shù)據(jù)比較好的選擇之一。SIoT一鍵解壓即可完成服務(wù)器部署，無需復(fù)雜的安裝及設(shè)置。另外，SIoT采用本地局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)訪問，一般信息科技課程教學(xué)環(huán)境（機(jī)房）皆能滿足要求。數(shù)據(jù)上傳、下載無需連入因特網(wǎng)，這一點也從根本上解決了學(xué)生聽不懂因特網(wǎng)數(shù)據(jù)下載相關(guān)操作，而對后續(xù)學(xué)習(xí)失去興趣的情況。SIoT采集的數(shù)據(jù)可導(dǎo)出為Excel格式，為后續(xù)做數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開源硬件無論是從資源還是周邊豐富的軟件生態(tài)來說，完全可以作為學(xué)生創(chuàng)新教育的實踐平臺。教師以開源硬件為基礎(chǔ)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、AI等方向的知識體系內(nèi)容教學(xué)框架。（如圖）

二、開源硬件為培養(yǎng)創(chuàng)新人才衍生出創(chuàng)新課程

培養(yǎng)創(chuàng)新人才必然需要創(chuàng)新的課程，創(chuàng)新的課程多具備以下特點：以項目化形式開展教學(xué)；關(guān)注多學(xué)科融合，強調(diào)知識運用。南師附中樹人學(xué)校目前以開源硬件為基礎(chǔ)，開設(shè)多門創(chuàng)新性實踐課程。其中最具有代表性的課程是“麥昆STEAM成長記”“氣象萬千——探究氣象的秘密”等。

“麥昆STEAM成長記”課程主要是為普及機(jī)器人基本操作，但更重要的是為創(chuàng)設(shè)具體的情境，讓學(xué)生將多學(xué)科知識融入其中，使其成為一門STEAM課程。我們將該課程內(nèi)容設(shè)計分為四部分：技能篇、任務(wù)篇、AIoT篇、競賽篇。技能篇主要介紹麥昆機(jī)器人的基本操作；任務(wù)篇主要是搭建各種創(chuàng)意項目，學(xué)生通過分析、設(shè)計、提出解決方案，讓麥昆機(jī)器人創(chuàng)造性地完成多項任務(wù)；AIoT篇主要是將人工智能與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，學(xué)生通過AIoT解決現(xiàn)實生活中的具體問題；競賽篇主要是引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計各種場地來進(jìn)行比賽，通過比賽來驗證學(xué)習(xí)的有效性，提升學(xué)習(xí)的趣味性。雖然是機(jī)器人課程，但是弱化技術(shù)，強化學(xué)科知識的融合。例如，我們在“麥昆機(jī)器人過橋”一課中利用麥昆機(jī)器人來探究數(shù)學(xué)中的速度、時間、路程的關(guān)系；在“安全加密”一課中則將歷史上的密碼等知識引入課程，并介紹了數(shù)據(jù)編碼的方法……可見該系列課程摒棄傳統(tǒng)機(jī)器人課程的教學(xué)模式，不再單純地介紹技術(shù)，而是真正構(gòu)建STEAM理念的課程。最后一部分競賽篇，從最初的創(chuàng)意設(shè)計、規(guī)則制定，到最后的方案確定等，完全由學(xué)生獨立完成。這也反映了學(xué)生的成長。課程的發(fā)展。該課程獲得了2019年上海國際STEAM課程開發(fā)大賽前48強。

“氣象萬千——探究氣象的秘密”課程是信息科技教研組聯(lián)合地理、語文、數(shù)學(xué)、地理教研組共同開展的一門課程。課程最初起因是地理教研組為了探究南師附中本部與南師附中樹人學(xué)校兩個校區(qū)存在的溫度差。地理教研組需要一些測量記錄氣象數(shù)據(jù)的裝置而找到了信息科技教研組，信息科技教研組決定先利用開源硬件搭建簡易氣象站，再利用氣象站采集并記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究。隨著語文、數(shù)學(xué)等學(xué)科的加入，課程發(fā)生了改變，最終經(jīng)過一輪輪的討論，“氣象萬千”課程形成方案。該課程首先由二十四節(jié)氣引入，學(xué)生找尋與二十四節(jié)氣相關(guān)的古詩詞，豐富文學(xué)素養(yǎng)（語文學(xué)科）；其次介紹二十四節(jié)氣中的氣象知識及探究的目標(biāo)（地理學(xué)科）；然后利用開源硬件搭建簡易氣象站，使用物聯(lián)網(wǎng)采集、存儲數(shù)據(jù)（信息科技學(xué)科）；最后通過數(shù)據(jù)分析建模驗證探究目標(biāo)，得出結(jié)論（數(shù)學(xué)學(xué)科）。

三、具備創(chuàng)新能力的教師是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的必要條件

實施創(chuàng)新教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，離不開具有創(chuàng)新能力的教師。而創(chuàng)新教師應(yīng)擁有扎實的學(xué)科知識，多學(xué)科融合的課程設(shè)計能力，開闊的視野和學(xué)科站位高度。

首先，創(chuàng)新課程教師應(yīng)該具備扎實的開源硬件專業(yè)知識。實操物化作品是課程實施過程中的重要步驟，也是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，更是技術(shù)實踐的重要保障。為此，教師對常見開源硬件及其生態(tài)周邊應(yīng)熟知并能夠熟練應(yīng)用，同時要對人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)模塊有一定的了解，可以實現(xiàn)簡易功能物聯(lián)網(wǎng)或人工智能作品的搭建。教師不僅要傳授知識，還需要為學(xué)生物化作品提供強有力的技術(shù)支持。

