面向中小学教学的开源硬件现状分析与比较

刘刚刚 肖玉贤

摘 要 研究通过文献和比较研究法，阐述开源硬件发展、特征及对教学的影响，分析并比较四种类型的开源硬件，涉及概述、教育应用案例、特征及教育价值等，发现其在中小学教学实践中能培养学习者多方面的能力，但也存在一些问题。为开源硬件教学实践提供参照，实践者可根据自身需求，选择恰当的开源硬件。

关键词 开源硬件；中小学教学；Microduino；Raspberry Pi；Arduino；Micro：bit

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）02-0004-05

1 引言

“开源”是开放源代码的简称，最早出现在20世纪90年代。1998年2月，由Bruce Perens和Eric S. Raymond成立的开放源代码促进会（Open Source Initiative，缩写：OSI）与网景公司展开积极合作，促进了网景公司一流通信产品源代码的开放，同时界定了开源软件的概念，明确提出：为保证使用者阅读的权利、再分配的过程、修改后再使用的结果，开源软件必须分发许可证。随着开源软件的演变及快速发展、可靠性的提高、费用的降低，從科技领域对Linux的认可，到网景浏览器的源代码开放，再到Android的流行，普通大众对各类开源软件的认识逐渐成熟，并在教育领域受到更多关注。基于开源的理念，结合相关软件协议规范，拓展到硬件领域后出现开源硬件，并逐渐从商业领域渗透到教育领域。

2 开源硬件发展、特征及对教学的影响

开源硬件最早是由国际业余无线电爱好者（Tucson Amateur Packet Radio，缩写：TAPR）在高性能软件无线电项目实践中生成的。他们开发了一种模块化、可扩展的硬件平台，依托于这种硬件平台，业余者和实验者只需要通过软件编程，就可以实现无线电台的各种功能。TAPR成为开源许可证的创始者，并在许可证上注明由Graham Seaman提出的开源硬件定义：开源硬件是一件具有物理特性的制品，无论是电气或机械的，设计资料都可供公众使用，并可允许任何人进行修改、分发和使用。

同年，Freeman宣布开放硬件规范项目（The Open Hard-ware Specification Project，缩写：OH Spec），规定硬件接口组成部分都是公开的，为替代专有的计算系统创建一个全新的计算平台。在教育领域，Patterson D A强烈建议为计算机科学专业学习者设置的课程应该加入开源运动相关的内容，并积极实践，在提升科学技能的同时，还需要在实际的环境中参与开源作品的研发[1]。而Pearce J M在他的Open-source Lab一书中也指出，部分高校有自己的开源实验室，如杨百翰大学的BYU开源实验室，俄勒冈州立大学的OSU开源实验室，德克萨斯大学的源码开放研究实验室等[2]。

相较于国外的研究和实践，国内是在OSI的推动下，开展Linux产业运动后，才开始一系列研究的，如嵌入式系统、教育机器人等。不同的学者也尝试给开源硬件重新定义，但主要是从基于开源理念、由开源软件延伸而来、开源硬件的特点、开源的条件、公开的材料等几个方面展开陈述。

综上所述，笔者认为，开源硬件除具备开源软件的基本特点外，如源代码开放、具有一定的协议规范，还应有以下特点：

首先，开放共享性，向硬件相关设计商、制造商、销售商和用户在内的所有人公开硬件详细的所有资料，包括设计图、原理图、材料清单等；

其次，二次开发性，允许在开放的原有材料（如电路板、电路设计图、扩展板、传感器等配件）基础上进行二次开发，进行修改再生，形成相应产品或供用户个体需要的设备；最后，具备一定的教育或商业价值，也就是说，在已有资源的基础上可对修改后的产品进行生产和销售，同时可以在教育教学中使用，实现其教育价值。

研究表明，伴随着计算机软硬件技术的发展，开源硬件逐渐成熟，并深入教育领域，产生多式多样的开源硬件平台，如Arduino、Raspberry Pi、Microduino、Micro：bit等。

然而，面对各种类型的开源硬件，学校及培训机构的使用投入情况是不同的，已有研究更多是在实践层面，对于不同的开源硬件的选用和对教育教学过程产生的影响分析还远远不够。文章拟使用文献研究法、比较研究法，通过对Arduino、Raspberry Pi、Microduino、Micro：bit等开源硬件在教育教学中应用现状的分析，发现不同的开源硬件在教育教学中受欢迎度的影响因素，如性价比、资源丰富度等。在理论层面为开源硬件的选择提供依据，在实践层面为学校和培训机构对使用不同的开源硬件开展教育教学活动提供实践基础。

