党的二十大报告对教育、科技、人才进行了“三位一体”的系统部署，并鲜明提出要“全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才”，将教育、科技、人才工作提升到了全新的高度，体现了科技强国时代背景下对教育高质量发展的新要求。无论是创客教育的探索还是STEM教育的推进，抑或是新课标中国家课程标准的导向，都为中小学生科学素养与创新力的培育提供沃土。开源硬件作为数字化教育装备，可以支撑信息科技、科学、物理、化学等学科中数字化实验与跨学科主题活动的学习，也是机器人、无人机、航空航天、智慧种植、智能家居、人工智能等科技类主题学习中的核心装备，可在中小学教育中广泛应用，是提升学生核心素养的重要支撑。笔者基于开源硬件在上海中小学的应用与实践经验，系统梳理了国内外开源硬件在基础教育领域的推进路径，分析现实问题与挑战，在此，先阐述开源硬件的核心概念和教育价值。
1 开源硬件的概念与核心特征
开源硬件（Open-Source Hardware）是开源文化与电子技术碰撞融合的物化成果，是指“与自由及开放原始代码软件相同方式设计的计算机和电子硬件”，其“开源”理念源于计算机科学领域开放源代码（Open source code）运动，旨在共享智慧成果、支持二次开发与快速迭代；而“硬件”部分可理解为一种集成电路芯片，即微控制器/主控板（Microcontroller Unit / Main Control Board），被广泛应用于工业自动化、电子消费等行业。与传统的封闭式商业产品不同，开源硬件打破了电子工业技术的黑箱，为应用、创新和改进提供了广阔空间。
从技术内涵上看，开源硬件的电路图、原理图、物料清单、PCB版图以及软件开发工具包或相关软件的源代码等均完全公开，任何人都能够获取这些技术细节并进行应用、二次开发、迭代与创新。这种开放性打破了传统商业硬件技术的封闭与垄断，能使更多人参与电子硬件的开发和使用过程，并吸引众多开发者和爱好者组成自由开源社区，共同分享经验、交流想法，推动开源硬件的不断发展。从核心特征上看，开源硬件作为物理实体，往往以产品的形式呈现，因此“允许商业使用”是开源硬件最为核心的特征。开源硬件必须明确采用符合要求的开源协议，开源硬件协会（OSHWA）在其认证中禁止采用限制商业用途的许可证（CC-NC等），并推荐两类开源许可证：一是强制共享型（Copyleft），要求衍生作品必须以相同许可证发布；二是宽松型（Permissive），允许衍生作品闭源或使用不同许可证。其“自由制造与销售”的应用路径使得开源商业生态具备强大的生命力。
2 适用于中小学教育的开源硬件
在开源硬件出现之前，可以实现输入、输出与控制的电子设备以单片机（Micro Controller Unit，简称MCU）为主，是一种将中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、定时器/计数器、输入输出接口（I/O）等集成于单一硅芯片上的微型计算机系统
［1］。通常在电子信息类、自动化类等专业本科阶段学习，需要有C语言、数字电路、模拟电路等前置课程的学习基础，有较高的学习门槛。而开源硬件的出现，通过开源的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）与开源社区的支持，不断优化开发工具、扩展封装硬件库、简化编译语言，使得学习与使用门槛不断降低。图形化编程的出现将各类寄存器操作封装成积木块，使其在中小学中应用成为可能，且经过多年发展逐渐适配了越来越多的教学场景。开源硬件的出现使晦涩难懂的大学课程有了降维至中小学体验、感知、学习与使用的基础，也为进一步激发学生科学兴趣、工程素养与创新力提供了支撑。
将在高等教育中应用广泛的51系列单片机与在中小学教育中应用广泛的Arduino开源主控板的技术参数与适用范围等内容进行对比，结果如
表1所示。
通过从单片机到开源硬件的技术路径可以解释开源硬件适用于中小学教学的可行性，但是从名词释义角度，“教育开源硬件”没有明确的定义与解释，相应的产品复杂多样，无法准确划分。从教育应用角度，满足中小学教育教学场景且适用于中小学生学习操作的开源硬件符合释义范围。
2.1 在功能性上，需适用于中小学的教育需求与应用场景
