开源硬件，走向创客的必经之路

陈染

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，受到广大创客的喜爱。开源硬件有着便利的设计、丰富的元件、开源的文化3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。开源文化源于20世纪70年代的黑客亚文化。到了90年代，随着Linux受到大众认可、Netscape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。開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悄然发生。

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”称为创客运动的3个变革性共同点。

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必要工具了。目前，创客教育常见的开源硬件大致可以分为2类：积木式的开源硬件和开源硬件开发平台。

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的学生，他们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以一块嵌入式芯片开发板为核心的开发平台，创客作品设计、开发和测试都是围绕着这块开发板展开。目前，开源硬件开发平台有大约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。学生学习使用开源硬件开发平台，是认识并走向创客的一条必经之路。

开源硬件的优势

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（见题图）。

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，实现数据输入；再通过电机与乐高联动，实现数据输出。

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板，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地进行使用、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。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10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、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。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。

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3个优势，当学生熟练掌握开源硬件的创作和使用的时候，就离成为一名真正的创客不远了。

参考文献

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

[2]Sylvie Barak.开源硬件有多“开放”？电子产品世界，2015（9）

[3]克里斯.安德森.创客：新工业革命.北京：中信出版社，2015

[4]雒亮、祝智庭.开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆.中国电化教育，2015（4）

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及应用.电子设计工程，2012（8）

[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.A8endprint