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基于开源硬件的信息技术实验教学与信息技术实验室建设

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梁森山

● 信息技术实验教学

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）提出了“信息技术课的教学场所将从机房转变为信息技术实验室”，很多一线教师认为这样的提法符合当前信息技术教育发展趋势，能够帮助解决信息技术学科专业化以及在创客教育、steam教育深入发展的过程中所亟待解决的一些关键问题，但是，信息技术实验涵盖哪些内容？需要配备哪些仪器、设备、器材？信息技术实验室如何建设？需要哪些软件环境和硬件环境？信息技术实验教学的开展，又能给信息技术学科发展带来哪些契机和挑战？这些都还需要教育工作长期探索、实践和总结。

总体来看，目前国内关于信息技术实验教学的成果，无论在数量方面，还是质量方面，相对都比较薄弱，与国家对信息技术学科实验的重视非常不匹配。以“信息技术实验”为主题在中国知网检索，所得数据质量参差不齐，大量“使用或基于信息技术改造传统实验（物理、化学、生物等学科）教学案例”掺杂在其中，真正的信息技术学科实验很少。知网大成编客栏目2019—2020年连续推出的2辑《中小学信息技术实验教学案例汇编》（限于版面，此处不详述，内容详见http：//bianke.cnki.net/Home/Corpus/7397.html、http：//bianke.cnki.net/home/corpus/23870.html），则比较全面地梳理了当前中小学信息技术实验教学案例的存量。

● 信息技术实验室建设探索

信息技术课程的前身是计算机课程，这一变化不仅是名称及其所指内容的变化（超越了基于计算机/台式机和网络的教学内容），还体现了课程目标的变革（从计算机素养转变到信息素养的培养），然而一直以来信息技术课程的教学场所始终局限在计算机教室，以应用软件的操作训练和程序设计入门为主要教学形式，远未能跟上课程名称和内涵的变化步伐，与高中阶段育人目标严重不符。

知网大成编客栏目推出的《信息技术实验教学与信息技术实验室建设——信息技术实验教学案例》第2辑第4章综合汇编了“信息技术实验室建设”方面的学术研究成果，主要聚焦在高中阶段。在《高中信息技术必修课实验与实验室建设探索》一文中，钟柏昌考证高中信息技术课程标准首次使用了“信息技术实验室”来指称信息技术课程的教学场所，表明信息技术课程教学不仅需要新理念，更需要新环境。

上海外国语大学附属浦东外国语学校的孙政庭在《新课标背景下高中信息技术实验室建设的构想》一文中，从课程标准出发，分析了各课程模块中对信息技术实验室的具体要求，针对信息技术实验室的物理空间设计、软硬件配置、实验项目的开发完善、教师的素质要求等方面提出了建设构想。信息技术实验室是未来信息技术课程实施的基本保障，是高中学生开展创新型研究和教师开展STEM（STEAM）教学的理想园地，信息技术实验室能够为学生提供理想的数字化学习、实践的场所。

在《支撑多课程生态系统的高中信息技术实验室重构》一文中，孙政庭又提出信息技术实验室建设既要“以标为标”，又要同不断形成的多课程生态系统共生，促成“课程是教师、学生、教材、环境四个因素动态交互作用下的‘生态系统”，尤其是STEM（STEAM）教育、创客教育、研究型学习项目的实施，使得学科之间、课程与课程之间的联系愈加紧密，相互依存。

● 基于开源硬件开展实验教学与实验室建设

关于信息技术实验等建设无疑会是今后一段时期内信息技术学科教育的一个热门话题，笔者站在《新课标》结构、群众基础和文化自信等角度，认为“基于开源硬件开展实验教学与实验室建设”更能契合《新课标》要求，体现时代精神，展示文化自信，贴合群众基础，在内容和形式上都与当下在中小学校广泛开展的创客教育、STEAM教育实践不谋而合。

1.开源硬件是《新课标》内容之一

在《新课标》的课程结构中，选择性必修模块6为“开源硬件项目设计”，并提出：“基于开源硬件的项目设计与开发有利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教育的理想方法。”开源硬件在《新课标》其他各模块中的描述如下表所示。

从表中不难发现，“开源硬件”在信息技术各模块之间明显起着“共同关联词”作用。实际上，开源硬件对信息技术学科各个模块的“技术设备底层支持”不是巧合，而是在课标修订过程中精心设计的。

2.开源硬件有良好的群众基础

开源硬件、创客教育与信息技术学科教学有着天然的姻缘。“创客教育是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。”

《新课标》要求以主体项目式学习组织教学形式，教学过程要提供技术多样、资源丰富的数字化环境，要不断创设真实的学习情境，要以有实践意义的项目作为教学的主要方式，这就要求教学过程中必须要提供相应的软硬件环境予以支持。开源硬件的开源与开放、分享与协作、模块与复用等典型特征，为创客教育、STEAM项目式学习、信息技术实验提供了良好的载体和媒介。

而《新课标》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”。

3.教学用开源硬件正在从自主走向自信

人教-地图版《信息系统与社会》和《开源硬件项目设计》编委会在教材论证、编写过程中，从众多开源硬件中，选择了两款教学用国产自主的开源硬件作为主体项目学习的主要载体，其中一个是面向物联网的掌控板，另一个是基于Linux系统的开源卡片计算机虚谷号。以此为标志，教学用开源硬件正在从自主走向自信。

虚谷号是一个面向人工智能教学和Python编程学习的中国原创开源硬件平台，板内集成高性能处理器和通用单片机，内置多功能扩展接口和多种通信接口，可以看成是树莓派3与Arduino UNO的合体。掌控板是一款为学习Python编程和物联网应用而设计的开源硬件，内置MicroPython开源嵌入式操作系统，采用国产高性能处理器，集成蓝牙和Wi-Fi功能。

在掌控板、虚谷号、乐造模块和虚谷物联等开源教育项目的基础上，广大一线教师还联合高校、创客空间和创客企业共同发起了“虚谷计划”，共同推進开源创客教育项目走进校园，共同维护开源、分享、交流的网络社区，营造开源文化氛围，打好基于开源硬件的创客教育群众基础，共同促进基于开源硬件的信息技术实验教学实践。

最后，笔者引用吴俊杰老师在《2018展望：信息技术实验室》一文（刊登于《中国信息技术教育》杂志2018年第1期）中的一段话作为对信息技术实验教学和信息技术实验室建设的未来期望：

什么是信息技术实验？

信息技术实验室怎样建？

信息技术实验教学如何开展？

如何通过信息技术实验综合促进学生信息素养的提升？

这些问题都需要认真研究和审视。但庆幸的是，从2012年开始的创客教育和STEAM教育中的一些案例——数量不多，它们当中都有信息技术实验的影子，期望在即将来临的信息技术（信息科技）新课程改革的大潮中，有更多的创客老师，自信地“做一位了不起的信息技术教师”。

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