开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆 *

雒 亮， 祝智庭

(1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海 200062；2.华东师范大学 上海数字化教育装备工程技术研究中心，上海 200062)

一、引言

新产业革命的赋权，使科学技术创新不再仅仅集中于科层化管理的大型企业当中，以草根为中心的产品创新与生产制造成为可能。这个过程中有一群人，他们透过互联网和共同体活动空间，整合资源与服务，将创意转化成为制品，从而实现价值，这群人就是创客。克里斯·安德森认为，创客是指把具备相当的技术挑战的创意转变为现实的人，应具备一定的知识基础和创新、实践、共享、交流的能力与意识。从广义上讲“我们都是创客，生来如此”[1]，烹饪、种植、缝纫、串珠子或十字绣，这些闪现着人类创意、梦想与激情的创作过程都是创客的活动。而如今的创客，更多是指那些兴趣主要集中在电子、机械、机器人、3D打印等以工程化为导向的主题的人。创客高手可以熟练使用CNC激光雕刻机等工具，深谙传统的金属加工、木工及艺术创作技艺，善于挖掘新技术、鼓励创新与原型化。注重在实践中学习新知识，并加以创造性地使用，是“知行合一”的忠实实践者[2]。

创客的这些特质与“在实践中教学”的教育思想有很高的契合度。因此，近年热度越来高的创客运动，也逐渐引起教育界人士的思考与共鸣[3]。美国新媒体联盟2014年高等教育版的地平线报告指出，世界各地大学教学实践的焦点正在发生转移，各个学科的学生正在通过制作和创造的方式进行学习，而不再是课程内容的单纯消费者[4]。实际上，不仅是高等院校，世界各地不断涌现出的创客空间也包括许多面向基础教育阶段学习者的范例。如美国巴尔的摩市电子港科技中心(Digital Harbor Tech Center)为公立学校中小学生建立的创客空间，马萨诸塞州达克斯伯里免费图书馆(Duxbury Free Library)的杰西卡·拉马尔为四年级以上小学生建立的儿童图书馆创客空间[5]，我国浙江温州中学谢作如老师为该校学生建立的“DF创客空间”等。这些范例分别代表科技馆、图书馆、学校三种不同的创客空间构建模式，虽然在运营机制上略有区别，但他们均有共同的特征，即以项目驱动学习，而且这大多数的创客学习项目也都不约而同地使用了同一类开发工具，即开源硬件。

二、开源硬件的概念、历史与发展

开源硬件(Open Source Hardware)是指用与自由及开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件[6]。开源硬件设计者通常会公布详细的硬件设计资料，如机械图、电路图、物料清单、PCB版图、HDL源码和IC版图，以及驱动开源硬件的软件开发工具包等。作为开源文化的一部分，开源硬件受开源软件的启发而确立，并扩展了开源的概念域，但其实践历史却比开源或开放软件还早，可追溯到集成电路发展初期[7][8]。

20世纪 60至70年代，随着集成电路中大规模TTL集成电路技术的出现，业余无线电获得较大的发展，大批“火腿族”(HAM)为了交流、传播思想开始DIY自己的电台[9]。80年代到90年代，出现了超大规模集成电路，硬件设计门槛越来越高，设计方法也发生了很大变化，出现了电子设计自动化(EDA)技术，也诞生了很多免费的电子设计自动化软件，如Electric、XCircuit等[10]，硬件爱好者们可以便捷地使用这些工具设计电路。开源硬件概念正式确立源自1997年，开源运动的发起人之一，也是无线电发烧友(HAM)的布鲁斯·佩伦斯首次发起的“开源硬件认证计划”[11]。其目的是为了让硬件制造商能够自行认证他们的开放硬件产品。该计划允许用户为设备更换操作系统，同时确保即使制造商倒闭，仍能有人为设备编写新的软件。1998年，荷兰代尔夫特理工大学的雷纳德·朗伯茨在互联网上建立了第一个开源硬件协作项目组Open Design Circuits，致力于协作设计开放、低成本的电路。朗伯茨之后创立了opencores.org开源社区，关注数字模块中的IP核部分，是目前世界最大的开源硬件IP核社区，总共汇集了将近900个项目[12]。其中最著名的项目是基于ASIC设计的OpenRISC1000开源处理器。

