开源硬件早期主要应用于电子技术专业领域，为产品设计与工业制造提供了重要支持。随着Arduino（2005年）等开源硬件开发平台的出现，其简易编程和传感器扩展能力使其应用迎来爆发式增长，催生并掀起了创客运动的热潮，而麻省理工学院媒体实验室开发的Scratch图形化编程平台（2007年）与开源硬件深度融合进一步降低了编程学习门槛。在全球范围内，开源硬件教育经历了从“STEM教育/创客教育”向“校本课程/项目化活动建设”延伸的过程，其适用学段与开源硬件的技术发展和应用难度的降低呈线性关联关系。开源硬件的早期应用以高年级课外兴趣小组和大学工作坊为主，2010年后逐渐进入基础教育体系。这一演变反映了各个国家对学生计算思维、工程素养和创新力培育的重视。
1 研究设计与理论框架
开源硬件在基础教育领域的普及是一个受多重环境因子制约的复杂过程。为深入剖析全球开源硬件教育的发展机理与演进范式，可以教育生态系统为解释框架，从宏观政策、中观资源与微观实践3个维度确立分析指标。
1.1 理论视角：三维教育生态分析框架
教育技术学的研究正从单一的“媒介应用”转向“生态系统”视角。笔者引入Bronfenbrenner的生态系统理论
［1］，认为开源硬件在中小学教育中的渗透并非孤立的技术引入，而是由宏观政策环境、中观软硬件资源与微观课堂教学共同构成的动态平衡系统。基于此，构建了“政策导向—资源供给—课堂实践”三维分析框架（
图1）。
宏观层（政策导向）：聚焦于国家或地区的顶层设计。主要涵盖教育战略规划、课程标准体系以及专项财政拨付。政策导向不仅赋予了开源硬件进入正规教育体系的“合法性”，更通过制度力量决定了技术扩散的速率与覆盖广度。
中观层（资源供给）：关注支持教学实施的物质基础与社会化协作，包括硬件开发生态（如芯片架构、传感器的丰富度）、开源软件平台（如图形化编程生态、驱动支持）以及社会化共建资源（如企业、高校实验室及公益组织提供的教程与项目库）。
微观层（课堂实践）：回归教学本体。重点分析开源硬件在实际课堂中的转化效度，包括教师的数字素养与教学设计能力、跨学科项目式学习（PBL）的实施效果，以及在计算思维、工程素养及创新力的培育质量。
该框架通过跨维度的互动分析，能够清晰揭示出不同国家在应对教育数字化转型时，其教育生态系统的演进动力。
1.2 研究方法与实施路径
采用系统综述法与比较教育分析法，分为三个阶段。
（1） 文献检索与筛选：锁定2005年至2025年，从Arduino诞生以来经历20年的发展，开源硬件已完成从创客文化走向教育体系的完整周期。检索策略以“开源硬件/各类主流开源硬件型号”+“中小学”“K-12”“STEM教育”“创客教育”“工程教育”等为关键词（含中英文），在CNKI、Web of Science、Google Scholar等国内外核心数据库进行主题检索。剔除纯技术开发类及商业推介类文档后，最终选取120余份具有代表性的政策文本、学术文献及国际教育组织的评估报告作为核心分析样本。
（2） 分类与特征提取：依据前述三维框架，对样本内容进行质性编码。提取各样本中关于“政府驱动模式”“硬件分发策略”“课程整合方式”及“师资支撑体系”的关键信息。
（3） 模型建构与对比研究：通过对美、英、中等典型国家的案例分析，归纳出“自下而上生态型”“顶层设计普惠型”“政策驱动转型型”三类演进逻辑，并基于此构建演进路径对比模型，以探析全球经验对我国教育数字化建设的启示。
2 国外开源硬件在中小学教育应用中的发展历程
开源硬件在教育中的应用起源于Arduino开源平台的出现，该平台是由意大利伊夫雷亚交互设计学院的马西莫·班齐等教师为了解决艺术设计类学生在制作互动作品缺乏合适的微控制器时创建的，可以说Arduino是为教育领域设计的开源硬件平台，其开源特性与易用性使得Arduino主控板在电子工业领域迅速成为明星产品，促进了创客运动的快速发展。开源硬件的全球化扩散呈现出明显的范式差异，以美、英两国最为典型。对比全球典型国家开源硬件教育应用路径特征，结果如
表1所示。
2.1 美国模式：基于创客文化的“自下而上”生态共建
美国开源硬件的应用路径深受“创客运动”的影响，呈现出强烈的市场导向与社区自驱特征，并与美国自1986年起持续探索的STEM教育迅速融合。开源硬件成了连通科学、技术与工程的桥梁，并为跨学科项目式学习（PBL）提供了新的物理载体
［2］。
（1） 政策导向。自2007年起，美国STEM教育逐步从高等教育向K-12阶段延伸，政府陆续发布了《国家行动：解决美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需求》
［3］《竞争卓越计划》
［4］《培养与激励：为了美国未来的K-12科学、技术、工程和数学教育》等文件
［5］，通过增加预算，使开源硬件逐步进入中小学生的视野。2009年，奥巴马政府实施“为创新而教”运动，将STEM教育确立为优先发展事项，培养10万名卓越的STEM教师并惠及1 000万名学生，激励他们成为下一代创客、探索者和创新者
