開源硬件在創新人才培養中的應用

陳杰

黨的十九屆五中全會明確提出了到2035年我國進入創新型國家前列，建成人才強國的戰略目標?？梢?，創新型人才培養工作已經提到了國家發展的戰略性層面?！秶抑虚L期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中特別強調了拔尖創新人才培養的意義，指出拔尖創新人才的培養既是我國經濟發展戰略的重要組成，也是我國教育改革的重要方面。而創新人才的培養不是一蹴而就的，它需要一個長期的過程。為此，南京市電化教育館布局全市，依據各區各校特點有針對性地實施了創新教育項目。南京師范大學附屬中學樹人學校（以下簡稱“南師附中樹人學?！保┮浴澳芩軙臁眲摽涂臻g為依托，開展了基于開源硬件創新人才的培養方案。本文主要從開源硬件平臺、課程、教師培養、智慧目標等角度談談具體的應用。

一、開源硬件為創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計的計算機和電子硬件。開源硬件考慮對軟件以外的領域開源，是開源文化的一部分。其中，Arduino、micro：bit、掌控板、行空板等國內外開源硬件的誕生可謂開源硬件發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，以開源硬件的方式走入了基礎教育領域。南師附中樹人學校VEX社團不僅鍛煉了學生的創新能力和動手能力，還在國內外重要賽事中斬獲大獎，但惠及的學生面太小，目前只能集中在社團成員。造成這種困局有多種原因，如器材和場地不足、課程內容開發不多、專業教師人員太少等。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，南師附中樹人學校開設了基于開源硬件的普及型機器人課程。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行器，如巡線、避障、燈光、聲音、無線通信等。這些設備的集成，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器人進行編程，這大大降低了學生操作難度。麥昆車體還提供四組IO和兩組I2C接口，后續可進行模塊拓展。例如，接入視覺識別模塊即可進行AI教學。

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STAEM教育定制的跨平臺開源MQTT服務器程序。SIoT重點關注物聯網數據的收集和導出，是采集科學數據比較好的選擇之一。SIoT一鍵解壓即可完成服務器部署，無需復雜的安裝及設置。另外，SIoT采用本地局域網內數據訪問，一般信息科技課程教學環境（機房）皆能滿足要求。數據上傳、下載無需連入因特網，這一點也從根本上解決了學生聽不懂因特網數據下載相關操作，而對后續學習失去興趣的情況。SIoT采集的數據可導出為Excel格式，為后續做數據分析提供基礎數據。開源硬件無論是從資源還是周邊豐富的軟件生態來說，完全可以作為學生創新教育的實踐平臺。教師以開源硬件為基礎平臺，能夠實現機器人、物聯網、AI等方向的知識體系內容教學框架。（如圖）

二、開源硬件為培養創新人才衍生出創新課程

培養創新人才必然需要創新的課程，創新的課程多具備以下特點：以項目化形式開展教學；關注多學科融合，強調知識運用。南師附中樹人學校目前以開源硬件為基礎，開設多門創新性實踐課程。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器人基本操作，但更重要的是為創設具體的情境，讓學生將多學科知識融入其中，使其成為一門STEAM課程。我們將該課程內容設計分為四部分：技能篇、任務篇、AIoT篇、競賽篇。技能篇主要介紹麥昆機器人的基本操作；任務篇主要是搭建各種創意項目，學生通過分析、設計、提出解決方案，讓麥昆機器人創造性地完成多項任務；AIoT篇主要是將人工智能與物聯網結合，學生通過AIoT解決現實生活中的具體問題；競賽篇主要是引導學生自主設計各種場地來進行比賽，通過比賽來驗證學習的有效性，提升學習的趣味性。雖然是機器人課程，但是弱化技術，強化學科知識的融合。例如，我們在“麥昆機器人過橋”一課中利用麥昆機器人來探究數學中的速度、時間、路程的關系；在“安全加密”一課中則將歷史上的密碼等知識引入課程，并介紹了數據編碼的方法……可見該系列課程摒棄傳統機器人課程的教學模式，不再單純地介紹技術，而是真正構建STEAM理念的課程。最后一部分競賽篇，從最初的創意設計、規則制定，到最后的方案確定等，完全由學生獨立完成。這也反映了學生的成長。課程的發展。該課程獲得了2019年上海國際STEAM課程開發大賽前48強。