3 中小学教学中常用开源硬件分析

Arduino

1）Arduino概述。21世纪初，微控制器用于教学实验的成本较高，具有较低的性价比。意大利教师Massimo Banzi和西班牙工程师David Cuartielles为解决上述问题，联合设计开发开源硬件Arduino（中文名为阿都意诺）。该项目系统分为硬件和与之匹配的软件环境，其中，硬件包含微处理器、电路板等，软件环境有编程语言和接口等。该系统允许开发者运用原始的硬件原理图、电路设计图及核心库文件等，在原有微处理器、电路板等基础之上进行二次开发，形成一系列不同的Arduino型号以用来进行实践教学，如Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad。

除此之外，要实现创意作品的开发，需要Arduino IDE软件开发环境，诸如此类的还有Ardublock、Scratch等。

2）教育应用案例。国外，关于Arduino的教育案例较为广泛。其中，Hoffer B M在高中C语言编程教学中，将Arduino作为主控制单元，在STEM教育理念指导下，学习者动手实践，体验各种电子元件，实现对数学和科学知识的掌握[3]。Martín-Ramos P让学习过Arduino实践项目的学习者主动联合葡萄牙高中学习者开展基于项目学习（PBL）的面对面课程，学习者表现出很高的满意度，其所在院系设置一系列Arduino实践课程[4]。

应时代背景，国内的实践在“双创”背景下火热开展，包括Arduino校本课程的设计开发，对中小学已有通用课程、科学课程的影响不小，已有的实践也为后期的实践带来一定的参考价值。例如：曾祥潘基于Arduino为学习者设计机器人微型课程，分为基础知识、传感器运用与主题设计三部分，每一部分学习者都需要在任务驱动下，完成设计、制作、编程、调试等一系列过程[5]；易向东将Arduino教学内容分为元件的应用和智能小车的设计两部分，要求学习者全程参与编程、元器件组合和搭建，最终实现智能小车的运行[6]。

国内外教育实践案例表明：一是Arduino在中小学使用广泛，并引起学习者和教学者的积极关注；二是现有的教学计划难以满足Arduino的学习，因此，大多数学校设计与开发了校本课程；三是教育案例具有较强的实践性、参与性，要求学习者动手动脑、亲力亲为；四是大多数学习者通过使用Arduino与传感器和电子元件连接，利用Arduino IDE、Scratch等图形化编程环境，进而设计实现电子创意作品，提升发现问题、研究问题、解决问题的能力。整个过程都是在开源的基础之上，让学习者自由组合、创新实践，在提升其动手实践能力的同时，培养设计思维和实践创新能力。

3）Arduino特征及教育价值。

①开放性。向所有使用者提供公开免费的Arduino全部资料，包括其硬件原理图、电路设计图、开发软件及核心库文件等，任何使用者都可以轻松获取丰富的参考资料。

②二次开发性。开发者可修改编辑Arduino原始电路板及相应代码，以满足个体需求，形成多种型号的电路板。

③扩展性，使用者可利用各种各样的Arduino扩展板与传感器模块相连接，以实现获取温湿度、控制直流电机、网络通信等丰富的功能。Arduino扩展板有Arduino GSM Shield、Arduino Ethernet Shield、Arduino Wi-Fi Shield等；传感器模块有温湿度传感器、红外线传感器等。

④跨平台性。Arduino IDE开发环境可在Windows、Mac、Linux、Android等主流系统上运行，兼容性较高，克服了部分开发环境需要匹配特定系统才可运行的缺陷。

⑤经济性。Arduino的制造成本低，价格相对便宜，且性能较高，便于大多数使用者选用。

研发Arduino的目的是为了解决教学实验中遇到的问题，在易用性等各方面简化了单片机工作的流程，如硬件规格统一、以数字1～13代表各个输入输出引脚等，大大节约了学习成本。伴随着ArduBlock、S4A、Scratch等图形化编程软件的出现，在增强编程可视化和交互性的同时，也降低了编程门槛，学习者不需要学习复杂的代码，很容易就能编写出很强功能的程序，符合中小学学习者的认知水平要求。通过连接电路、设计制作、编程实现等具体环节锻炼学习者动手实践的同时，也能锻炼学习者发现问题、研究问题、解决问题的能力，在实践中培养创新能力。

Raspberry Pi

1）Raspberry Pi概述。Raspberry Pi（中文名为树莓派）是由来自剑桥大学的埃本·厄普顿博士（Eben Upton）帶头组织，联合英国慈善机构树莓派基金会开发的一款超小型电脑，目的是使学习者更方便地学习计算机编程，提高学习者对计算机程序设计的兴趣和能力，为学习者未来的发展提供一个可选择的机会和平台。