然而，由于半导体产业的特殊性，即使开源硬件在设计上已经没有障碍，但由于流片和生产成本过高，又无法通过规模生产来降低成本，因而开源硬件的发展一度深处困境，一些最初的开源硬件项目一度难以维持。进入21世纪，开源软件的流行以及包括Google在内的开源企业取得的巨大商业成功，再一次刺激了开源硬件的发展。随着FPGA的发展和SoC设计的出现，嵌入式系统市场的快速扩张，使得开源硬件一度面临的流片和生产成本过高的问题得以解决。这一时期比较著名的项目包括Facebook设立的开源计算机项目(Open Computer Project)； Arduino、BeagleBoard等基于FPGA的开源硬件开发平台项目，MakerBot、Egg-Bot等开源桌面3D打印机项目等[13]。特别是Arduino等开源硬件开发平台的出现，使得电子发烧友(创客)们像无线电时代一样，又拥有了可以通过设计、开发实现创意的简单便宜的平台工具。此外，部分先行者在从事进一步提升开源硬件效能的研究，如半导体芯片硅工艺替代技术(如碳纳米管、砷化铟等)，符合“Good Enough”原则系统的设计的研究。

开源硬件项目蓬勃发展的同时，开源硬件组织也不断成熟。一些专业协会组织不断出现，如2009年成立的开源硬件与设计联盟(Open Source Hardware and Design Alliance)，2012年成立的开源硬件协会(Open Source Hardware Association)。相关组织与研究者也在着手从事开源硬件规范制定的工作，如开源硬件规范(Open Source Hardware Definition 1.0[14])，欧洲核子研究组织开源硬件许可证(CERN OHL)等。行业内最高级别的开源硬件峰会(Open Hardware Summit)自2010年以来，也已经成功举行了五届。开源硬件思想已渗透至硬件设计的各个层面，各种类型、大小的共同体不断涌现，开源硬件作为产业已经走上成熟发展的道路。

三、开源硬件的优势及其对创客教育的影响

开源硬件并不仅仅是硬件设计方法的开放，而更多地是体现了一种创新理念的开放。这种理念坚信从分享中所获多于自身付出。当开发者不再受专利授权所困，越来越多地公开分享他们的创新时，他们便能借此获得越来越多的免费帮助，进而改进自己的发明。由此引发的迭代创新的速度，甚至快过传统企业申请专利的速度。克里斯·安德森DIY Drones无人机项目就是很好的例子，起初只是安德森出于兴趣建立的DIY Drones社区，现已有超过5万的注册会员，超过1万篇的博文，超过200万页的无人机制造资料供分享[15]。这些资料的共享者就包括曾经“山寨”其产品的创客“HAZY”[16]。开发者透过DIY Drones社区积极交流对无人机的看法，并基于开源硬件平台协作制造、改进无人机。由此生产出的无人机产品，其功能甚至可以媲美航空工业垄断企业制造的价值百万美元的同类产品。类似的众多创客项目实例，已经不断通过事实证明“开源环境中的创造比秘密进行的发明速度更快、成本更低、效果更好”[17]。随着创客运动的不断发展，甚至连Intel这样传统的闭源硬件产业巨头，都嗅到了开源硬件中散发出的巨大利益，急切地加入到产业链当中，准备为创客的开源硬件“军火库”扩充“军备”。随着创客运动发展而不断壮大的开源硬件社区，以及不断丰富的开源硬件产品线，刚好也为创客教育这场“战役”提供了充裕的物资保障与精神动力。开源硬件对创客教育的影响主要体现在下述三个方面。

