高中新课标“开源硬件项目设计”模块学什么和怎么学

梁森山 吴俊杰

缘 起

在创客、STEAM教育（跨学科学习）大热之际，人们都希望其能够有一个具体的学科抓手，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的颁布，使得信息技术学科看到了具体的操作路径，其中非常引人注目的是选择性必修模块6——“开源硬件项目设计”，有很多教师觉得，这个模块仿佛“就是为了普及创客教育设计的”，因此尤为关注课标颁布后如何开展教学的工作。

本期对话，我们有幸邀请到了一位资深的开源硬件教师——来自北京市宏志中学的刁彬斌老师和创客教育名师吴俊杰老师，他们将共同开启一场有关“学什么和怎么学”的对话，为已经开始的2018到2019学年，面临“教材空白”的高中教师提供一些未来教学及师生成长的方向。

吴俊杰：刁老师，新课标中明确提出了“开源硬件项目设计”这个选修模块，在学校，您除了担任高中必修模块及该主题的选修课外，还负责校本教材的编写工作，请您谈一谈对这个模块的理解？

刁彬斌：关于“開源硬件项目设计”这个模块，我们具体可以谈两点认识，一是“开源硬件项目设计”模块是信息技术学科新课程改革中具有代表性的模块，它体现了信息技术学科发展的最新进展。二是通过该模块的教学实施，让基于开源硬件的项目设计进入了国家的课程，这不仅很有意义，而且对开源生态的形成产生了正面的推动作用。我指导学生使用开源硬件参加各类科技竞赛很多年，深知它的教学价值和教学乐趣之所在，现在有了国家课程标准的支持，我也希望在之前积累的基础上通过我们学校的校本教材的编写，让开源硬件知识普惠更多的高中学生。这两年通过写书，我认识了全国各地的很多创客教师，我们也创建了一些微信群，在群里大家常常探讨开源硬件应该学什么和怎么学的问题，这个过程中凝聚了很多其他教师的智慧和专家的指导，要非常感谢大家的帮助。我也在思考“开源硬件项目设计”这个模块从教材到教学法再到评价的一系列的问题，因为这对于广大教师而言，既是挑战也是机遇。

吴俊杰：在指导开源硬件比赛的过程中，有没有印象比较深刻的学生项目呢？您能不能简单介绍一下。

刁彬斌：我印象比较深的是一个智能语音留声机项目，这个项目曾在第十八届中小学电脑作品评选活动中获奖。当时3D打印和开源硬件的系统融合在创客项目当中应用还比较少，我指导的两位学生刚好是其中一个3D建模很好，一个开源硬件很好。他们配合起来就完成了这个项目。这个智能留声机使用了上世纪三四十年代流行的唱片机的外形，用唱片机的盒子作为开源硬件的容器，是一个集古典外形和现代开源硬件技术于一体的综合实用体。它可以实现语音交互操作，完成歌曲播放与切换、夜灯、时间显示、温度测量等功能。

现在回过头来看，这个作品体现出了一种产品原型的概念，让学生从一个开源产品设计师的角度去思考，如何明确需求，如何设计开源的3D模型，如何使用开源硬件来完成核心需求，怎样分享和改进这个作品。这样的一个完整的开源硬件项目作品的制作，使我在之后的学生竞赛指导的过程中，有意识地培养学生一种产品思维，让学生独立设计产品级的创客作品。

吴俊杰：那么，这些学习开源硬件项目的学生有什么共同的特点？

刁彬斌：我觉得每一个成功的开源硬件项目开发者都是独立思考、敢于探索和踏实肯干的综合体，无论针对青少年还是成年人都是这样。敢于探索是由开源项目的本质所决定的，开源项目的本质是在开源核心板的基础上搭配不同的传感器，通过编程来实现作品功能。在这个学习过程中，学生才是项目的主体，他们只有独立思考自己的需求，选择不同的开源硬件，设计作品，完成功能评测与迭代等过程，才能制作出与众不同的创客作品。这一系列过程，需要学生具备独立思考的品质和勇于探索的精神，因为我们生活在一个工业化产品非常丰富的社会，很多人都会觉得“这个需求早就有了”“只要淘宝上搜一搜，什么问题都能解决”，很多人丧失了独立思考的能力，成为搜索引擎廉价答案的牺牲品，因此发现需求所需要的核心品质就是要独立思考。同时，勇于探索的精神也非常重要，开源硬件加入了硬件之后，出现了一个故障，可能是软件方面的问题也可能是硬件方面的问题，这需要用科学的方法来进行排查，也需要查阅各种资料、学习新知识，在这个过程当中，需要发挥勇于探索的精神。