树莓派只有信用卡大小，却拥有一台完整电脑所拥有的基本功能，因此也叫卡片式电脑。2012年4月，第一台树莓派问世，售价仅25美元，可以运行Linux操作系统，性能较强，接口丰富，引起广大硬件发烧友的极大关注；2015年2月，树莓派2代推出，2016年2月又推出树莓派3代。随着版本的升级、性能的优化，价格依然稳定在25～35美元，一定程度上为其推广到学校教学提供了基础条件。

树莓派拥有可连接鼠标键盘的USB接口、连接互联网的10/100 M以太网接口、视频模拟信号的电视输出接口、HDMI高清视频输出接口等，内存空间需要SD卡，并安装相应的操作系统和应用程序，接通电视、显示器、键盘鼠标等外部设备后，实现如文档处理、玩游戏、播放高清音视频等诸多强大的功能。

2）教育应用案例。2012年起，树莓派基金会协同英国剑桥大学和英国计算机协会等机构，通过开展各种活动和研讨会，为中小学培训了数千名熟悉树莓派的各学科骨干教师，为树莓派深度支持教学活动奠定坚实的基础。2013年12月，IBM非洲研究院实施的“推动改善非洲教育质量项目”，将树莓派、传感器和编程实践整合到现有中学地理教材中，学习者在做中学，以此评估技术的有效性[7]。国内关于树莓派的研究多用于技术研发与工程设计方面，将其应用到教学中的案例较少，但还是有实践。

广州松田职业学院在“Linux应用开发实训”课程中将Raspberry Pi引入教学，学习者反应良好，方便了网络实验的实施，加强了学习者的软硬件动手能力。宁波卫生职业技术学院对“网络信息安全”这门课程进行教学改革，在课堂教学中通过使用树莓派，设计了“无线监控树莓”和“树莓派上的打地鼠游戏”两个综合性实验。

实践表明：一是会熟练使用树莓派的师资并不多，正在培训和实践中逐渐增加；二是树莓派可成为学科融合的载体，将其整合到现有的教学案例中去，如整合到学校校本或选修课程中，如计算机科学课程、网络实验课程等，利用Raspberry pi作为平台来实现其教学目标，起到的是教学工具的作用；三是专门开设树莓派课程的相对较少，将其引入课堂都处于尝试阶段，并没有校本教材可参考；四是性价比较好，易受中小学教学者的喜爱。

3）Raspberry Pi的特征及教育价值。

①开放性。树莓派拥有庞大的网络社区用户、大量的示例项目和教程。

②经济实效性。树莓派售价35美元，处在一个合理且可以接受的范围之内，价格比较适中，但在CPU、操作系统、应用开发环境等方面有着高质量的性能，相对而言，功能性价比较高。

③兼容性。树莓派接口丰富，能够兼容PC外接设备，实现PC的基本功能。

④教育性。树莓派开发难度处于适中程度，学习者需要具备一定的计算机及编程方面知识，就能实现一系列实验，如无线监控、温湿度监测等。

树莓派售价在能被大多数家庭或学校所接受的20～35美元之间，同时有较强的兼容性、扩展性、丰富的接口，可以实现传统计算机的多种基本功能，功能性价比高，与动辄就上千元的教学计算机设备相比，节省了大笔教学设备费用。而且其拥有博通和剑桥的背景，在CPU、操作系统、应用开发环境等方面有着深远的优势，用户不用担心质量以及技术延续和发展前景。总体来说，树莓派是一款出色的教育工具，在教育领域的应用前景不可估量，不管是在信息技术教育方面，还是在各中小学的创新课堂里，它都是物美价廉的选择之一。

Microduino

1）Microduino概述。Microduino是在Arduino的基础上产生和发展的。Arduino结构简洁、价格低廉、简单易用，被应用到多个领域，并形成一些较为成功的应用案例，包括教育领域。但其也有不可克服的缺点，如体积较大、与其他模块接线不便、兼容性较差等。Microduino的诞生得益于其创始人王镇山的亲身实践，他在使用Arduino开发项目时发现了Arduino造成的不便。为解决其不足，他就重新设计了一套开源硬件，兼容了Arduino的一切功能，Microduino于此时诞生。自面世以来，由于其具有开源、兼容性、体积小及模块化等特点，受到极大关注。