(一)成本优势加快创客教育的普及

开源硬件从硬件设计(如电路图、材料列表和电路板布局数据)，到驱动、软件开发工具包(SDK)均是开放授权并可免费获得的，除生产、销售过程中可能产生的物料、人工、仓储等成本外其他成本接近于零。此外，市场上的开源硬件按功能不同，也有不同层次的价格分级。于是，基础教育学校、科技馆、公立图书馆与社区活动中心等具有不同建设经费来源和规模需求的创客教育实践[18][19]，便可按照资金投入水平和功能需求不同，选择不同价格层次、不同组合的开源硬件，灵活地控制成本，形成不同规模的创客空间建设方案，开发不同层次的课程内容，开展不同类型的教学实践。如预算不足，仅投资购买由Arduino开发板、基础传感器和电路元器件组成的入门开发套件，即可完成诸如LED控制、温度传感、火焰报警、舵机控制、红外遥控等数十个实验项目，而类似的入门开发套件在淘宝网的售价仅是160元左右。如资金充裕，则可在入门套件的基础上购买更多功能丰富的传感器、扩展板，购置手工锯、锤子、锉刀、电烙铁等基础加工工具，小型车床、铣床、钻床、电钻、角磨机、切割机等进阶加工工具，甚至添置CNC、激光切割机、3D打印机等大型设备。实践者亦可采取增量升级的方式添置上述设备，这样不但能够在逐步扩大规模的同时缓解经费压力，还能使教师不断提升教学实践能力，使学习者不断获得新鲜的学习体验，并逐步深入创客教育，完成更具挑战性的学习任务。最终，开源硬件在成本方面的优势，可以使创客教育普及的步伐得到加速。

(二)完整的产业链生态圈提升创客教育的实施效率

面向正规教育学习者的基础教育学校，面向全体社会公民的科技馆、公立图书馆及社区活动中心，不同背景的创客教育实践拥有不同的目标，所面对的学习者的年龄阶段与学习特征也不尽相同。随着创客运动市场化进程的不断加速，从创客项目孵化器众筹平台(如Kickstarter、创客星球)，到硬件提供商(如Seeedstudio)，再到互联网创客社区(如DFRobot、DIY Drones)，开源硬件已经快速形成了一套完整的产业链生态圈。开源硬件产品种类更加细化，功能更加多样，项目案例更加丰富，支持服务也更加完善。这一生态圈为拥有不同目标的创客教育实践提供了丰富的各类资源。不同背景的创客教育实践者可根据需求，选择相适应的硬件产品构建教育创客空间，参照创客项目案例设计学习项目，并开展创客课程教学活动。创客教育的实施效率将得以全面提升。

(三)协作迭代的产品更新理念促进学习者成长

创客们不断创造的同时也在不断改进所使用的开源硬件，使之不断完善。与开源软件(如Linux)类似，开源硬件的不断完善也是基于协作的迭代升级机制。这种升级机制，促使创客从Do it yourself转变成为Do it together，并鼓励所有开发者参与其中。无论是小学生还是社区老年大学的业余爱好者，“菜鸟”还是“大侠”，只要能够为开源硬件的升级完善做出贡献，都能得到与贡献相匹配的荣誉、尊重，甚至是回报[20]。这种机制为创客教育中的学习者们提供了一种“合法的边缘性参与”的机会，促使学习者不断深入学习，向“中心参与”靠拢。而这一个过程恰恰就是一个学习者成长的过程。学习者个体从这个过程中收获的，是包括人际沟通、团队协作、创新问题解决、批判性思维和专业技能等在内的全方位的成长。

四、创客教育中的开源硬件工具

(一)开源硬件开发平台

从3D打印机到各类可穿戴设备，大多数开源硬件创客项目均是基于开源硬件开发平台开发的。开源硬件开发平台是一块嵌入式芯片开发板，创客们的设计、开发、调试设备都是围绕这块主板进行的。对创客教育而言，开源硬件开发平台也是其最主要的“战术武器”。学习者只有掌握了平台的使用方法，才能开展相应的创客学习项目，并从中获得成长。据统计，市场上常见的开源硬件开发平台有50余种[21]，从功能、价格、开发难度、扩展硬件支持、用户群容量与服务支持、项目案例容量等角度进行考察，研究认为下述几种是最适合用于创客教育的开源硬件平台。

