我国开源硬件教育应用研究综述

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　　[摘要]选择近10年（2009～2018）开源硬件教育应用的文献作为研究样本，利用Citespace软件进行文献的梳理与分析。通过聚类分析和共词分析等方法对开源硬件在教育领域的研究热点、研究内容进行分析后发现：Arduino是目前我国开源硬件教育应用的研究热点：创客教育是开源硬件推动学校教育变革的主要表现形式;研究内容主要包括Arduino和树莓派的教育应用范式与实践以及面向开源硬件的教学设计等方面。通过对文献的梳理及分析，可以揭示目前开源硬件的教育应用现状和存在的问题，为未来的研究与实践提供借鉴。
　　[关键词]开源硬件;教育应用;Citespace;知识可视化
　　[中图分类号]G43
　　[文献标识码]A
　　[文章编号]1005-4634（2020）01-0065-07
　　0引言
　　“开源”是开放源代码的简称，最早出现在20世纪90年代。开源硬件的概念（Open Source Hardware）源于开源软件的许可方式，最早由开源运动发起人布鲁斯·佩伦斯在1997年发起的“开源硬件认证计划”中正式确立，是指采用與自由及开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件，硬件设计会公布电路原理图、材料清单、设计图以及软件开发工具包等详细信息。进入21世纪，开源软件的流行以及一些开源企业取得的商业成功，极大地刺激了开源硬件的发展。Arduino、BeagleBoard等开源硬件的出现，也为电子发烧友们提供了可以设计、开发和实现创意的平台。随着计算机软硬件的不断发展，开源硬件日趋成熟，在教育领域的潜能及优势渐显。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》中指出要提高学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力。《国家教育信息化十年发展规划（2011-2020）》强调以教育信息化带动教育现代化，促进教育的创新与变革。开源硬件凭借其功能模块化、产品价格低廉、兼容性与可扩展性强等特点在教育领域具有极大的发展空间。2018年1月16日，教育部公布了《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》，正式将“开源硬件项目设计”作为选择性必修模块划入新课标，主要包括“开源硬件的特征”“开源硬件项目流程”和“基于开源硬件的作品设计与制作”3部分内容。基于开源硬件的项目设计体现了信息技术课程中的STEAM教育理念，更好地满足了学生的创新发展需要。由此可见，目前开源硬件在我国创新教育领域的重要地位。
　　开源硬件得到了我国基础教育、高等教育和职业教育领域的共同关注，逐渐成为各级各类学校开展创新教学实践的重要载体。研究者对于各类开源硬件在教育教学中的运用开展了不同层面与角度的研究，但还未有研究者对开源硬件教育应用的文献进行整体的梳理与分析。回顾与总结我国开源硬件教育应用的研究有助于明晰我国信息技术教育的创新发展思路，也可以为我国后续深度应用开源技术支持创新教学应用提供参考性研究成果。为达到此目的，本研究将重点回答如下3个问题：
　　1）近10年开源硬件教育应用类文献的研究主题和热点是什么？
　　2）目前在我国教育领域应用最为广泛的开源硬件有哪些？分布情况如何？
　　3）开源硬件在应用于教学时主要采用哪些模式，教授哪些内容，达到的效果如何？
　　1数据与方法
　　1.1数据来源
　　为较客观地描述开源硬件教育应用研究现状，本研究采用中国知网（CNKI）数据库，对近10年（2009～2018年）教育类期刊与硕博士论文进行检索。为了扩大范围，将检索的主题词设定为：开源硬件、Arduino、树莓派、Raspberry Pi、Microduino、pcDuino、BeagleBone、Micro：bit、Pico-Board、CubieBoard。此外，在期刊的选择上并没有将范围缩小在核心期刊，希望能够最大限度地选取该领域的研究成果。通过剔除一些新闻公告类的无效文献，并将检索文献限定在教育类（教育理论与教育管理、学前教育、初等教育、中等教育、高等教育、职业教育和成人教育与特殊教育），共提取到有效文献161篇，作为本文的研究样本。