开源硬件作为数字化教育装备，不仅需要支持中小学信息科技学科过程与控制（六年级）、物联网实践与探索（八年级）、高中信息技术学科数据与计算（必修一）、开源硬件项目设计（选择性必修六）等国家课程学习内容要求，还要支持中小学各类跨学科主题学习、综合实践活动课程等不同主题活动的实践探索。根据相关学科《教学装备配置标准》与《中小学实验教学基本目录（2023年版）》的要求，微控制器控制板需要具备外接传感器与执行器，支持高级编程语言开发，支持网络连接，支持扩展等核心功能
［2-3］。
2.2 在操作性上，应符合中小学生的软硬件学习基础与动手实践能力
若仅仅要求基础功能性的实现，绝大多数开源硬件主控板均符合要求，但不同架构的开源硬件学习与使用难度差异巨大。软件方面，在小学阶段所使用的开源硬件应支持图形化编程工具，在初中及以上阶段应结合信息科技、信息技术等课程内容支持Python/MicroPython、C++等高级编程语言。硬件方面，主控板应具备标准通信接口，满足输入（传感器）、输出（执行器）设备即插即用，进一步降低使用难度。
2.3 在生态性上，宜提供相对完善的学习资源，降低师生的学习门槛
应用于中小学教学的开源硬件还提供基础使用教程、课程资源与项目案例，有活跃度较高的开源社区更佳，为学生发散性创想实践提供技术支撑。对于没有信息技术基础的教师，在教学中使用开源硬件存在一定的技术门槛，配套的学习资源可以大大降低师生的学习与使用难度，更好地将技术与产品应用在课程设计与自主学习中。
2.4 在安全性上，须不断提升自主可控意识
数字化时代，网络安全成为国家安全的重要方面。在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中25次提及“自主可控”，强调提升学生自主可控意识，树立总体国家安全观。在2025年6月教育部发布的7项《普通高中教学装备配置标准》中，对于微处理器控制板的规格及性能要求均强调“基于国产微处理器开发”。
综上所述，中小学教育中适用的开源硬件应包含国产主控制器及各类传感器，能够支持图形化、Python/MicroPython、C++等语言进行简单编程，以实现数据读取、数据处理、网络传输、过程控制、模型搭建等功能，宜具备丰富的学习资源与共享社区。
3 开源硬件在中小学阶段的教育价值
开源硬件的出现降低了数字技术在中小学教育的准入门槛，对学生核心素养的培育具有多重意义。
3.1 促进跨学科学习，符合新课标的育人导向
在教育部发布的《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》中，聚焦学生“核心素养导向”，科学观念、科学思维、科学探究、创新意识等核心素养在多个学科中出现。同时倡导“做中学、用中学、创中学”，强调“设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，强化实践性要求”，注重引导学生参与学科探究和跨学科实践，强化真实情境下的问题解决能力以及独特理解与表达能力。随着越来越多跨学科主题学习与综合实践活动校本课程的建设，各类活动主题愈发多元，学生差异化创想逐渐体现，相关课程实施对于教育装备等资源的需求也越来越多样化。开源硬件的核心特征和功能适用于新课标课程综合化实验与实践的要求，可以实现学生不同主题活动中的差异性方案，融合不同学科内容实现科学探究，基于真实情境与问题的解决，将创意物化为实际作品并进一步迭代优化，打破学科界限，激发学生多维思考与实践研究能力，提升创新力与科学素养。
3.2 提升建构与实践能力，贴合教育理论发展方向
开源硬件在中小学应用的底层逻辑与建构主义学习理论（Constructivist Learning Theory）和约翰·杜威（John Dewey）的进步主义教育思想（Progressive Education Theory，核心为“做中学”）等教育理论高度契合，为知识建构与能力培养提供了理想的物理和认知环境
［4-5］。基于开源硬件的项目往往围绕真实问题或目标探索解决方案，这种教学方式进一步促进学习者在与环境互动中的主动建构，鼓励学生以直接经验为锚点展开设计思路，结合模型设计制作、硬件连接、测试调试、优化迭代、功能实现等物理反馈提供即时、可感知的学习经验。开源硬件在中小学中的应用，不仅仅是教育装备的使用或者信息技术知识的学习，更是以学习者为中心，基于经验强调反思与合作的教育实践场域，通过知识与能力内化的意义建构帮助学生形成深刻、灵活、可迁移的个人知识体系和实践能力。
