從開源開放到教育自信

從開源開放到教育自信李紅印梁森山謝作如第一部分緣起謝作如：今天的重點話題是“中國特色開源硬件”。我在一次會議中得知，裝備中心在開展“中國特色的開源軟硬件教育應用”方面的研究工作，對此我很感興趣。請問李處長，你們是基于什么樣的背景和考慮，啟動了這一研究工作？李紅?。篠TEAM與創(chuàng)客教育一直是我和梁老師共同關注的話題，也是我們處的重要學術研究方向，今后也希望能夠繼續(xù)保持與一線教學之間的互動。當然，“中國特色開源硬件”的提出既不可能只存在單一因素，也不會單一指向某一目標，還有其他方面的考慮，梁老師可以做些補充，他是課題負責人。梁森山：申報研究課題的時候，最初考慮的重點是因為當前國內具有自主知識產權的開源硬件特別少。中小學在開展創(chuàng)客教育時，用到的開源硬件大多是國外的，軟硬件生態(tài)的主體都在國外，很難做到自主可控。在當前的國際環(huán)境下，這里潛藏著一定的風險和隱患，所以教育教學用軟硬件應該有所籌劃，盡可能未雨綢繆，以中國特色開源軟硬件構建信息技術學科裝備支撐體系。謝作如：雖然《要點》關于“中國特色開源軟硬件”的論述并不長，但這個研究領域是全新的。我再提兩個比較核心的問題，第一個問題是為什么要加強開源軟硬件教育應用研究？第二個問題是為什么要強調“中國特色”這個修飾語？第二部分現狀梁森山：課題組一直非常重視調研工作，特別是“中國特色開源軟硬件”寫入《要點》之后，專程到深圳等開源軟硬件資源比較豐富的地區(qū)做了調研。其實除了現場調研，線上文獻也是一個重要的信息來源。我們可以通過兩組數據，來看一下開源軟硬件在學科應用領域的情況。一組數據來自中國知網，可以檢索到《基于Arduino的向心力實驗儀》《基于Arduino的全反射實驗系統(tǒng)設計》《基于掌控板和數據分析探究熱敏電阻阻值與溫度關系》《利用開源硬件掌控板開展小學科學實驗教學》《用SIoT與掌控板做熱輻射實驗》等學術成果，主要集中在物理、化學、生物等科學領域的學科。當然這是不完全統(tǒng)計，課題組后續(xù)會加強這方面的研究。另一組數據來自“首屆掌控板教學應用設計大賽”。在提交的作品中，與學科教學相關的有《探究水沸騰時溫度的變化特點》《多功能溫濕度計》《測高儀》《超聲波測速實驗》《比較不同物質比熱容實驗》《機械能守恒驗證實驗》《液體氣體壓強實驗》《掌控次氯酸自動制作裝置教具》《三原色演示儀》《紙飛機高度測量儀》《基于mPython平臺驗證伽利略斜面實驗》《單擺實驗平臺》《光的反射挑戰(zhàn)實驗裝置》《光照對溫度的影響實驗裝置》《太陽能熱水器效能檢測裝置》等，也是主要集中在科學領域的學科。藝術學科雖然有很多案例，但主要集中在高校。我們也看到一些與數學學科相關的應用，如在浙江省的高中數學公開課活動中，諸暨中學的老師就用掌控板來做茶水溫度的探究活動。相對于科學領域的學科來說，相關的成果還是比較少。當然從另一個角度來看，這也為開源軟硬件的發(fā)展留下了巨大的潛在發(fā)展空間，尤其是中小學開始重視項目式學習，開源硬件在項目式學習中能夠發(fā)揮重大的作用。謝作如：作為一名經歷了國內創(chuàng)客教育從零到一，然后進入快速發(fā)展階段全過程的一線教師，我清楚地知道，開源硬件和創(chuàng)客教育之間有著密不可分的關系。因此，在前一個問題中我特意強調了“除了技術學科外”。還是回到技術領域來，請梁老師繼續(xù)介紹一下目前在人工智能、創(chuàng)客教育、STEM、信息技術教育等方面，哪些開源軟硬件在發(fā)揮重要的作用？其中有哪些軟硬件具備了“中國特色”？梁森山：這個問題其實問的就是“目前教學中常用的有哪些開源軟硬件”?！俺Ｓ谩本哂泻軓姷闹饔^性，并不容易界定。根據課題組目前的觀察，比較成熟的硬件大體可分為Arduino、micro：bit、microPython、樹莓派以及各種兼容“派”的硬件。這里所說的比較成熟是指相對成熟的軟硬件體系和有影響力的社區(qū)與生態(tài)。在本刊3月的對話欄目中，我們聊到了開源操作系統(tǒng)和開源鴻蒙，成敗的關鍵除了技術之外，還有一個重要的指標就是生態(tài)，建設生態(tài)最難。再來看看軟件，比較成熟的用于教學的開源軟件基本上分為兩類，一類是圖形化編程的軟件，或者基于開源圖形化軟件所做的二次開發(fā)，另一類是Python代碼編程IDE和擴展庫。因為高中在教材編寫的過程中，基本上統(tǒng)一使用了Python語言，因而很多優(yōu)秀的Python庫進入了中小學教學。梁森山：從課題組目前的觀察來看，開源軟硬件率先從高中信息技術選擇性必修教材《開源硬件項目設計》取得突破。針對這套教材，課題組在做了一定的分析之后發(fā)現，掌控板在其中基本定位在控制器，同時兼做物聯(lián)網節(jié)點，還具備簡單感知與顯示的能力，從功能跨度上來看，相當于是Arduino、micro：bit和microPython三者的合體，開發(fā)軟件也基本能夠做到相互兼容。