另外，踏实肯干是由开源硬件项目的学习过程决定的。开源硬件项目的实施过程中，需要学生具备比较综合的能力，如会规划作品功能，会编写和调试代码，会做产品外形设计，会包装与美化。每个环节都需要学生踏踏实实地学习基础知识。在一点一滴的积累过程中，由创客小白，质变为创客能手。

吴俊杰：很认同您的观点，我最近的一篇长文也是在谈“基于产品的学习”，平时您是怎么带学生做开源硬件项目的？有没有一些经验可以分享的？

刁彬斌：我带学生做开源硬件项目有以下经验：

第一是将传统学习和探究学习结合。传统教学方式适合学生还在幼苗阶段时，学生在这个阶段对开源项目一无所知。为了学生能更快成长，少走弯路，作为教师一定要做好引路人工作，使用传统教学方法，让学生踏踏实实地掌握开源项目的基本知识。开源硬件项目是一个探索过程，但没必要让学生刻意地去走一遍教师所经历的弯路。探究学习阶段，是在学生掌握开源硬件学习的基本技巧之后，是实践开源硬件精神的必备过程。这个过程教师需要放弃引领者的角色，变为项目的协调者，让不同学生根据自己的特色与思考点完成不同的设计，这样才能实现创客项目的百花齐放。当然，在学生实际完成项目前，教师要带领学生详尽地走一遍项目实施流程，这对学生发展来说也是一个不可缺少的过程。

第二是发挥学生的团队精神，明确组内分工与合作。开源硬件需要学生具备比较综合的能力，但要求一个学生掌握并精通所有环节是一件非常困难的事情。因此在实施过程中，很多复杂项目可以使用分工合作的方式完成。常规项目的四人组合，分工如下：CEO，负责整个项目的总体实施和人员进度协调。产品设计师，负责产品功能和外形设计。程序员，负责开源硬件产品原型程序的调试和程序的编写。产品营销师，负责产品的包装与宣传。当然，这个过程也是一个合作的过程。CEO需要合理安排工作进度和人员协调，其他人需要服从CEO的领导。产品外型设计需要与程序员沟通，匹配硬件的布局与选取。产品营销师，需要领会CEO对产品的定位、明确技术要领。为了锻炼学生能力，也可以不时地调换角色，让学生实现一专多能。

第三是严格的产品项目实施过程。一件科学的交互性良好的作品，需要在项目实施过程中严格按照作品设计流程实施项目，即产品规划—产品设计—产品实施—产品检测与迭代。

吴俊杰：您刚才讲得非常清晰透彻，受益匪浅。那么从您的观点来看，一本《开源硬件项目设计》教材应该包括哪些内容？

刁彬斌：我觉得一本开源硬件项目设计的教材，应该包含开源硬件知识介绍、开源硬件典型项目、开源硬件的实施过程和一个实际的项目引导四个部分。一开始要介绍开源硬件的基础知识，这部分除了安装驱动一类的基础知识之外，开源文化、开源精神也是很重要的内容。接下来应该是一个典型开源硬件项目研习的过程，通过简单项目来落实基本知识和基本技能，这个部分要通过教师讲解和学生实验，让学生知道什么是输入设备、什么是输出设备，有哪些通讯模块，编程软件和开源硬件之间的控制关系是怎样的。但是，坚决不要就知识而说知识，还是要有简单的项目背景。第三部分就要总结出一个开源硬件的实施过程，特别是从“如何有一个想法出发”引导学生从产品经理的角度去思考如何发现需求和满足需求，怎么做设计。最后是一个大的综合项目，这个项目有一定的难度，可以说是之前积累的一种应用，在完成大项目的同时也要落实对开源文化的传承，将项目的成果按照开源协议分享出来。