3.3 培育学生数字素养，契合教育数字化转型的系统变革
党的二十大报告提出“坚持教育优先发展，加快推进教育数字化”，对教育系统数字化转型工作做出重要的战略部署。教育数字化转型不是简单地将传统教育方式信息化或线上化，也不是单纯的技术“迭代升级”，而是重塑教育内涵和形态，适应新一轮产业技术发展的需求。教育数字化转型的本质是人的转型，其最终目标指向学生数字素养的提升。而义务教育属于基础教育阶段，正是学生知识学习、思维发展及行为习惯培养的奠基阶段，也是中小学生数字素养启蒙与培育的关键时期。开源硬件与传感器的结合应用是连接物理世界与数字世界的桥梁，可以将生活中各种信息进行数字化生成与加工，让学生通过动手实验真实感受数字技术在现实生活中的应用，探索物联网、大数据与人工智能技术之间的创新关系，提升中小学生对数字生活、数字学习、数字创新的感知力、适应力和创造力
［6］。
3.4 装备配备经济，助推教育公平与优质均衡发展
传统教育公平研究聚焦资源分配，《中国教育现代化2035》明确提出“推进教育公平”的战略目标，截至2020年底，全国96.8%的县实现了县域义务教育基本均衡发展，但随着义务教育生均经费支出水平增速放缓，城乡差距有所扩大，距离优质均衡目标仍有距离。数字时代教育装备配备存在技术垄断性壁垒、创新发散性断层、适用迁移性不足等核心问题。对比动辄数千元的教育机器人、无人机、数字化实验套装等技术垄断型商业产品，开源硬件具备价格低、可拓展性强、共享资源丰富等优势，教育领域常用的国产开源硬件主控板单价在50~200元，各类常用传感器价格更低且配置灵活，通过标准通信接口可避免套件销售或品牌限制，应用路径低成本、易复制、可推广
［7］，且开源硬件适用迁移性高，一次配备，多个学科或主题活动均可使用。开源硬件的经济性使得不同地区、不同条件的学校和学生都能够使用到先进的教育资源与数字技术，尤其是在经费紧张、资源匮乏地区的学生也能开展机器人、无人机、人工智能的实践学习，获得接触前沿技术的机会，缩小城乡和地区之间的教育差距，助推教育公平与优质均衡发展。
3.5 激发学生创新力，助力拔尖创新人才的早期培养
我国拔尖创新人才培养的研究从早期集中在高等教育领域，逐渐延伸至“双高”贯通发展，近年来重点转向基础教育阶段，形成了“拔尖创新人才早期培养”的研究热点和理论基础，完善了我国人才成长连续多阶段的全周期培养体系建设
［8-9］。拔尖创新人才早期培养不是逐步“掐尖”的过程，而是指在基础教育阶段开发学生发展潜力，提升学生好奇心、创新力、科学素养与工程思维等综合能力，同时兼顾发现并积极培养具有原始创新行动力的拔尖潜质学生，为他们提供个性化的教育和培养。上海市人民政府发展研究中心在2022年发表《上海拔尖创新人才早期培养存在的问题和对策》，指出上海在拔尖创新人才早期培养方面存在“创新教育生态未形成、输出式教学模式僵化、综合评价应用不足、创新型师资队伍匮乏、信息技术创新应用不足、实验硬件设施不足”六大问题与挑战
［10］。基于人才早期培养需要信息技术创新应用及硬件设施支撑，开源硬件既能支撑新质生产力时代背景下的科技及产业应用，又能广泛应用于教育教学，激发学生通过功能实现、原型开发、优化迭代等项目化步骤的探索解决真实问题，激发创新兴趣、提升知识迁移能力及创新创造能力，建构学习成果与产业创新融合的双轨交叉点，助力拔尖创新人才的早期培养。
4 结语
开源硬件作为数字化教育装备，其开放、共享的内核与教育公平、学科融合的时代需求高度契合，其经济性、可扩展性、教育性等特点符合新课标育人导向、贴合教育理论发展方向、契合教育数字化转型系统变革、激发学生创新培育，在中小学教育中具有广泛的应用意义与价值。纵观全球教育发展趋势，开源硬件在中小学中的应用方式各有不同，但共同指向学生科学、创新与工程素养培育，后续笔者将对比开源硬件在教育领域的全球发展与本土演进，探索应用路径革新。
中国教育装备行业协会2024年度教育装备科研课题“新课标视野下开源硬件在中小学的应用研究与实践”(CEFR24011R01)
京公网安备11010202008535号
PDF
(448KB)