“氣象萬千——探究氣象的秘密”課程是信息科技教研組聯合地理、語文、數學、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校兩個校區存在的溫度差。地理教研組需要一些測量記錄氣象數據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據進行相關研究。隨著語文、數學等學科的加入，課程發生了改變，最終經過一輪輪的討論，“氣象萬千”課程形成方案。該課程首先由二十四節氣引入，學生找尋與二十四節氣相關的古詩詞，豐富文學素養（語文學科）；其次介紹二十四節氣中的氣象知識及探究的目標（地理學科）；然后利用開源硬件搭建簡易氣象站，使用物聯網采集、存儲數據（信息科技學科）；最后通過數據分析建模驗證探究目標，得出結論（數學學科）。

三、具備創新能力的教師是創新人才培養的必要條件

實施創新教育，培養創新人才，離不開具有創新能力的教師。而創新教師應擁有扎實的學科知識，多學科融合的課程設計能力，開闊的視野和學科站位高度。

首先，創新課程教師應該具備扎實的開源硬件專業知識。實操物化作品是課程實施過程中的重要步驟，也是創新人才培養的重要環節，更是技術實踐的重要保障。為此，教師對常見開源硬件及其生態周邊應熟知并能夠熟練應用，同時要對人工智能、物聯網等相關模塊有一定的了解，可以實現簡易功能物聯網或人工智能作品的搭建。教師不僅要傳授知識，還需要為學生物化作品提供強有力的技術支持。

其次，創新課程教師不僅應具備扎實的開源硬件專業知識，更應具備多學科融合的課程設計能力。目前，市面上所謂的創新課程要么是以課程融合為幌子的培訓教程，要么就是忽略技術的科普原理類課程。而培養創新人才的課程內容不僅包含技術操作，還包括了原理學習、模型的建構、知識遷移等。

以“麥昆機器人過橋”一課為例，該案例屬于小學數學中的小車過橋問題，此處將其設計為實物化方式（麥昆小車）來進行問題求解。已知條件：路程s，小車的電機轉速v，求時間t。小車過橋屬于數學問題，控制小車運動屬于技術問題。圖形化編程小車移動指令中的速度是電機的轉速，而非小車實際行走的速度。這一點，可以讓學生自己在操作實踐中去發現，提供給學生一個試錯的機會。學生要解決該問題，就要利用電機轉速將其轉換成小車實際行走速度，于他們而言是一個新的挑戰。學生需要先指定小車以固定的轉速運行一定時間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，有些學生可能會直接求過橋時間t2，通過試驗發現無法完成任務。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。該問題如果放在數學試卷上，可能很少有學生會犯錯，但在實際情境模擬下，學生們的方案可能有些差強人意。要培養創新人才就需要有創新課程教師來設計諸如此類的創新課程案例。

最后，創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。創新課程教師在開源硬件選擇上，應本著育人的宗旨，不被廠家所宣傳的功能所迷惑，讓產品為我所用。義務教育新課標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，盡可能選擇國產控制器，例如行空板、掌控板等。

四、基于開源硬件的項目設計培養了創新人才的智慧

基于開源硬件的項目設計多以問題為導向，我們稱其為問題式學習。而“問題”分為結構良好問題和結構殘缺（或結構不良）問題兩種。對結構良好問題，有一定的解決路徑、模式和方法，學生能通過不斷的學習和練習，形成解決問題的經驗。對結構不良問題而言，不能用固定的模式、方法來解決，而是需要調動學生已有的知識、能力、經驗等，甚至重新學習、不斷嘗試，才有可能解決問題。

新冠疫情期間，南師附中樹人學校信息科創社團圍繞“抗擊疫情”，開展了抗疫主題項目作品設計與制作。如圍繞解決測溫數據上報為需求的項目；疫情期間如何克服焦躁情緒，積極健康鍛煉為需求的項目……對學生而言，這些項目沒有固定的模式和方法，也沒有固定的標準答案。例如，圍繞解決測溫數據上報為需求的項目中，學生設計了兩種測溫的方案：一種是以門禁人臉識別非接觸測溫，并將體溫數據上報物聯網端；另外一種則是將測溫儀器設計成隨身攜帶的手環，實時測溫上報物聯網端。兩種不同的設計方案都是從用戶需求出發，體現了以人為本的理念。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，由于是可穿戴的設計，對測溫模塊的體積有具體的要求，必須實現穿戴舒適。可見，學生設計的出發點不同，產生的作品也千變萬化，這個過程提升了學生的創新能力。

綜上所述，南師附中樹人學校有目的地開展基于開源硬件創新人才培養計劃，積極引導、開發學生創新思維和培養學生對創新的正確態度，實現了從理論學習向實踐操作的教育轉變；從單純的技術教育向多學科融合教育的轉變；從知識傳授向創新思維培養的轉變。