虛谷號定位在單板機，內置了一些教材中用到的軟件和工具等，可以看作是Python與網絡教學環(huán)境服務器，基本上做到即插即用，性能相當于樹莓派的水平。另一個亮點是，在兩款硬件底層，還嵌套著xugu通用硬件接口和Siot物聯(lián)網服務平臺?？傮w看下來，這種軟硬件組合，支撐高中階段的信息技術實驗教學與項目實踐應該是沒有問題的。除上述國家教材外，中國特色開源軟硬件還在地方信息技術和創(chuàng)客教育教材中取得進展，如掌控板和虛谷號均入編清華大學“大、中、小學一條龍教學研究”實驗教材，掌控板入編教育科學出版社“十三五”任務單式教學系列規(guī)劃教材《信息技術（基礎模塊）》……至于校本教材方面就很多了，如《掌控板和Mind+互動創(chuàng)意設計》《小創(chuàng)客學掌控板》等。課題組還計劃聯(lián)合清華大學出版社推出一套《中國特色開源硬件》叢書，這些課程資源都在共同營造中國特色開源軟硬件生態(tài)。清華大學“大、中、小學一條龍教學研究”實驗教材編寫團隊在選擇教學軟硬件的時候，將開源和免費放在第一位，其次是跨平臺。因而，我們完全可以在任何一個操作系統(tǒng)上進行教學，包括Windows、MacOS、Linux，甚至包括剛發(fā)布不久的鴻蒙操作系統(tǒng)。這是很重要的突破。李紅印：前面說到掌控板和虛谷號，其實我也有個問題想問謝老師。“虛谷計劃”是國內影響力最大的開源教育項目，我們熟悉的掌控板和虛谷號都是其中的項目之一。那么，作為“虛谷計劃”的聯(lián)合發(fā)起人，你能否說說為什么會發(fā)起“虛谷計劃”？特別是為什么會推出掌控板和虛谷號？掌控板最大的特點就是源自一線教學的需求，掌控板的每一個技術細節(jié)，每一個元器件的選擇，全部由我們中小學教師提出。第二個特點是使用通用的國產物聯(lián)網芯片（ESP32），自帶了藍牙和Wi-Fi，完美解決了高中必修2和選擇性必修6聯(lián)網和物聯(lián)網的需求。選用通用芯片的另一個好處就是課堂所學知識和工程項目實踐可以無縫結合、零門檻遷移，因為工業(yè)和消費市場用的是同一顆芯片。第三個特點是集成度高，性價比高，便于大范圍推廣和普及。除此之外，更重要的是產權歸屬“虛谷計劃”組委會，多家創(chuàng)客企業(yè)共同開發(fā)軟件，具備良好的生態(tài)，對于任何問題，都有順暢的渠道傳遞給開發(fā)團隊，不斷修改，不斷完善，這就是自主知識產權的好處和價值所在。為了表達“兼容”與開放的態(tài)度，我們把掌控板Python庫的所有的引腳控制方法和micro：bit一致?？紤]到有些學?？赡芤呀涃I了micro：bit，所以我們還設計了一個同時兼容掌控板和micro：bit的擴展板。雖然我們推出掌控板，但是依然愿意跟國際保持接軌，不希望“排他”，不希望用戶處于兩難的選擇中——使用了掌控板就不能用micro：bit。追憶這段“初心”，我現在不禁有些感慨。大家共同發(fā)起“虛谷計劃”，在設計掌控板和虛谷號的時候，其實僅僅是想設計一塊更加適合教學的開源硬件，并沒有想很多，尤其是沒有想到我們做的事情會和“中國特色開源軟硬件”結合起來，和國家的政策導向竟如此一致。梁森山：謝老師私藏的故事還蠻精彩，而且還夾帶著干貨。那么通過這次對話，我們是不是可以做個初步的梳理，中國特色開源軟硬件應該具備哪些特征？能否請李處長進行簡要的歸納？李紅?。菏紫戎袊厣_源軟硬件是一個待定的話題，也是一個開放的話題。這次對話只是進行一次探索和嘗試，歡迎教育領域的其他專家、一線教師能夠一起共同思考和探討這個話題，共同推進有中國特色開源軟硬件教學體系的建設。接下來我就結合目前的研究，談一談自己對這個話題的理解和認識?！爸袊厣_源軟硬件”首先要符合“開源硬件”和“開源軟件”的規(guī)范，其次才是“中國特色”。其實謝老師在講掌控板的故事時，已經把中國特色開源軟硬件的特征大都“覆蓋”了。現在我們換個角度，把這些特征再提取出來。以上幾點應該可以作為現階段“中國特色開源軟硬件”的基本界定，當然可能不夠全面，歡迎其他老師補充。謝作如：非常感謝李處長概括的“中國特色開源軟硬件”的特征。作為一名中小學教師，每一次在教材中看到具備“中國特色”的開源軟硬件，都有一種自豪感油然而生。尤其是在教材和比賽中看到自己參與開發(fā)的開源軟硬件得到廣泛應用，得到各種認可，就更加深刻地的體會到什么叫“新時代是奮斗出來的”。最后我想再問一個問題：接下來國家是否會出臺相關政策，對中國特色開源軟硬件做出實質性的支持？李紅?。焊鶕兑c》的要求，我們還在向相關主管部門匯報和溝通具體的工作措施，目前的思路是重點抓住三個方面的工作：一是從講政治的高度支持具有