1.Arduino

Arduino是最常见的一款开源平台，硬件包含各种型号的Arduino官方板(较常用的型号是Arduino UNO)，和驱动各种硬件、传感器的扩展板(Shields)，软件开发工具是 Arduino IDE。由意大利教师马西莫·班兹和西班牙晶片工程师大卫·夸铁雷斯于2005年联手设计开发。起因是学生们经常抱怨找不到便宜好用的微控制器，平台使用班兹学生大卫·梅利斯提供的程序设计语言。三人秉承设计时的开放源码理念，把设计图放到了网上，允许任何人生产电路板的复制品，亦能重新设计，现在市场上大量的Arduino板均以此为基础[22][23]。Arduino拥有类似Java，C语言的开发环境，即Arduino IDE。上海“新车间”的创客何琪辰为Arduino编写的ArduBlock可视化编程插件，让学习者可以用图形化积木搭建的方式编写Arduino程序，进一步降低了Arduino开发入门的难度。Arduino的优势：(1)便宜，官网售价24.28美元，淘宝网开发者入门套件(包含主板、各种常用传感器、面包板、电阻、遥控器、电机灯配件)仅售158元，可以完成大多数基础实验；(2)简单，是所有开源平台中最易上手的平台，因此在包括温州中学等在内的创客教育实践均使用此主板作为入门；(3)用户基数大，拥有庞大的网络社区用户、大量的示例项目和教程，并且可以轻松地与其他外部设备连接。Arduino的劣势：(1)处理能力较低，CPU主频仅16Mhz，RAM 2KB，ROM 32KB，相较于其他平台处理能力偏弱；(2)无通用接口，没有网络、USB、视音频输出等接口，因此无法兼容普通PC通用外接设备。

2.BeagleBoard

Beagleboard是德州仪器与得捷电子、e络盟合作生产的低能耗开源开发平台，也是德州仪器OMAP3530芯片的展示板。设计小组最初设计这款主板的目的是为了在高校教学中展示开源硬件、软件的能力。BeagleBoard初版于2011年10月发布，CPU为720Mhz的 Sitara ARM Cortex-A8，RAM 256MB，初始定价89美元。升级版BeagleBoard Black于2013年4月23日发布，售价45美元，CPU主频增至1GHz，RAM 512MB，还增加了HDMI输出和2GB的eMMC闪存[24]。BeagleBoard的优势：(1)处理能力更强，CPU处理能力更强，内存更大；(2)扩展性强，Black版内置2GB ROM，亦可通过MicroSD(TF)插槽扩展存储，此外还包含了HDMI接口、USB接口等通用接口，可兼容普通PC输入输出设备；(3)可运行Linux系统，作为准系统、微型桌面机运行。Beagleboard的劣势：(1)价格略高；(2)开发难度比Arduino高。

3.树莓派

树莓派由英国树莓派基金会开发，项目发起人是埃本·厄普顿。通过e络盟、欧时电子两家公司许可证生产，上市后受到创客和硬件发烧友欢迎。截止2014年10月，已售出大约380万块树莓派开发主板[25]。该主板集成一颗博通ARM11架构的BCM2835 CPU，主频700Mhz，A型主板256MB内存1个USB接口，B型版升级为512MB内存2个USB接口，B+版进一步扩展到4个USB接口。可安装Linux系统，支持1080P视频硬解码，A型售价25美元，B型B+型均为35美元[26]。树莓派的优势：(1)价格适中，价格介于Arduino和BeagleBoard之间，功能性价比高；(2)兼容性强，接口丰富，可实现PC的基本功能，兼容PC外接设备；(3)用户基数大，与Arduino类似，拥有庞大的网络社区用户、大量的示例项目和教程。树莓派的劣势：(1)价格略高，主板价格比Arduino高比BeagleBoard低，但由于无板载ROM，运行系统必须添加MicroSD存储卡，因此平台整体花费相对较高；(2)开发难度略高，对开发者计算机系统、编程知识的要求相对Arduino更高。

