樹莓派硬件在創客編程教育中的公平價值

劉 驥 趙悅冉 姬雨禾

（陜西師范大學 教育學部，陜西 西安 710062）

中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》中明確提出推進教育現代化、建設教育強國的重要任務，而致力于融合多學科視角、培育綜合創新素養、孵化創新型人才的創客編程教育是重要的落實載體之一。然而，近年隨著創客編程教育發展愈發蓬勃，有學者擔心注重前沿創新的互聯網信息化教學模式以及對數字設備的依賴將顯化原有教育資源分布不均所帶來的教育公平問題，并在一定程度上加深學習成本分層現象，進而抑制創客編程學習品質的提升、阻礙教育教學活動發揮社會公平調節器的功能。[1]特別是傳統創客編程教育所需的新型數字化硬件往往設備成本高昂，在很大程度上加深了階層、地域、校際硬件資源分布不均問題，使硬件門檻通過教學情境外顯為一道嚴重影響教育公平的“數字鴻溝”。在這樣的現實下，若要更廣泛地普及創客編程教育、使更多人受惠，就必須開發一種價格低廉、小巧便攜、功能多樣、開放互動的微型計算設備，而樹莓派（Raspberry Pi）以其獨特的設計理念，成為一種具有潛力、彌合創客編程教育領域數字鴻溝的新型低成本硬件。

一、低成本硬件與創客編程教育的共生潛力

（一）創客編程教育的高成本普及化制約

創客編程教育的詞源是英語單詞“Maker”，該詞原指手工藝創造者。[2]這說明創客編程教育在本源上是一種兼具草根情懷與動手創新能力的教育形式。但有學者在實踐觀察中開始憂慮創客編程教育正趨于狹隘化、商業化，正逐步演變成一種大城市精英學校所批量設立且脫離普通學生的額外教育負擔。[3]事實上，創客編程教育作為STEM 教育大類下的重要教學創新實踐，本應注意教育教學過程中所隱含的教育公平問題，特別是那些由學生家庭背景和社會地位所致的學習基礎、學習資源、學習結果差異問題。[4]例如，有學者認為我國現階段STEM 教育發展的重要議題之一是如何在區域發展不均衡、城鄉二元結構突出的現實基礎上有所作為。[5]而聚焦于創客編程教育的相關國內外研究，學者卻發現當前有關創客編程教育的教育教學實踐大多集中于教育資源本已優越的經濟發達地區，缺乏對教育公平與弱勢學生群體的關注，由此可見，真正提倡包容型教學的創客空間還未出現。[6]

在全球范圍內，教育公平無疑已成為教育發展的共性與共鳴問題，因此，提倡公平導向的創客編程教育模式顯得更為重要。[7]自2016 年以來，中共中央、國務院在2016 年5 月發布的《國家創新驅動發展戰略綱要》，教育部2016 年6 月發布的《教育信息化“十三五”規劃》，以及中央網絡安全和信息化委員會2021 年12 月印發的《“十四五”國家信息化規劃》等文件中針對基礎設施、數字資源、教學變革等方面做出了教育信息化發展的具體部署，曾多次提出推動創客編程教育進校園、保障弱勢群體獲得優質教育的權利等要求，但創客編程教育推廣與普及所面臨的重要現實制約之一是其高昂的課程開展成本。[8]在實踐中，創客空間等教學場境的搭建成本高昂，有學者認為經費問題是直接制約創客編程教育在校園落地的根本性問題。[9]特別是在現有教育信息化經費的現狀下，往往僅有那些東南沿海發達地區或內陸省會城市的重點學校具備開設創客編程教育課程的硬件條件。[10]在許多欠發達地區和內陸城市，雖然有學校嘗試開展創客編程教育探索，但是也往往因為硬件不具備、經費不足而無法開展或難以為繼。[11]更為重要的是，由于課程開展對硬件和空間的要求較高，技術工具、軟件資源、素材資源的開發與整合也趨于精英化，因此導致創客編程教育的普及化、普適化速率放緩。由此可見，雖然創客編程教育的新理念、新工具、新方法得到了政府與學界的廣泛關注，但是在實際發揮人才培養潛能方面，成本成為制約因素。