总之，整体来看，第一部分对应课标6.1的内容要求，“基于实例分析，认识开源硬件的特征与发展，理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义”。第二部分和第三部分对应课标的6.2到6.4的内容，“通过剖析使用开源硬件完成作品的实例，体验基于开源硬件完成项目的基本流程，知道常用开源硬件的功能与特征”“基于事物特征的分析，设计基于开源硬件的作品开发方案，描述作品各组成部分及其功能作用，明确各组成部分之间的调用关系”“根据设计方案，选择恰当的开源硬件，搜索相关的使用说明资料，审查与优化作品设计方案”。虽然学生一开始经历的都是教师预设好的一些小项目，但是这些小项目的积累正是完成一个大项目必须的知识与技能。

教学像教师带着学生去旅游一样，出发前总是要介绍一下我们为什么要去那个地方，快要出发时又要检查一下所需要的装备是否带齐了，在比较乏味的乘车过程中，如果有意识地路过一些和目的地有关的景点，可以帮助学生树立对目的地的好奇心，并且在到达目的地的时候，更加自信、从容和积极地体会旅游的快乐。教师也可以融入其中去探访这个去过好多次的地方新的美好之处。在第二和第三部分落实基本功的基础上，去剖析一些典型的开源项目，即一个“通过沿途的风景”来增强对目的地的期待的学习过程。

最终就是一个大的项目，就相当于旅行的目的地。这个部分对应课标6.5到6.7的内容，“了解作品制作过程中各种设备与组件的安全使用规则和方法，根据设计方案，利用开源硬件、相关组件与材料，完成作品制作”“根据设计方案，利用开源硬件的设计工具或编程语言，实现作品的各种功能模块”“根据设计方案，测试、运行作品的数据采集、运算处理、数据输出、调控执行等各项功能，优化设计方案”。最终，通过分享的环节落实课标6.8的内容，即“完善项目作品的设计方案，践行开源与知识分享的精神，理解保护知识产权的意义”。

吴俊杰：您刚刚谈到了在落实基本功的基础上，在完成一个大的项目之前对学生的設计思维的引导，那您怎么看设计在开源硬件项目当中的作用呢？

刁彬斌：从实际教学的角度来看，我在第一遍教开源硬件的时候，可能会聚焦在教材中的新技术和案例上，而第二遍教则重点在如何启发学生有不同的想法，以及如何引导学生通过自主学习来落实这些想法。而关于设计特别是产品设计和交互设计，已经有了一些同行的做法，大家对设计思维的重要意义也有了一定的认识。所以，设计思维不但很重要，而且其重要性也会在教学不断深入的过程中愈加体现出来。

在著名的创客作品分享网站instructables.com上，有一门在线课程叫“如何做设计”，它从如何使用一支笔开始讲解设计师是如何帮助人们解决问题的，这里面有一些技巧层面的问题，比如如何做用户的需求分析、如何做调查问卷来明确这些需求、设计草图的绘制、如何通过设计软件将草图编为三维或者二维的模型，但是我更想表达的是从针对大多数人的通用设计，再到针对个性化的需求的以人为本的设计，最终到了未来普及创客基本技能之后的人人都是开源产品设计师的民主化设计和绿色发展循环设计这样的一个发展过程。所以越到教学变得炉火纯青的时候，创意与设计就显得越重要。

吴俊杰：非常精彩，刁老师除了介绍教学内容之外，还对“开源硬件项目设计”的课程标准谈了自己的理解，除此之外，您对信息技术课标的总纲及本教材的细节要求有怎样的体会呢？新课标已经发布一段时间了，对其解读也有着不断的深入，我们也想听听您的意见。

刁彬斌：信息技术学科的核心素养有四点：一是要求学生具备信息意识，也就是对信息要有敏感度，对信息价值要有一定的判断力。二是计算思维，这是信息技术学科独有的，就是常说的编程和可编程及程序流程思想，计算思维既是基本技术技能，又是思想方法。计算思维是这次信息技术学科核心素养中的一个重点。三是数字化学习与创新，这是在之前的两个核心素养的基础上的应用，也是实践层次上的提炼。当具备计算思维和信息意识之后，学生要主动地采用数字化学习的方式来完成学习。四是将学到的技能方法用于信息技术创新实践中。

在学习“开源硬件项目设计”（模块6）前，学生已经学习了必修一数据与计算、必修二信息系统与社会。因此，在模块6的教学中，有个大的前提就是默认学生已经具备了学完必修模块后应该达到的编程的基本技能和相关基础知识。例如，北京市的很多教师上个学期已经开始按照新课标的Python语言来组织程序教学了，我自己教学的感觉还是比较顺利的。对核心素养的理解也有了进一步的加深。

