创客教育的兴起不仅是教育理念的革新,更是科技发展的结果。而开源硬件在创客教育中扮演着重要的角色,作为开源运动的一部分,开源硬件提倡自由、开放、互助和分享的特点,受到广大创客们的喜爱。开源硬件有着便利的设计、丰富的元件、开源的文化三个特点,在创客教育中独具优势。目前,许多种类的开源硬件已经进入到学校课堂,成为创客教育的必备工具。


什么是开源硬件


开源硬件(Open-source Hardware),是指与自由及开放源代码相同方式设计的计算机和电子硬件,是开源文化的一部分[1]。开源文化源于二十世纪七十年代的黑客亚文化,到了九十年代的,随着Linux受到大众认可、Netcape浏览器开放源代码等一系列科技事件,开源运动逐渐进入人们的视野。开源运动最早只有开源软件,并基于互联网进行传播,目前,我们日常生活中使用的手机操作系统安卓(Android)、电脑浏览器Chrome都是属于开源软件。可以说,在我们的日常生活中,开源软件几乎无处不在。

 

开源软件推崇任何人都可以自由使用、复制、研究和改动的思想,深刻影响着开源文化的发展。开源硬件也在这种思想下应运而生。1997年,开放源代码促进会(OSI)推出开源硬件认证计划;1998年,David Freeman 提出开源硬件规范项目;1999年,非营利组织开放设计基金会(ODF)成立,一场开源硬件的运动正在悄然发生[2]。

 

开源运动的一个核心是,用户可以自行制造产品,无须支付任何费用。它的长足发展成为创客运动的兴起的一个重要的技术因素,被誉为创客之父的克里斯·安德森(Chris Anderson)在其著作《创客:新工业革命》中,将“在开源社区中分享设计成果、开展合作的文化规范”与“使用数字桌面工具设计新产品”和“通过设计传给商业制造服务商或自行制造”称之为创客运动的三个变革性共同点[3]。

 

这一场轰轰烈烈的开源运动,也成为了创客教育的根源之一。在创客教育中,开源硬件已经成为学生成长为真正创客的一个必要工具了。目前,创客教育常见的开源硬件大致可以分为两类:积木式的开源硬件和开源硬件开发平台[4]。

 

积木式开源硬件是以开放式的电子积木模块为基础的一种开源硬件。以Little Bits为代表,积木式开源硬件使用不同的颜色区分电源模块、输入模块、传输模块、输出模块,不同的模块通过磁铁的方式进行连接,不需要准备额外的导线。此外,积木式开源硬件将程序设计固化到每一个模块中,这种方法能够帮助初涉创客教育学生,能够更轻松地学习开源硬件的使用,并快速实现自己的创意。

 

开源硬件开发平台即是以一块以嵌入式芯片开发版为核心的开发平台,我们的创客作品设计、开发和测试都是围绕着这块开发版展开。目前,开源硬件开发平台有50种,在创客教育中较为常用的是Arduino和树莓派等数种开源硬件。学生学习开源硬件开发平台的使用,是认识并走向创客的一条必经之路。


开源硬件的优势


在开源硬件在创客教育中都有哪些优势呢?我们以科技学堂的Arduino作品《PM2.5探测仪》为例,看看开源硬件在创客教育中的优势。

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《PM2.5探测仪》的实现效果是通过传感器检测空气中的PM2.5浓度,并用指针在纸模上指示实时的浓度数值,一旦浓度超过了某个特定值,就会自动弹出口罩,提醒使用者该戴上口罩了。在这个设计中,Arduino和PM2.5传感器联动,实现数据的输入;再通过电机与乐高联动,实现数据的输出。

 

在这个设计中,我们首先看到开源软件的优势是设计的便利性。如果以封闭的硬件进行设计,我们需要设计并制作出复杂的电路版,这个过程费时费力。相反,在开源硬件中,为了让人们能够自由开放的进行使用、复制、研究和改动,它设计了诸多开放的接口,满足不同用户的开发需求。以Arduino在2009年开发的版本Arduino Duemilanove为例,它配备1个9V DC输入、1个USB接口、14个数字输入/输出端口、6个模拟输入/输出端口、1个5V DC输出和1个3.3V DC输出端口,此外还有一个复位接口。[5]丰富的端口为设计提供了便利,学生可以利用这些端口设计各种各样的作品,即使出现端口不足的情况,也可以像《PM2.5探测仪》一样,使用面包板或IO扩展板进行更加复杂的设计。

 

此外,开源硬件的设计便利性还体现在它很容易与其他创客工具融合。在《PM2.5探测仪》中,我们可以看到它的结构是由乐高科学件及纸模所结合而成的,而控制运动的舵机也是由乐高完成的,可以说,这个案例实现了多种工具的融合。

 

其次,开源硬件拥有种类丰富的交互元件,例如在《PM2.5探测仪》中,我们首先需要将空气中的PM2.5浓度转化为电信号进行输入,我们可以选择合适的传感器作为信号输入。传感器只是交互元件的一个种类,交互元件还可以为控制器、传感器、功能模块、电机、继电器、电源等多种类型,每种类型又可以细分为多种不同的类别[6]。丰富的交互元件方便学生在设计创客作品的时候,能更加得心应手地设计作品。

 

开源硬件不仅能为创客教育带来优秀作品,同时带来的还有一种开放分享的创客文化。通过开源硬件的创客设计,学生可以直接地参与到由开源硬件所带来的开源文化中。在互联网上,你很容易找到由开源硬件爱好者组成的开源社区,学生可以在社区中分享作品,交流创作体验。

 

便利的设计、丰富的元件和开源的文化,构成了开源硬件在创客教育中的三个优势,当学生熟练掌握开源硬件的创作和使用的时候,离成为一名真正的创客也就不远了。


参考文献

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%96%8B%E6%BA%90%E7%A1%AC%E4%BB%B6

[2] 开源硬件有多“开放”  Sylvie Barak 电子产品世界 2015.9

[3] 创客:新工业革命  克里斯·安德森  中信出版社  2015年6月

[4] 开源硬件:撬动创客教育实践的杠杆  雒亮、祝智庭  中国电化教育  2015.4

[5] Arduino的原理及应用  蔡睿妍  电子设计工程  2012年8月

[6] http://wiki.dfrobot.com.cn/index.php?title=%E9%A6%96%E9%A1%B5#.E7.94.B5.E6.B5.81.E4.BC.A0.E6.84.9F.E5.99.A8