（二）樹莓派的低成本普及化潛力

樹莓派計劃（Raspberry Pi Project）是由劍橋大學研究團隊發起、樹莓派基金會提供資金支持的一項基于硬件創新的開源式非盈利項目。該計劃的研發初衷是希望通過低價硬件來推動學校的基礎計算學科教育、縮小數字教育差距。[12]截至2019 年2 月樹莓派計劃實施7 周年時，樹莓派在全球的銷量已經突破了3000 萬套。[13]樹莓派的迅速普及與其自身特點密不可分。一是樹莓派自身產品性能強大、價格低廉，而且其產品系統也在不斷升級。相比售價約200 美元的One Laptop Per Child 等廉價便攜計算機，樹莓派的價格門檻對于教育機構和非營利組織來說更親民。[14]例如，印度專為解決盲人受教育困難而基于樹莓派開發的盲文閱讀器Mudra Dicta-Teacher，成本僅為傳統盲文閱讀器的1/40。[15]二是樹莓派擁有強大的創客社群。在創客社群知識共享理念的推動下，學習者能夠從使用者的角度出發，通過產品的共同開發、體驗，充分挖掘樹莓派的多應用場景。[16]例如，樹莓派代碼俱樂部與全球教育工作者和社區志愿者合作，通過提供免費的在線資源和項目，幫助各地的年輕人學習編碼和數字制作。[17]

自初代上市至今，樹莓派單片機已有8 年的發展歷程，由第一代ZERO 版迭代至第四代4B版，功能不斷增強，性能不斷優化，如表1 所示。在基礎處理能力方面，樹莓派的中央處理器（CPU）已由單核發展到四核，內存由256MB 提升至8GB。在影像處理能力方面，4B 型樹莓派使用500MHz VideoCore VI，這種全新的架構允許它以4K（60幀每秒）的高清速率輸出至雙microHDMI 端口。

表1 樹莓派產品性能對比表

在普惠定價模式上，樹莓派追求最低定價與非營利原則，以降低普通家庭與薄弱學校的相關硬件費用負擔為主要目標，從初代至最新的第四代設備始終維持在35 美元（約合人民幣230元）。樹莓派不僅價格遠低于市場上常見的微型計算機設備，而且功能上滿足絕大多數創客與編程教育的教學需求，具有突出的低成本普及化潛力。[18]在核心設計理念上，樹莓派追求小巧便攜性，僅有一張信用卡大小，重量約為臺式電腦的1/800，約為筆記本電腦的1/60，旨在幫助創客根據個性化需求隨時隨地進行移動式學習，同時方便嵌入可移動設備、移動式機器人等進行多方面拓展應用。[19]最新的第四代4B 型樹莓派長寬高尺寸分別為85.60mm×56mm×21mm（見圖1），重量僅200 克。在功能多樣性上，樹莓派可以通過不同的接口允許用戶附加和控制外部設備，例如接入紅外探頭與人像識別等多種硬件設備。[20]第四代4B 型樹莓派共有七種外接端口，分別是3.5mm、40PIN GPIO、CSI、DSI、USB Type-C、USB 3.0/2.0、Micro HDMI。4B 型樹莓派新增支持藍牙5.0 制式、支持兩個USB 外接口同時使用，極大地豐富了擴展功能。[21]

圖1 樹莓派4B 硬件結構示意

二、樹莓派在創客編程教育中的前沿應用

樹莓派與創客編程教育在國際上已有了廣泛的應用嘗試。例如，韓國的科研人員基于樹莓派進行了單向局部車號識別系統研究，實現網絡分離情境下的交通安全；[22]在英國，科研人員研發了基于樹莓派的3D 激光掃描建模儀，極大地降低了3D 打印的成本；[23]除此之外，樹莓派基金會每年都會舉辦年度技術展，使來自世界各地的青少年都能分享創造性的想法。2021 年的展示會于網絡上舉行，展出了550 多個項目，充分體現了青少年的創新能力。[24]在眾多應用嘗試中，最值得一提的就是歐洲宇航局與樹莓派基金會合作舉辦的創客大賽。歐洲宇航局（European Space Agency，簡稱ESA）自2015 年開始與樹莓派基金會合作，通過定期開展各式各樣的航天創客大賽培養學生對航空航天的學習熱情。

例如，為了促進歐洲知識性社會的發展、提高青少年的科學文化思維和辯證思維，歐洲宇航局于2017 年啟動歐洲“星際派”（Astro Pi）挑戰賽。據歐洲宇航局介紹，“星際派”是一項有關科學和編碼的年度競賽，在該競賽中，由學生編寫的代碼最終會在國際空間站（International Space Station）上運行。該挑戰賽設置了兩個不同的任務以供參賽選手選擇參加，一個是初學任務“零計劃”（Mission Zero），另一個是進階任務“空間任務實驗室”（Mission Space Lab），為青少年提供了更多的機會，有效地擴大了該挑戰賽的參與范圍，以期實現彌合數字鴻溝、全民參與創新創客的最終目的。[25]“星際派”挑戰賽主要有兩個層面的內容。