修订后的信息技术课程分为三个大的板块，即必修模块、选择性必修模块、选修模块，其中选择性必修分为六个模块，六个模块也各有偏重，从高考改革方案来讲，前三个模块（计算算法、数据分析管理、网络技术）的内容被高考方案包含信息技术学科的省份命题时选中的机会是比较大的。模块四（人工智能初步）、模块五（三维设计与创意）、模块六（开源硬件项目设计）一般不作为高考要求的内容，更多的则是为高校自主招生做参考，是从体现学生个性发展的角度来设计的。

相对于其他模块来说，“开源硬件项目设计”模块注重工程实践、软硬结合，也是信息技术学科之前“围着屏幕转”的教学模式的一种校正，还原了整个电子信息技术产业的全貌。虽然是最后一个模块，信息技术整个学科的发展对这个模块的要求和期待值还是非常高的，所以课标在开篇就提出，“基于开源硬件的项目设计与开发有益于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力，同时也是在信息技术课程中实现STEAM（科学、技术、工程、人文艺术与数学）教育的理想方法。本模块是针对学生个性化发展需要，按照开源硬件项目设计流程而设置的选择性必修模块”。这是对这个模块的定位——培养学生的动手实践能力，同时也是信息技术课程中实现创新能力培养的有效抓手。因此，教材在落实模块的课标要求的同时落实学科核心素养就显得水到渠成。

从评价的角度来看，该模块也不是不能考，只是涉及硬件，有一个统筹规划的问题，而且该模块的作品形态偏工科，本身就是新一轮高中学业水平评价的一个短板，这是一个必须要面对的创新人才培养和选拔的长期问题。当改革进入深水区，工程基础能力的评价方式和手段不断提高之后，配合自主招生，会有更多的人选择教和学这个模块，在接下来的十年，应该是一个稳定的趋势。

吴俊杰：很多教师在接触新课标之前可能都没有听说过开源硬件，您作为比较早接触并且探索开源硬件教学的教师，设想的开源硬件具体的教学场景是一个什么样的情况？教师们会怎么教这个模块，又会遇到哪些困难？

刁彬斌：开源硬件对于广大教师和学生来说还是一个新鲜事物，我自己上了一些开源硬件的校本和研学课程，发现加入硬件的教学确实有它的优点，但也给教学组织带来了一些新的挑战。一本好的教材能够帮助教师平稳应对这些挑战，教材既是教师组织教学的提纲，又是学生自主学习的参考书。

我觉得开源硬件的教材总体上可分为三个层次（也是三条脉络）：第一层次是以知识和概念为主，也就是说教师可以通过一些设施设备把知识型、技能型、概念型的知识，快速地按照课标要求落实到课堂上。第二层次是以工程与操作实践为主，每个章节都可以穿插实践、思考、练习等多种主题活动。教师可以按照由浅入深、由易到难的顺序组织具体教学，并将实践操作作为主线，将知识性内容穿插其中，如组织随堂实验等。

这种以工程和操作实践为主的教学场景非常类似物理教学中的分组实验。例如，在介绍开源硬件发展的过程中，首先让学生了解在开源硬件发展历程中具有标志性的开源硬件的使用，接着再设计分组实验，让学生体验一些具体的开源硬件平台，及其具体的编程操作情况。教师如果能将演示实验、分组实验、课后自主实践，以及概念教学和课后评价有机地融合起来，这将是信息技术实验课型在整个课标落实过程中的一个重要特色。

第三层次是渗透到每章节的项目学习活动，期待学生通过项目实践体会项目所蕴含的情感态度及价值观。通过设计大的主题活动来贯穿教材的教学，比如结合学校的科学节开展一场校园创客嘉年华，然后再做一场创客马拉松，通过组织活动，将开源硬件项目这门选修课的学习内容向学校里其他师生宣讲，甚至走向社区，走进社会创客空间。这样，教材的使用就活化了，也体现了选择性必修模块的设计初衷。

教师在实际教学时可以以三条脉络中的其中一条为主线组织教学，也可以在三条脉络之间相互穿插，具体的课程实施方案和课时安排，教师需要根据学生的实际情况确定，如果学生的水平比较好，已经具备了一定的编程基础，那么开源硬件的基础编程和硬件的一些技术内容就可以选修选学，快速地让学生进入到项目实施阶段。对于刚入门的教师而言，可以以知识主线为主，如果在器材不够或自备教具的情况下，可以将学生分组，教师演示实验来处理。伴随着教学水平的提高和实验室装备建设水平的提高，技能主线也会渐渐地浮现，同时，教师在知识讲授和组织实验之间的相互关联能力，也会伴随着教学的深入而有所提升。