　　1.2研究方法
　　本研究采用定性与定量相结合的研究方法对研究样本进行分析。在定量分析部分，对近10年我国开源硬件教育应用的论文发表情况以及硬件类型分布进行了描述性统计，利用Citespace软件，通过文献计量方法将开源硬件教育应用领域的知识基础绘制出来，从而明确目前的前沿热点和主要研究内容;在定性分析部分，本研究从教学模式、教学内容和教学效果3个方面对161篇文献中如何开展教育教学进行了深入的分析，从而揭示目前我国开源硬件教育教学的概况。
　　2研究结果
　　2.1计量分析
　　1）近10年开源硬件教育应用研究的论文发表情况。通过对2009～2018年开源硬件教育应用文献数目的统计，得到了数量统计图（如图1所示）。从发文量可以看出，我国开源硬件的教育应用研究自2012年开始起步，文献数量呈逐年上升的趋势，且在2015～2017年增势迅猛，说明开源硬件的技术优势逐渐得到教育领域的关注和重视。但也可以发现，自2017年之后文献数量出现了下降，这也体现出现阶段在开源硬件教育应用方面研究力度的不足。
　　2）教育领域的开源硬件分布情况。为分析目前我国教育领域所使用开源硬件类型的分布情况，本研究对161篇文献中采用的开源硬件名称和型号进行了统计。其中，存在少数对典型开源硬件评述的文献，由于不具备明确的指向性，因此不计入本次统计。从图2中可以看出，Arduino在开源硬件教育应用中占有绝对优势，其次是树莓派。pcDuino、BeagleBorad等开源硬件的教育应用研究虽也有所涉猎，但寥寥可数。
　　2.2研究主题分析
　　本研究利用Citespace软件进行“关键词”的共词分析。研究选择最小生成树算法（Minimum Spanning，Tree）和对整个网络进行修剪（pruning the merged network）的修剪策略，得到关键词共词图谱（见图3）。去掉树莓派的不同表达方式、Arduino硬件的不同型号以及STEM教育与STEM的统一概念，Arduino、创客教育、开源硬件、树莓派等15个比较大的关键节点（深色圈节点）代表中心性和被引频次都比较高的关键词（见表1）。 　　对文献共词网络进一步聚类，使用log-likeli-hood ratio算法显示聚类标签并过滤较小聚类，生成了文献共词网络的聚类标签视图（见图4）。衡量聚类效果的参数Modularity为0.871（大于0.3），说明网络聚类效果较好。从图4中可以看出，共词图谱共形成了9个主要聚类，代表2009～2018年开源硬件教育应用文献的主要研究领域。本文着重分析节点数相对较多、信息量大的前5个聚类，即Arduino、创客教育、树莓派、教学设计、机器人教育5个关键词。
　　1）聚类0：Arduino。Arduino是目前应用最为广泛的开源硬件平台，包含硬件（用作电路连接的Arduino板）和软件（程序开发环境Arduino IDE），它的诞生也是开源硬件发展史上的重要里程碑。较之普通单片机，Arduino具有教学难度低、可扩展性强、价格低廉和生态圈完整等优势，这也使得Arduino在教学中具有很大的应用价值与潜力。针对现有大学物理实验教学与工程实践联系不紧密的问题，栾江峰等人将Arduino开源硬件平台应用于大学物理实验的教学方案，经教学实践表明该模式在巩固知识技能的同时有助于提高学生的学习热情，培养学生的创新能力。武玉升结合目前高职院校培养目标及现状，在高职“单片机应用技术”课程教学中引入了Arduino实验开发板，改善了课程的教学效果。还有研究者基于Arduino进行了中小学的拓展课教学设计，并以《能移动的小车》进行了教学实践，通过问卷分析及实施效果认为Arduino设计内容可以达到拓展课的课程目标。
　　2）聚类1：创客教育。创客教育是一种融合信息技术，秉承“开放创新，探究体验”教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新型人才为目的的新型教学模式闆。雒亮认为“开源硬件的成本优势可以加快创客教育的普及，其完整的产业链生态圈可以提升创客教育的实施效率”。近年来，随着Arduino等开源硬件的日渐成熟及普及，开源技术驱动的创客运动和创客文应运而生，这也促进了创客教育的发展。同时，创客教育的兴起也为开源硬件提供了广阔的教育应用平台。浙江温州中学谢作如老师2013年在校内建立了创客空间，并以Arduino为主要平台构建了创客课程，形成了包括《Arduino创意机器人》在内的一系列校本选修课程，成为创客教育的典型代表。赵广元等将基于Arduino的嵌入式服务器设计作为非计算机专业“计算机网络”课程的实验项目，该课程实验在加强学生专业认知、提高学生学习兴趣和进一步浓厚创新实践氛围等方面效果明显，显示出创客教育较强的应用价值。
