开源硬件:撬动创客教育实践的杠杆

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摘要:创客教育（Maker Education）是信息技术使能的创新教育实践场，开源硬件（（Open Source Hardware）则是实践者手中最重要的工具。该研究分析、梳理了开源硬件的概念、历史与发展;阐述了开源硬件的优势及其对创客教育的三方面影响，即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能够提升创客教育的实施效率，协作迭代的产品更新理念最终会促进学习者成长;提出了可用于创客教育的开源硬件包含“开源硬件开发平台”和“积木式开源硬件”两种类型的观点，梳理了两类可用于创客教育的具体工具，并详细分析了每种工具的特点与适用范围;最后，研究提供了三个国内外基于开源硬件的创客教育实践典型案例，案例从学习者、教师、活动、课程、项目等几个方面展示了基于开源硬件开展创客教育对学习者创新能力培养的作用与对实践的启示。研究能够为具体的创客教育实践提供参照，实践者可针对自身的需求与环境特征，选择恰当的开源硬件工具与实践策略开展基于开源硬件的创客教育实践。

    开源硬件:撬动创客教育实践的杠杆

 

摘要:创客教育(Maker Education)是信息技术使能的创新教育实践场，开源硬件((Open Source Hardware)则是实践者手中最重要的工具。该研究分析、梳理了开源硬件的概念、历史与发展;阐述了开源硬件的优势及其对创客教育的三方面影响，即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能够提升创客教育的实施效率，协作迭代的产品更新理念最终会促进学习者成长;提出了可用于创客教育的开源硬件包含“开源硬件开发平台”和“积木式开源硬件”两种类型的观点，梳理了两类可用于创客教育的具体工具，并详细分析了每种工具的特点与适用范围;最后，研究提供了三个国内外基于开源硬件的创客教育实践典型案例，案例从学习者、教师、活动、课程、项目等几个方面展示了基于开源硬件开展创客教育对学习者创新能力培养的作用与对实践的启示。研究能够为具体的创客教育实践提供参照，实践者可针对自身的需求与环境特征，选择恰当的开源硬件工具与实践策略开展基于开源硬件的创客教育实践。

    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’，[l]，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[f}l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 Harhor TeehCenter)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(Duxhury Free Lihra动的杰西卡·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 Souree 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[f}l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[}}}Ho    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 ,  XCircui[等[} o}，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”[“}。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 DesignCircuits，致力于协作设计开放、低成本的电路。朗伯茨之后创立了openeores.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[}z}其中最著名的项目是基于ASIC设计的OpenRISC1000开源处理器。