其一是難度系數較低，以編程興趣普及為主要教育目標的零計劃。主要向14 歲以下的青少年開放，旨在通過讓青少年在太空中運行自己的項目，培養他們對編程、太空的興趣，吸引更多的青少年投入到科研工作中去。為支持該比賽的運行，樹莓派基金會全面完成星際派參賽模擬器的開發，并升級相關設備，實現參賽團隊無需任何特殊設備即可參與比賽的最佳效果。在具體參賽過程中，參與零計劃的選手必須遵循由星際派挑戰賽組織方和國際空間站提供的參數進行編碼，若符合這些參數，他們編寫的程序將于計劃時間內發送到空間站。歐洲宇航局將會給空間站運行程序的編寫選手發放證書，在證書上標明程序到達空間站的確切日期和時間。該比賽能有效提高選手的參與感和獲得感，提升歐洲年輕人對編程的興趣。

其二是難度系數較高，且專業性、科研性更強的空間任務實驗室。該項目是歐洲宇航局于2016 年舉辦的挑戰賽的延伸，以鼓勵嘗試探索為原則，實現教育學習、提高整個歐洲的參與度為目的，通過星際派挑戰賽進行地球觀測實驗。在具體比賽過程中，歐洲宇航局根據參賽團隊的實驗想法、代碼質量和項目可行性來選擇項目，并將選定的程序在地面上進行3 個小時的測試，以確保實驗在國際空間站的正常運行。選定的實驗被部署到國際空間站后，小組收到國際空間站提供的數據并撰寫分析報告，由歐洲宇航局與樹莓派基金會的星際派挑戰賽組委會專家進行評判，選出10 名優勝者選手，給予他們參加歐洲宇航局宇航員研討會的機會。該比賽激勵參賽團隊努力創新、力爭上游，極大地激發參賽人員的科學實踐能力。[26]

截至2020 年，樹莓派計劃與歐洲宇航局合作的創客編程教育，總共惠及25 個國家及地區超過17000 名成員。[27]在比賽正式進行之前，零計劃的預期效果是啟發14 歲以下少年兒童提升基本編程技能；在比賽過程中，2506 個小組的5412名成員提交了參賽作品，展現他們對編程技能的掌握情況，實現幼兒編程由視覺編程向實操編程的轉換，極大超出零計劃的預期目標。歐洲宇航局希望零計劃的參賽者能在此次過程中受到啟發，提高自身的技術能力，并在未來幾年參與到空間任務實驗室中去。[28]此外，通過實現編程在真實場景中的部署和運行，空間任務實驗室廣泛地提升年輕人學習編程和科學技術的興趣，促進歐洲青年人科學技能的提高。參賽作品的主題豐富多樣，涉及具體的科學概念和規劃方法，充分展現青少年的技能，體現出青少年先進和創新的思想。

除了在航天領域的創客編程教育實踐外，樹莓派還常用于基于校園場景的創客項目。例如，有學生團隊將樹莓派應用于校園智能安防系統，設計基于樹莓派硬件基礎的人臉識別門禁系統，通過在教室、實驗室等場景門口處的安裝，來實現對出入人員身份的識別。[29]此外，還有團隊利用樹莓派作為基礎硬件搭建網絡站點，建立學生物理薄弱知識點數據庫，進行物理薄弱知識點分析，并開展針對性課后習題練習。[30]樹莓派還可以應用于校園圖書館智能機器人設計，特別是利用樹莓派輕巧便攜的特點，搭建以樹莓派為核心的圖書快速分揀機器人，實現瞬時識別、精準分類、循跡分揀、超聲避障等功能。[31]綜上，樹莓派能夠在多種教學場景中發揮作用，充分表明其功能具有完備性、開放性、延展性等諸多特征，并以其低廉的價格打破教育不公平現象，實現優秀教育資源的普及。

三、基于樹莓派的創客教學探索

作為創客的源動力，創新意識的培養是關鍵，也是節點，但傳統教育往往更注重基礎知識、基本技能如何轉化為優異的成績，而對知識和技能的應用與創新關注不夠。然而，創客編程教育帶領學生通過項目式學習，經歷發現實際問題、設計項目方案、完成項目實施及評價的過程，實現小的改造甚至發明創造。特別是在當今社會，文化回應式計算（Culturally Responsive Computing，簡稱CRC）在將計算思維與文化習俗相結合下具備彌合數字鴻溝、提高學業成就、促進社會包容型發展的重要潛力。[32]在這方面，基于低成本硬件推廣的文化回應式計算是樹莓派在教育教學中的重要應用貢獻之一，有助于挖掘創客編程教育的教育公平內涵并實現創客編程教育的普及。雖然在以往的文獻中，不乏樹莓派的技術應用案例，但是，目前樹莓派的具體教學示例還較為有限，未能形成可以推廣的教學方法和教學模式。[33]為此，本文設計基于樹莓派的創客編程教學方案，主要期望通過將每位學生在日常生活中都會接觸的天氣信息作為教學題材，實現三點教學目標：①通過簡單可操作的方式讓學生在簡單條件下學會使用樹莓派；②挖掘樹莓派的教育優勢，降低教育成本，擴大教育可實現效益的范圍；③激發學生的學習能動性，開發其創新潛力，鼓勵其進行多種嘗試和探索。