4.pcDuino

pcDuino平台由武汉联思普瑞公司的刘靖峰博士及其研发团队开发。最新的V3系列包含三款主板，均采用一颗全志A20 ARM Cortex A7架构主频为1Ghz的双核CPU，1GB RAM，4GB ROM，同时支持microSD和SATA接口。系列三款主板中性能指标最高的V3+型支持WiFi和千兆有线网络[27]。该平台最大的特点是能够把开源软件Linux和硬件Arduino生态链整合起来，一方面全面支持Arduino的扩展板和针脚接口，另一方面支持多种编程语言。如该平台支持Cloud 9云编程工具，开发者可无需在本机部署开发环境，直接使用Cloud 9云编程工具结合pcDuino板载的Wi-Fi功能无线访问、控制主板。该平台还支持麻省理工开发的专门面向儿童的简易开源编程工具Scratch，Scratch的命令和参数通过积木形状的模块来实现，即使学习者不认识英文单词，不会使用键盘，也能通过鼠标拖动模块“拼接”程序，这就使得pcDuino也同Arduino一样具有极低的门槛，适合更低年龄段的创客教育实践。pcDuino的优势：(1)性能强大，双核A7 1Ghz CPU处理性能胜过Arduino、BeagleBoard和树莓派，由于配备SATA接口，可连接大容量存储设备，再加上本身集成无线网络，整体性能接近PC；(2)兼容性好，完全兼容Arduino Uno扩展板(Shield)接口与代码，兼容大量PC 外接设备；(3)支持的开发语言更丰富。pcDuino的缺点：(1)价格高，几乎是所有主板里最贵的；(2)体积大，性能最强的V3+版本不适宜小型项目制品的开发；(3)功耗略高，用在电池供电并需要长时间续航(如无人机、四轴飞行器等)的项目制品上无优势。

5.Edison

Edison由Intel中国研究院开发，于2014年9月Intel信息技术峰会(Intel Developer Forum)上正式发布，是一枚只有SD卡般大小的开发板，内含一颗22nm 500Mhz Silvermount架构的Atom双核CPU和一颗100Mhz Quark MCU，同时集成Wi-Fi和蓝牙4.0，板载1GB RAM，集成4GB eMMC Flash，还有个70针的接口，可以外接USB,SD,UARTs,GPIOs等，定价约50美元。Edison的优势：(1)体积小，SD卡般的大小给创客项目开发带来无限可能，尤其是在开发可穿戴设备时；(2)集成无线网络，集成Wi-Fi和蓝牙给开发者带来很大的便利，而Arduino、树莓派、BeagleBoard等如需相关功能得外接设备，相较Edison体积进一步增大；(3)处理性能强大，虽主频仅有500Mhz，但由于是采用Silvermount架构的Atom CPU，因此性能强过现有其他平台ARM架构CPU；(4)Intel设计，Intel 还为它专门准备了一个应用商店，将来还会增加特别版本对Wolfram编程语言的支持[28]。Edison的劣势：(1)价格略高；(2)目前用户基数小，由于新出，无论网络社区用户、项目示例、教程等目前都相对匮乏，因此更适合高级开发者。

综合每种平台的优缺点，每种平台都有自己的特点，不存在完美的解决方案，实践者可参照每种平台的特征根据实际需求选择合适的平台。而从现有的创客教育实践案例中可以看出，Arduino是使用最广、最适宜于入门学习的平台。在更高级的或偏重多媒体功能开发的项目中，则可选择BeagleBoard、树莓派、或性能更高的PCDuino。三者中，PCDuino性能最高，兼容性更好，但价格偏高，体积、功耗更大；BeagleBoard性能强，功耗更低；树莓派平台使用量较大，开发案例多；而Intel Edison由于性能体积比的优势，更适于那些对所开发设备的体积有较高要求的学习项目，如可穿戴设备的开发。