最终，通过每年设计的不同主题的综合項目，或者学生在学习中随机产生的差异化的想法，来实现一种真正的项目式的教学。教师不能一个典型案例讲十年，可将每年差异化的学生作品分享出来，使其成为新的教学资源和学生自学项目，这样通过开源文化的推广和坚持实践，“开源硬件项目设计”这个模块会越来好教，越教越有趣。

吴俊杰：接下来，从学生学的角度，您对学生的学习过程又有什么样的期待呢？学生的学习成果应如何体现？

刁彬斌：首先要将教师教学和学生自学结合起来，按照课标落实教学内容学生本身就会很有收获，这是一个师生共同创造的过程。开源硬件与创新创意有着非常密切的联系，一些创新大赛可以成为学生展示自己创意发明成果的舞台。如果需要重点指导，教师就要在产品需求阶段，对学生进行适当引导，向一些创客型比赛要求靠拢。在产品施行过程中，师生一起把好质量关，做出精品项目，努力向比赛要求靠齐。产品设计文档的积累也很重要，创客型比赛中需要上交作品申报书、三视图、作品源文件、展品宣传资料等。学生在平时养成良好的文档积累习惯，才能向比赛标准靠齐。

而在高中阶段，建立一个终身的兴趣爱好体验，从想法到最终实现的内心快乐是很难体验的一种心理状态。这种心理状态在高中阶段如果能营造起来，将会影响学生一生的创新实践。伴随着以学业水平考试和自主招生为先导的新的“指挥棒”对课程改革的推进，越来越多的学生会选择不用高考总分来证明自己的实力，而是通过项目经历、选修课、竞赛奖项甚至发表的作品来证明自己在计算机周边专业的能力。讲授开源硬件的教师应该帮助学生和学校顺利完成这一轮的课程改革，让有志于从事工科专业的学生能拿出来一张像样的成绩单。

另外，除了一些体制内的评价手段，越来越多的高科技公司更看重项目经验及个人品牌影响力，学生分享形成的经验则成为一种无形的个人资产，这种资产将会伴随学生在该领域中的学习、工作和实践。

吴俊杰：听了这么多，我觉得“开源硬件项目设计”这个模块甚至成为了高中信息技术教师学习和贯彻新课标精神，做一个“新主科”教师的最好平台。刁老师，教了这么多年的开源硬件，你对开源硬件未来的发展有哪些期待？

刁彬斌：我是从竞赛切入到创客教育的各个领域的，从3D打印再到Arduino，后来接触了Micro：bit，发现它是一个普及教学的很好的工具，就开始研究大班教学，开始跟老师们一起研究教材教法。9月15日在长春举办的“第六届中小学STEAM教育大会”上，发布了一款中国标准的普惠式开源硬件“掌控”，它像Micro：bit一样方便教学，不足百元的价格又能够让学生像文具一样把开源硬件真正应用于生活中，所以我相信，开源硬件会改变我们的信息技术教学，会改变每个人的生活，其背后的价值观甚至会让这个世界更加美好。基于这一点，我觉得信息技术新课标提出“开源硬件项目设计”这个模块，让更多的教师教开源硬件，对我和对整个信息技术教师群体而言，都增加了一种责任感和使命感。未来，期待中国能够走在世界开源硬件的发展前列，时不我待，只争朝夕。

结语：“滚滚长江东逝水，浪花淘尽英雄”，人民群众是历史的创造者，开源文化基于人们对“知识是应该分享”的朴素情感，试图去创造一个“方案极大丰富”的世界。本期我们从具体而微的视角出发介绍了一位“开源硬件项目设计名师”对课标、课程以及教与学的理解。接下来我们期待以更为多样的角度，探讨国产开源硬件的发展，并最终扩展到实验室建设与信息技术课程的现代化。“天下大事，必始于易”，在视角逐级放大的过程中，我们看到的是各种参与主体的创造性、主动性以及奉献精神，我想这就是奋斗中的中国，最值得感动和敬佩的一种时代精神。