教學案例應注重學生在創客編程過程中經歷知識與技能的應用和創新，獲得成就感，同時能更深刻地體會編程教育中所學知識的實際價值。這樣既提升學生學習知識的動力，又培養學生的創新意識。[34]第一步是準備階段，此階段中教師所需要準備的硬件為樹莓派單片機，以及下載Python、Jq、Curl 等相應的編程教學軟件。第二步是實施階段，準備好所需硬件和軟件后，選擇為天氣服務信息提供數據的接口（如和風天氣API 等），通過測試API、使用Curl 工具來調用遠程API 數據接口，再使用Jq 工具解析遠程返回的天氣數據。第三步是應用拓展階段，可以充分結合學生興趣開展個性化項目式學習。對于學生而言，創客編程教育鼓勵學生進行更多的發散式學習，而樹莓派本身也具備多樣的硬件拓展可能。例如，可以使用樹莓派外接攝像頭進行光線與人臉識別相關的拓展，實現天氣信息自動播報。這些延伸拓展活動都能夠培養學生的創新意識、創新思維與技能，以提升綜合實踐創新能力。

創客編程教育的重要目標是培養學生的發現和解決問題能力、創新能力、實踐能力、協作能力以及分享意識，力促學生成為具有創客理念和創客能力的學習者——教學評價作為教學的重要組成部分也應服務于此目標，努力促成教學目標的達成。因此，要對學生的作品是否符合創作要求開展總結性評價，更重要的是創客編程教育要通過教學評價來激發學生的學習興趣與動機，讓學生成為項目創作的主體，促使學生開展自主學習、發現和解決問題、開展批判性評價和協作交流、分享知識與經驗，培養他們具備創客運動所倡導的各種能力與意識?？梢哉f，以學生為主體開展評價并促使學生成為評價主體，是創客編程教育教學評價目標達成的前提和基礎；應用真實性評價理念，綜合多種評價工具與方法，進行創作前、中、后多角度的評價，幫助學生開展學習規劃、自我反思和創作過程的自我驅動與調節，發現并解決創作過程和創作成果中存在的問題，開展協作交流與共享，并將發現和解決問題能力、創新能力、實踐能力、協作能力以及分享意識等作為教學評價內容的重要組成部分，是達成創客編程教育中發展性教學評價目標的重要途徑。[35]

四、結語與展望

中共中央、國務院印發的《關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》就加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育做出重要戰略部署，明確提出培養學生的創新精神和實踐能力是素質教育的重點。在這方面，創客編程教育是培養學生綜合實踐創新能力的重要教學方式。近年來，創客編程教育空間建設和相關政策的支持使中小學創客編程教育獲得了長足進展，創客編程教育生態逐步優化。然而，現階段創客編程教育的不均衡發展特征十分突出。例如，在一項對農村創客編程教育的研究成果中，基于六所農村小學的實地調研顯示，偏遠落后地區創客編程教育的普惠發展存在亟待突破的現實困境。[36]

在當前鄉村振興戰略新形勢下，我國各地區教育資源和教育水平不盡相同，那么對于農村教育來說，為了提升學生信息素養培養水平，并將信息技術作為促進學生發展、推動終身學習的重要手段，為今后的社會生活與工作打下良好基礎，需要將創客編程教育與低成本硬件技術相結合。[37]在這方面，樹莓派將有潛力成為創客教師開展創客編程教育的重要工具和幫手。首先，樹莓派有著較好的性價比，可以通過較低的成本滿足絕大多數創客編程教育教學需求，適宜欠發達地區創客編程教育的硬件普及，有利于緩解資金投入困境、促進教育的均衡發展。其次，樹莓派的教育應用實踐具有跨學科的知識結構特點，涵蓋了科學、工程、編程等多學科內容，有助于推動科學技術教育在偏遠落后地區的協同發展，有利于培養學生的創新意識、創新精神、創新能力，激發學生跨學科學習的熱情。最后，樹莓派的開源使用環境有助于學生以團隊形式開展合作學習，將探究性問題解決、項目合作學習等方式有效結合在一起，提高學生在學習中的合作意識、協作能力。綜上所述，樹莓派在教育教學中的廣泛應用有望改善我國現存的教育資源分布不均、創客編程教育停留在富裕城市學校的環境，對學生的綜合創新能力發展具有積極意義。希望通過對樹莓派的介紹與應用，推動創客編程教育的公平發展，使樹莓派在促進創客編程教育中發揮更大作用。