(二)积木式开源硬件

开源硬件开发平台均涉及程序设计，即便有ArduBlock、Scratch这样的图形化的编程工具的支持，但对学生认知发展水平仍有一定要求，这就使得现有基础教育阶段基于开源硬件的创客教育实践主要集中于初中至高中学段。而新近出现的积木式开源硬件，则进一步降低了开源硬件开发难度的门槛。如果开源硬件开发平台是创客教育常规的“战术武器”，积木式开源硬件则是创客教育的“秘密武器”。LittleBits是这一类型开源硬件的典型代表。

2009年4月，LittleBits由阿雅·布黛尔在一次创客展上展出，当即便获得了大量观众的好评。该项目获得麻省理工媒体实验室创立者《数字化生存》的作者尼古拉斯·尼葛洛庞帝及主管伊藤穰一的资金支持。2011年LittleBits被纽约当代艺术馆作为永久展品收藏[29]。LittleBits就像是电子版的乐高积木，与乐高的卡扣不同，LittleBits模块间采用磁性吸附。用户可以用模块化的电子器件拼接成各种物件。目前LittleBits拥有超过60种不同的模块，包括电机、各类传感器等[30]。创客们可以藉此制造出可靠好用的电路系统，最新的CloudBit模块甚至可以将电路连接至互联网，从而扩展了LittleBits的创意空间，创客们可以通过移动设备远程控制电路或接收反馈信息，构造如智能家居等的项目。LittleBits对电路知识的要求几乎为零，不需要编程、焊接等工序。按照设计创客们几分钟内就可构建出想要的作品，如吉他、自行车、机器人等。创客们会把好的创意项目共享在Github或官网的开源社区上。官网bitsLab专区则更能体现开源硬件协作创新的理念，创客们将自己设计的电路模块设计方案上传到该专区，如获得1000以上用户的支持，LittleBits就会生产该模块，设计者从中可以获得荣誉甚至是奖金。LittleBits宣称为8岁以上的所有人设计，但在其官网的教育案例专区中也有很多更低年龄的创客教育实践案例可供实践者参考。

五、开源硬件创客教育实践案例

从LittleBits到Arduino，从树莓派、BeagleBoard到pcDuino，再到Edison，具有不同特征的开源硬件为创客教育的实践提供了丰富且各具特色的解决方案。近年国内外的实践者们，也在使用这些工具自发地开展创客教育的实践。这一过程中涌现出一些典型的学习者、教师、活动、课程、项目作品范例。

(一)西尔维娅·托德与她的“创客秀”

13岁的西尔维娅·托德来自加利福尼亚州奥本市。几年前在参观了一场创客展(Make Faire)后，原本就对制造修理很感兴趣的西尔维娅，在父亲的鼓励下创建了一个名为“西尔维娅的超帅创客秀”的网站。网站上的西尔维娅通过视频、博文等方式与他人分享创造带来的乐趣与收获。西尔维娅展示的作品覆盖了从业余火箭到可缝纫电路等的各种项目，这些项目大多基于开源硬件构建。“创客秀”颇受欢迎，激励了不少不同年龄段的学习者学习开源硬件并尝试创造，不久就累积到150万次的浏览量，同时也引起了教育研究者的注意。2012年西尔维娅受教育技术学者加里·斯泰格的邀请参加了其教师培训学院的培训项目，以帮助受训教师的专业发展[31][32]。西尔维娅最著名的创客项目是其2012年设计制造的水彩机器人(WaterColorBot)。这个机器人可以通过一只画笔，把使用者绘制的数字彩色图案实时地绘制在纸上。该项目基于树莓派平台构建，其原理是使用者通过iPad等无线设备端的软件绘制图案，树莓派则通过无线网络扩展板接收信息，并驱动一个机械结构控制画笔在XY两个轴上移动，沾取不同颜色的水彩，并在一张纸上绘出图案。该项目获得创客杂志的推荐，代表创客共同体参加了2013年度的白宫青少年科学展览会，奥巴马总统在参观后，兴致勃勃地用水彩机器人绘制了一副“加油STEM教育”的作品[33]。之后西尔维娅与一家企业联手组建团队，将水彩机器人项目放在众筹平台Kickstarter上，并在两周内就募集到足够批量生产的资金。基于开源硬件的创客项目促使西尔维娅从一名“边缘性参与”的业余爱好者变成了“中心参与”的创客，也使她成长成为一名优秀创客教育实践者，而13岁的她的创客教育实践也还在继续。2014年，她推出了一套的纸质绘本教材，运用生动的绘画来讲授Arduino入门知识，以帮助更多的小朋友接触开源硬件，体验创造的魅力。