其次，創(chuàng)新課程教師不僅應(yīng)具備扎實的開源硬件專業(yè)知識，更應(yīng)具備多學(xué)科融合的課程設(shè)計能力。目前，市面上所謂的創(chuàng)新課程要么是以課程融合為幌子的培訓(xùn)教程，要么就是忽略技術(shù)的科普原理類課程。而培養(yǎng)創(chuàng)新人才的課程內(nèi)容不僅包含技術(shù)操作，還包括了原理學(xué)習(xí)、模型的建構(gòu)、知識遷移等。

以“麥昆機(jī)器人過橋”一課為例，該案例屬于小學(xué)數(shù)學(xué)中的小車過橋問題，此處將其設(shè)計為實物化方式（麥昆小車）來進(jìn)行問題求解。已知條件：路程s，小車的電機(jī)轉(zhuǎn)速v，求時間t。小車過橋?qū)儆跀?shù)學(xué)問題，控制小車運動屬于技術(shù)問題。圖形化編程小車移動指令中的速度是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而非小車實際行走的速度。這一點，可以讓學(xué)生自己在操作實踐中去發(fā)現(xiàn)，提供給學(xué)生一個試錯的機(jī)會。學(xué)生要解決該問題，就要利用電機(jī)轉(zhuǎn)速將其轉(zhuǎn)換成小車實際行走速度，于他們而言是一個新的挑戰(zhàn)。學(xué)生需要先指定小車以固定的轉(zhuǎn)速運行一定時間t1，正確測量并記錄行駛的距離s1，從而求得小車的實際速度v1。有了小車的實際速度v1后，有些學(xué)生可能會直接求過橋時間t2，通過試驗發(fā)現(xiàn)無法完成任務(wù)。而造成失敗的原因是他們沒有把車身的長度加上，就直接求t2。該問題如果放在數(shù)學(xué)試卷上，可能很少有學(xué)生會犯錯，但在實際情境模擬下，學(xué)生們的方案可能有些差強人意。要培養(yǎng)創(chuàng)新人才就需要有創(chuàng)新課程教師來設(shè)計諸如此類的創(chuàng)新課程案例。

最后，創(chuàng)新課程教師在選取合適開源硬件時要有一定的站位高度。眾所周知，目前開源硬件種類繁多，教師一時間可能無從選擇。創(chuàng)新課程教師在開源硬件選擇上，應(yīng)本著育人的宗旨，不被廠家所宣傳的功能所迷惑，讓產(chǎn)品為我所用。義務(wù)教育新課標(biāo)中已明確提出硬件資源的自主可控，所以在選擇開源硬件時，教師要有一定的站位高度，盡可能選擇國產(chǎn)控制器，例如行空板、掌控板等。

四、基于開源硬件的項目設(shè)計培養(yǎng)了創(chuàng)新人才的智慧

基于開源硬件的項目設(shè)計多以問題為導(dǎo)向，我們稱其為問題式學(xué)習(xí)。而“問題”分為結(jié)構(gòu)良好問題和結(jié)構(gòu)殘缺（或結(jié)構(gòu)不良）問題兩種。對結(jié)構(gòu)良好問題，有一定的解決路徑、模式和方法，學(xué)生能通過不斷的學(xué)習(xí)和練習(xí)，形成解決問題的經(jīng)驗。對結(jié)構(gòu)不良問題而言，不能用固定的模式、方法來解決，而是需要調(diào)動學(xué)生已有的知識、能力、經(jīng)驗等，甚至重新學(xué)習(xí)、不斷嘗試，才有可能解決問題。

新冠疫情期間，南師附中樹人學(xué)校信息科創(chuàng)社團(tuán)圍繞“抗擊疫情”，開展了抗疫主題項目作品設(shè)計與制作。如圍繞解決測溫數(shù)據(jù)上報為需求的項目；疫情期間如何克服焦躁情緒，積極健康鍛煉為需求的項目……對學(xué)生而言，這些項目沒有固定的模式和方法，也沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)答案。例如，圍繞解決測溫數(shù)據(jù)上報為需求的項目中，學(xué)生設(shè)計了兩種測溫的方案：一種是以門禁人臉識別非接觸測溫，并將體溫數(shù)據(jù)上報物聯(lián)網(wǎng)端；另外一種則是將測溫儀器設(shè)計成隨身攜帶的手環(huán)，實時測溫上報物聯(lián)網(wǎng)端。兩種不同的設(shè)計方案都是從用戶需求出發(fā)，體現(xiàn)了以人為本的理念。開源硬件的選取同樣也有不同的方案，第一種方案中測溫模塊需具備非接觸測溫功能，對模塊體積大小無特別要求；第二種方案中，由于是可穿戴的設(shè)計，對測溫模塊的體積有具體的要求，必須實現(xiàn)穿戴舒適。可見，學(xué)生設(shè)計的出發(fā)點不同，產(chǎn)生的作品也千變?nèi)f化，這個過程提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

綜上所述，南師附中樹人學(xué)校有目的地開展基于開源硬件創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃，積極引導(dǎo)、開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和培養(yǎng)學(xué)生對創(chuàng)新的正確態(tài)度，實現(xiàn)了從理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`操作的教育轉(zhuǎn)變；從單純的技術(shù)教育向多學(xué)科融合教育的轉(zhuǎn)變；從知識傳授向創(chuàng)新思維培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。