Microduino在Arduino开源平台基础之上，将众多模块进行拆分，类似于乐高玩具，每个模块的四角都有内置磁石，这些磁石的磁性能够迅速连接和添加各个模块，并不需要焊接等复杂的操作，而后运用编程来实现不同的效果。Microduino的外观比较小巧，约一枚一元的硬币大小，同时，各模块拼凑后的体积也非常小。因此，运用Micro-duino开展项目，使开发过程变得更加灵活简便，避免体积过大的同时，解决了模块与模块之间的跳线比较混乱等问题。除上述优势外，与Arduino功能类似的模块价格只有Arduino的50%～60%。

2）教育应用案例。关于Microduino的教育应用和实践从未停歇，如北京邮电大学研究人员在北京市的部分中小学借助Microduino开展了一系列教学活动或者创新类竞赛，如全国青少年创客大赛。同时也有相应机构开发了较成熟的教材，如《中小学机器人互联》，授课安排包括情境导入、动手实践、玩转改造、创意展示四大板块，引导学习者从设计一盏LED灯开始，逐步完成星空灯、电子陶笛、智能存钱罐、寻线小车、避障机器人等项目的设计与实施。在实践过程中，研究者发现：学习者对模块化电子积木编程的方式非常感兴趣。

3）Microduino的特征及教育价值。

①开放性。Microduino遵循了开源硬件的模式，开放所有的电路设计和软件源代码，并为开发者建立一个拥有多教程和多项目的维基百科社区，目前已經集合了1242篇技术文档，同时还有300篇以上配有文字、图片、源代码和视频的相关教程，供开发者和学习者分享交流。

②兼容性。Microduino是一款兼容Arduino的硬件微控制器平台，用户可以使用与Arduino开发环境Arduino IDE同等架构的Microduino IDE，并配合其他电子元件、模块、传感器进行快速开发，且各电子模块每侧都有两个可堆叠的凸起，不再是一堆电路板和各种铜线的结合，能够兼容乐高的拼接，使开发者通过乐高积木来丰富硬件的外形。

③便捷性。Microduino与Arduino相比，外观比较小巧，体积也要小很多，长25.4 mm，宽27.94 mm，高8 mm，只有一枚硬币的大小；而且对于需要集成多个模块的项目来说，拼凑后的体积也非常小，又不失灵活，便于用户随身携带，如可穿戴设备等。

④模块化。Microduino将USB下载芯片与微控制器分离开来，采用U型27Pin的接口，模块间非常容易组装，对着U27引脚插入即可。目前，已经有包括兼容Arduino的微控制器模块、网络、Wi-Fi、蓝牙、TFT、存储等50多个核心板、扩展板和应用板，以及温湿度、压力、重力等30多个传感器模块，且每个模块制作标准相同，功能用颜色进行区分。

Microduino可以被看作一种电子积木，将所有电子元件的功能模块化，在开发相应项目的时候，只需要找出相应的模块，通过简单的组合拼接起来，就可以组成硬件系统，避免出现连接复杂和硬件模块相互不兼容的问题，整个过程非常容易和方便，降低了开发的入门难度，让开发者拥有更多的乐趣。这样的特性使得Microduino非常适合应用在教育领域，在成本、时间等方面具有独特优势，是科技教育、创新教育方面非常得力的设备。

Micro：bit

1）Micro：bit概述。Micro：bit是由ARM、巴克莱、element14、飞思卡尔、兰卡斯特大学、微软、北欧半导体、三星和惠康基金等机构与英国广播公司（BBC）合作推出的一款用于青少年编程教育的可编程设备。它与树莓派和Arduino一样，都是基于ARM架构的开源硬件，尺寸只有口袋大小（4 cm×5 cm），却包含5×5红色LED灯点阵，用于点亮显示信息。

Micro：bit包括：两个可编程按键，用于控制游戏操作或者暂停/播放一首音乐；五个I/O扩展环，用于连接其他外设、各种传感器；以及加速度计、内建的电子罗盘、蓝牙。使用者可以通过在线代码及图形编程平台来为其进行编程，制作实现简单的游戏、智能手表、健身追踪器等。

2）教育应用案例。在英国，BBC将100万台Micro：bit以免费的形式发放给英格兰和威尔士所有七年级的学习者、北爱尔兰八年级学习者和苏格兰S1学习者（11～12岁），设立了专门网站（www.microbit.co.uk）教导学习者，使学习者能够轻松创造无处不在的计算机应用。同时，部分学校也将其作为常规课程或者学校俱乐部的一部分，让学习者学习基本的编程知识。