(二)科勒和她的四年级地区学校挑战赛

特雷西·科勒博士是佛罗里达州柯里尔郡公立学校STEM资源、教育技术与媒体服务部的教师，在她的引导和组织下，2014年在柯里尔郡举行了一场由120位公立学校4年级学生参加的创客挑战赛，并大获成功。科勒将开源硬件LittleBits引入该郡，并与公立学校的老师一起尝试将LittleBits整合入数学、科学课程。首先，她将全郡公立学校的实践课教师召集在一起，让老师们组成协作学习小组，用一天的时间熟悉了LittleBits电路构建的方法。之后，她让这些教师回到自己的学校，用同样的协作学习策略指导四年级的学生熟悉LittleBits的基本操作方法。通过数周的常规学习，学生已能完全掌握LittleBits指导手册上的电路搭建。教师开始允许学生自由组成小组，围绕一个主题自行发挥想象去创造，不同小组创作出了各具特色的作品，通过班级和年级两次投票每个学校都选出了该校的代表组。最终，30个代表不同学校的小组齐聚一堂。科勒给出了终极考题，小组们被要求在三个小时内，在各自不同的创客空间内利用提供的LittleBits套件和扩展模块，围绕给定主题通过协作完成创作，而他们的老师只能在一旁观看。通过对小组项目完成过程中的合作情况以及作品的打分，来自月桂橡小学的小组获得了优胜[34]。图1为小组作品展示。

图 1 挑战赛中一个小组展示基于LittleBits创造的作品

在科勒及她的同僚们的实践中，四年级的小学生并没有表现出对开源硬件的畏惧，相反体现出了巨大的热情与创造力。科勒的实践也可以证明，基于恰当的工具与合适的方法，在小学阶段开展基于开源硬件的创客教育也是完全可行的。

(三)教师、课程、项目作品——谢作如与他的“DF创客空间”实践

相比国外STEM范畴下的开源硬件创客教育实践，国内的实践目前还多是卓越教师的自发探索，虽是探索但与国外相比却毫不逊色。最典型的是浙江温州中学谢作如老师与他的“DF创客空间”实践。温州中学一直有科技教育的传统，并鼓励学生开展研究性学习。主持或参与一项课题研究是学生在校三年必须完成的学习任务[35]。2013年在上海“新车间”创客李大维的建议下，谢老师将学校社团“科技制作社”改造成一间面向学校三个校区学生开放的创客空间，取名“DF创客空间”。空间在开源硬件企业DFRobot的支持下，配备了Arduino、树莓派、pcDuino等开源硬件开发平台以及两台3D打印机。结合学生特点，谢老师以Arduino为主要平台构建创客课程，形成了包括《Arduino创意机器人》在内的一系列校本选修课程。学生们通过课程学习不断发挥想象设计、开发了许多有趣又实用的创客项目，如孙宏川团队“远程养金鱼”项目。该项目基于孙宏川同学自主开发的Flaperon远程开放实验系统设计。如图2所示的Flaperon系统为开源软硬件结合的项目，基于pcDuino和Linux设计，可以远程操控摄像头、传感器与控制机构开展多种远程实验。