　　3）聚类2：树莓派。树莓派是为学习者更方便地学习计算机编程而开发的一种微型电脑。随着嵌入式设备的发展，2012年以树莓派为代表的迷你主机逐渐成为计算机硬件发展的一条强大的支流。树莓派具有功能丰富、趣味性强、模块化结构、高性价比等优势，是学校教育和项目开发的良好平台。在高等教育阶段，汪琴基于树莓派进行了高级语言程序设计类课程的教学研究，采用混合式学习模式大大提高了学习效率和学习质量。在中小学阶段，刘刚刚将创新思维与开源硬件课程相结合，设计并开发了面向创新思维培养的树莓派课程项目，通过对教学实施效果的分析与评价发现学生的创新思维水平和作品创作水平具有了一定的提升。
　　4）聚类3：教学设计。教学设计简单来说就是教师为达成一定的教学目标，对教学活动进行的系统规划、安排与决策。开源硬件作为一种技术工具，如果想要与教育教学深度融合，离不开严格的教学设计。高思鑫以教学设计为研究对象，探究怎样设计Arduino项目教学，以提高学生的代碼学习兴趣。张晓基于乐高4C教学法进行了高中Arduino机器人的教学设计，通过实证研究从作品和课程满意度两个维度对教学效果进行分析，得出Arduino开源平台可支持中学机器人教育的开展和乐高4C教学法适用于高中Arduino机器人教学的结论。
　　5）聚类4：机器人教育。机器人教育作为创客教育的重要表现形式，是开源硬件高度集成化和功能化的标志，也是开源硬件在教育领域的另一标志性应用范例。2000年北京景山学校沙有威等人进行的《在中小学校开展智能机器人的普及教育》课题实验，被认为是在中小学开展机器人普及性教学的开端。随后，一些中小学逐渐加入到机器人教育的队伍中来。张丽芳以温州中学选修《Arduino机器人》课程的学生为研究对象，开展了机器人教学的实证研究，从学习态度、创造力、知识与技术水平等方面验证了教学效果。在高等教育阶段，邝禹聪开发了面向实验教学的六自由度机器人，可以用于机器人相关实验课程的开展。
　　2.3研究内容分析
　　计量可视化工具只能勾勒出研究领域的整体概况，无法提供更深入的内容信息。因此本研究根据可视化分析结果，进一步对文献进行了批判性阅读与分析，得出开源硬件教育应用的教学概况。下面，笔者将从教学模式、教学内容、教学效果3个层面进行阐述。
　　1）教学模式。我国开源硬件教育应用采用的主要教学模式是项目式教学，具体辅以任务驱动、体验教学、实验教学的教学策略。开源硬件应用项目教学的模式以项目为主体，以任务为驱动，以体验为促进，在相互交流合作中完成作品。教师逐渐引导学生通过阶段性的任务进入完整的综合项目，在更连续持久的项目实践中提高学生主动性，培养其创新思维，提升团队协作等综合实践能力。邓欣等在智能科学与技术专业学生中基于开源硬件实验平台开展机器人实验教学，通过任务驱动法设计一系列由浅入深、由易到难的实验，激发了学生踊跃参加相关竞赛的积极性并取得了优异的成绩。李慧颖以小学高年级树莓派课程为例，证明基于项目体验的创客课程教学模式是行之有效的，能够激发学生对创客课程的兴趣，同时在提升学生创新能力和团队协作能力等方面也有较好的效果。
　　2）教学内容。目前，我国开源硬件教育应用的主要教学内容包括“控制器-执行器-传感器”的智能化控制、嵌入式系统、电路设计与电子装配、元器件认知与焊接、操作硬件的函数运用以及常见外围模块，如LED、蜂鸣器、按键开关、遥控器、蓝牙、电机、显示、舵机等。通过分析笔者发现传感器模块几乎是所有学段选取的主要功能，通过温度、湿度、声光等各个类型的传感器感知环境，进而通过代码编程程序控制反馈环境。在高等教育和职业教育阶段，教师侧重于利用开源硬件实现系统及平台的搭建以及工程设计等方面的专业教学。在中小学阶段，由于机器人课程开设得较为广泛，因此教师开源硬件的教学往往配合机械搭建方面的知识，并结合Scratch、Mixly、ArduBlock、App Inventor等图形化编程软件，降低教学难度，提高学生的学习兴趣。 　　