BBC还成立了Micro：bit教育基金会（MEF），这对于鼓励儿童和年轻人学习编程等技术具有相当大的作用。虽然Micro：bit在国内还没有进行正式发售，但也有一些尝试，2017年3月，国内的DF创客社区开展了Micro：bit硬件漂流活动，致力于让更多的学习者和教师了解和使用，帮助他们利用科技来发挥创造力。

3）Micro：bit的特征及教育价值。

①便捷性。Micro：bit由于很小的尺寸（4 cm×5 cm），可以集成到诸多便携的项目中。

②开放性。BBC对Micro：bit硬件以及绝大部分软件进行开源，提供了丰富的在线资源和教程示例，以方便教师和学习者学习。

③跨平台性。Micro：bit支持多种代码及图形化编程平台，可以通过网站（http：//microbit.org/）在Micro：bit上写一段简单的代码，支持几乎所有的PC和移动设备。

Micro：bit是一个激发青少年创造性的工具，其简易性与多样性使得它适用于小学、中学、大学等任何教育层次，成为早期接触编程教育的简单有趣的上手之选；简单的友好操作与可扩展性，使得它可以用于跨学科的课程中，不仅仅是科学、技术、工程、数学学科，还可用于音乐、艺术等课程教学。

4 中小学教学中常用开源硬件比较

上文对Arduino、Raspberry Pi、Microduino、Micro：bit四种开源硬件在概述、特征及教育价值、国内外教育应用案例等方面进行了介绍总结，发现各开源硬件在教育领域中的实践各有千秋，如表1所示。

其中，Arduino在国内外中小学使用较为广泛，大多数学校开设了此课程，大多数教学案例具有很强的实践性、参与性，在提升学习者动手实践能力的同时，能培养其发现问题、研究问题、解决问题的能力。Raspberry Pi更多是整合到学校校本或选修课程中使用，专门开设树莓派课程的相对较少，但在培训和实践中正逐渐增加，在中小学创新课堂中的前景不可估量；Microduino的教育應用和实践从未停歇，其电子积木的形式拥有更多的乐趣，使其非常适合应用在教育领域，是科技教育、创新教育方面非常得力的设备。Micro：bit在国内外进行了一定范围内的实践，其简易性与多样性使得它适用于小学、中学、大学等任何教育层次，成为早期接触编程教育的简单有趣的上手之选。

5 结论与总结

从已有开源硬件在中小学的教学实践可以看出，开源硬件所具备的开放性、可扩展性、跨平台性、兼容性等特性，便于中小学教学的开展，进而形成并促进了学习者的设计能力、动手实践能力、协作交流能力、创新能力等，但是也存在以下几个方面的问题。

1）在设备层面，目前在中小学内，开源硬件设备的数量有限，并不能保证每位学生都拥有一套设计与开发设备，因此需要小组协作去共同使用一套设备。

2）在教师层面，专业的开源硬件师资力量缺乏，学校的师资引进计划也相对较少，因此，全面开展教学有一定的困难。

3）在课程层面，开源硬件的课程要求学习者有一定的基础知识，而现有课程体系未成系统，且开设课时不足，导致很难满足学习。

4）在教学层面，采用基于项目的教学方式，但由于学习者时间和精力有限，项目的实施很容易受到限制，造成学习的深度不足。

笔者希望本文在为教学管理者、教学实践者及学习者等人员提供参考的同时，为完善和进一步开展中小学开源硬件教学提供实践依据。

参考文献

[1]Patterson D A. Computer science education in the 21st century[J].Communications of the ACM，2006，49（3）：27-30.

[2]Pearce J M. Open-source Lab： How to Build Your Own Hardware and Reduce Research Costs[M].Netherlands： Newnes，2013.

[3]Hoffer B M. Satisfying STEM Education Using the Arduino Microprocessor in C Programming[J].Disser-tations & Theses-Gradworks，2012.

[4]Martín-Ramos P， da Silva M， Lopes M J， et al. Stu-dent2student： Arduino project-based learning[R].Pro-ceedings of the Fourth International Conference on Technological Ecosystems for Enhancing Multicultura-lity.ACM，2016：79-84.

[5]曾祥潘.基于开源硬件Arduino的小学机器人微型课程内容设计[J].中国现代教育装备，2012（18）：75-76.

[6]李茗妍，张晓胜.基层中小学开展创客教育实践研究[J].中国教育信息化，2016（22）：16-18.

[7]Ali M， Vlaskamp J H A， Eddin N N， et al. Technical development and socioeconomic implications of the Raspberry Pi as a learning tool in developing coun-tries[R].Computer Science and Electronic Engineering Conference（CEEC），2013 5th.IEEE，2013：103-108.