图2 孙宏川团队的“远程养金鱼”项目界面

“远程养金鱼”项目运用这套开源硬件系统通过实时录像和传感器数据观测千里之外的金鱼的状况，并通过点击鼠标控制远程的食物控制机构以实现给金鱼喂食的功能。该项目参加了2014年10月在上海举行的创客嘉年华，参观者均惊叹于这群中学生的软硬件开发与创新能力[36]。经过一年的教学实践，《Arduino创意机器人》课程逐渐成型，也入选了浙江省普通高中选修网络课程。谢老师秉承开源硬件理念，将22课时包含自编教材、教学设计、课件、微课的完整课程学习资源通过互联网共享出来，期望更多的教师能投入到创客教育的实践当中。

上述案例是国内外基于开源硬件的创客教育探索与实践中的一部分，这些案例极具代表性，从学习者、教师、活动、课程、学习项目等方面展示了开源硬件应用的实际过程与效果。案例体现出开源硬件的易用性、高效性与趣味性特征，也为实践教师带来如下几个方面启示：

首先，由于不同种类的开源硬件可以为不同门类的教育提供恰当的工具，教师要善用就需要有对不同工具功能与特点较为深入的理解，这就一方面需要教师自身在专业能力发展上有较高的需求动机与实践能力，另一方面也需要创客教育推广者们通过组织恰当的教研活动（如科勒案例中的教师共同体研学）来促进教师对开源硬件的学习与掌握；

其次，在创客教育发展初期通过组织有效的活动（如地区范围内的挑战赛、创客展览会、创客嘉年华、创客马拉松等）可以充分调动教师与学习者的积极性，起到事半功倍的作用；再次，创客教育中的优秀学习者（如西尔维娅、孙宏川同学）有潜力从单纯的学习者转变为教学者或“教学助理”，教师可以藉此充分发挥这些学生的特点，促使其为更多的学习者提供帮助；

最后，竞赛、兴趣小组等活动，受益最大的主要还是少数“精英”学生，为了让更广大的学生能够受益，教师与创客教育推广者应在实践中不断努力将基于开源硬件的创客教育从课外兴趣小组等非正规学习逐渐转变为正规学习，其间，校本课程的研发（如谢作如老师的《Arduino创意机器人》课程）与教学实践，对现有信息技术、通用技术课程选修模块的改造等，是较为有效的实践方法。

六、结语与展望

开源硬件的成本优势可以加快创客教育的普及，完整的产业链生态圈可以提升创客教育的实施效率，但这些都只是途径而非目的。无论何种教育，其终极目的都是为学习者个体的成长与发展发挥作用。而在国内外基于开源硬件的创客教育实践案例中，无论是像西尔维娅这样的自主学习者，科勒博士所在地区的小学生，还是温州中学的孙宏川同学，他们身上所迸发出的创意与创新力的闪光，都说明学生通过创客项目实践可以获得包括人际沟通、团队协作、创新问题解决、批判性思维和专业技能等多方面能力的提升，并获得成长。我国2010年颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010－2020年)》中明确提出要提高学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力，创客教育是实现这一美好愿景的有效途径，而开源硬件将在其中发挥杠杆作用。相信随着国内创客教育由优秀教师的自主探索，逐渐发展成为有组织的全面实施。创客教育可以让更多的学习者，在实践中学习，将所学应用于实践，快乐的成长。

[1][17][20]克里斯·安德森.创客：新工业革命[M].北京:中信出版社,2012.

[2]创客[EB/OL].http://zh.wikipedia.org/zh-cn/创客,2014-12-22.

[3]祝智庭,孙妍妍.创客教育:信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育,2015,(1):14-21.

[4]新媒体联盟.国际教育信息化发展：2014地平线报告(高等教育版)[DB/OL].http://cdn.nmc.org/media/2014-nmc-horizon-report-he-CN.pdf,2014-12-28.

[5]Lamarre J.Case Study:Public Library Makerspace[EB/OL].http://littlebits.cc/educator-case-study-public-librarymakerspace,2014-10-29.

[6]Open-source hardware[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Opensource_hardware,2014-12-18.

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