3）教学效果。通过对文献的内容分析，本研究借鉴顾小清学者提出的元分析框架，将教学效果从认知层面和非认知层面进行分析。认知层面上，主要表现在开源硬件作为基础教学工具，能够降低学生理解程序设计相关知识的难度，同时为学生的编程提供更为广阔的动手操作空间，对学生学业成就、问题解决能力、认知能力等方面的提高具有显著促进作用。杨振垄等为提升智能科学与技术专业学生的实践能力，提出基于Arduino对该专业的基础实验进行设计，通过LED、传感器和开关的基本实验，提高学生对智能应用设计的认知和专业敏感度。非认知层面上，将开源硬件作为创新能力培养的平台，可以有效提高学生的学习兴趣、学习自信和主观能动性，使学生向更乐于合作、参与、分享、实践的态度转变。如郝新春以Snap+ Arduino平台为例对小学5～6年级和初中1～2年级的学生开设选修课，并通过问卷调查、访谈、课例观察等方法对课程开设后的情况进行了跟踪。实验结果显示，Snap+ Arduino平台在促进教与学方式转变，培养学生主动探究、个性化学习方面更有效，学生对Snap+ Arduino平台的案例表现出了较大的学习热情。
　　3结束语
　　本研究利用计量可视化工具对当前开源硬件教育应用的研究前沿、研究热点等进行了分析，同时通过对文献的批判性阅读，进一步深入挖掘开源硬件的教育应用现状。通过对近10年的161篇文献分析后发现：开源硬件教育应用的研究热点包含Arduino、树莓派、教学设计等方面;基于开源硬件的教学模式以项目式教学为主，并辅以任务驱动、体验教学、实验教学的教学策略;传感器为开源硬件教育应用的主要技术选取功能，通过感知并反馈环境，进而实现与真实世界的交互;开源硬件的教育应用在学习质量、学习态度、综合能力和职业规划等认知和非认知层面能够对学生产生积极影响。但通过深入研究笔者发现，目前开源硬件教育应用还存在一些问题，具体可以归纳为以下几个方面。
　　3.1浅层次理论综述多，深层次实证研究少
　　开源硬件教育应用的实证研究较少，导致应用研究显得苍白无力且公信度不足。具体可以表现为以下几个方面的问题：研究数据来源较为单一，多为单门或几门课程的样本;研究问题切入点不够深入，只是泛泛地论述开源硬件的教学优势和教學策略;缺少系统严格的实验设计，对于开源硬件如何提升教育教学效果缺乏数据支撑和合理论证。因此，探究如何在教育教学中合理地选择并应用开源硬件，并加大开源硬件教育应用的实证研究力度将是下一步研究的重点。
　　3.2开源硬件教育研究分布不均，缺乏对新兴技术的关注
　　目前，市面上出现的诸多种类开源硬件，在教育领域也开始被推广与应用。但在文献梳理的过程中，笔者发现目前对于开源硬件教育应用的研究较多针对的是Arduino和Raspberry pi，只有极少数的文章会涉及到pcDuino、BeagleBoard、Cubie-Board等开源硬件，且大多数还是在与其他开源硬件的比较研究中进行论述的。对于一些新兴的开源硬件，如metas、kiwiboard、makeblock等，学界还没有相关的教育应用研究文献。为了避免出现理论滞后于实际应用的现象，学者们应该加深对这些新的开源硬件的教育应用研究，以更好地指导实践，形成“技术+应用+实践”为主线的教育形式。
　　3.3存在“技术本位”思想，面向创新的能力培养不足
　　开源硬件不仅仅是硬件设计方法的开放，更多体现的是一种创新理念的开放，而创客教育的核心就是培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。通过对文献的深入分析研究发现，目前我国在运用开源硬件进行教育教学时存在“技术本位”的思想，教学内容主要集中在开源硬件的基本结构、编程知识以及平台搭建等方面，更多地考虑如何运用技术进行教学而较少思考技术能够培养学生什么能力。作为创客教育的主要载体，开源硬件的教育应用应着重发展学生的创新能力，包括学习能力、发现问题能力、设计解决问题方案能力和实践其方案的能力。因此，开源硬件教育应用，可以考虑将动手操作和实践体验的元素融入各学科、各专业的教学中，设计并开展基于创造的学习。
　　[责任编辑 马晓宁]
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