［6］，在战略层面开启了创客教育与STEM教育的融合，引导学生从消费者向创造者转变。2012年进一步推出“创客教育计划”与“改造计划”，在全美K-12阶段的各类学校广泛建设配备含开源硬件、3D打印机等数字化制造工具的创客空间，从物理环境上保障了项目的实施
［7］，通过激励性而非强制性的政策，引导学区与社会资本合作。
（2） 资源供给。依托于STEM教育的发展和创客空间的建设，在美国国家课程框架指引下形成了学区社群自主开发、企业与高校共创的多维发展格局，从而构建出丰富多元的课程生态。Adafruit、SparkFun等非营利组织开发了大量面向中小学的开源硬件教程，涵盖电子纺织、可穿戴设备、环境监测等主题，其灵活设计便于教师根据学生兴趣开展项目式教学。卡内基梅隆大学、麻省理工学院等高校也开发了类似BirdBrain Hummingbird、Flatburn等诸多适用的开源硬件项目。
（3） 课堂实践。美国政府通过《K-12计算机科学框架》引导学校开设相关课程，鼓励将开源硬件纳入选修课或社团活动，应用多发生在创客空间或课外兴趣小组中，强调“自发性”与“个性化”，具体落实程度依赖地方学区和教师的个人兴趣
［8］。
2.2 英国模式：顶层设计下的“自上而下”普惠推广
与美国发展路径不同，开源硬件在英国中小学中的应用体现出鲜明的“政府—企业—学校”三方协同的顶层设计路径，英国通过强力的国家干预，实现了开源硬件在基础教育中的快速普及。
（1） 政策导向。2014年英国教育部以“编程与计算机科学”课程全面取代传统的以Office办公软件操作为核心的“信息和通信技术”课程，新课程涵盖计算机科学、信息技术和数字素养三大领域，并明确要求7年级（11-12岁）以上学生掌握软硬件结合的编程能力，旨在推动学生从“技术使用者”向“技术创造者”转变。
（2） 资源供给。课程改革对英国1.6万名中学ICT教师和16万名小学教师是一项巨大的挑战，因此课程改革的实施路径尤为重要。2015年由国家立项，英国广播公司牵头包含ARM、微软、三星等29家顶级机构启动Micro：bit项目，打造开源主控板及软件生态并免费向100万7年级学生发放，覆盖公立学校及其他教育群体，全面铺开基于开源硬件的软硬件编程课程。同步开发了适配微软MakeCode平台并支持Blocks、Python等多语言的丰富教学资源，包括200余个创意项目案例与直播课程。
（3） 课堂实践。英国通过“硬件开发、软件支撑、课程融合”的系统战略形成高度标准化的“硬件—软件—教材”闭环，助推课程改革，帮助教师解决授课难题。依托课程设置，通过“普惠分发”模式，在极短时间内拉平了不同社会背景学生的资源占有率，实现了教育公平的行政跨越。
2.3 其他国家：应用型学习与跨学科整合
（1） 新加坡。新加坡教育部在2013年提出“应用学习计划”（Applied Learning Programme，ALP），强调学生基于真实情境应用跨学科知识与技能解决现实问题的应用型课程建设，激发学生的学习兴趣、探索精神与解决问题的能力，同时要求2017年前每所中学都要开发一项ALP项目课程，并为此向每所学校每年拨款10万新元
［9］。随着ALP项目的建设，Arduino等开源硬件开始走入学校的视野。2017年新加坡信息发展局开始实施“数字创客计划”，该计划向超过1 000名教师提供Micro：bit的应用与编码培训。目前，已有10万名学生加入了“数字创客计划”，已经惠及新加坡65%以上的学校。
（2） 丹麦。丹麦于2018年提出了Ultra：bit计划，其教育团队将数学、手工艺及科学等课程融入故事情节并开发相关课程资源。目前，这项计划已经惠及丹麦90%以上的学校，在小学4~6年级使用，覆盖超过7万名学生
［10］。
（3） 西巴尔干地区。西巴尔干地区（塞尔维亚、波黑、阿尔巴尼亚等）实施“21世纪学校计划”
［11］，项目于2018年10月至2022年5月设计和实施，为10~15岁学生提供编程学习机会，提升数字素养、批判性思维和解决问题的能力。已为1.8万名教师提供编程技能培训，向超过100万名学生提供基于Micro：bit的开源硬件教育。
3 国内开源硬件在中小学教育应用中的发展历程
我国开源硬件在中小学教育中的应用发展呈现出“基层应用、区域试点、政策引领、生态共建”的鲜明特征，其进程大致可分为3个阶段。
3.1 萌芽阶段（2010—2016）：STEM与创客教育的民间火种
我国对于STEM教育与创客教育的研究起步较晚，但是民间与基层教师的实践与探索一直在进行。2010年，我国第一个创客空间——上海“新车间”在简陋车库成立；2011年，中国教育学会中小学信息技术教育专委会学术年会在杭州召开，一群热爱Arduino和Scratch的教师聚在一起，成立了全国最大的创客教育教师团队——猫友汇；2013年，吴俊杰等首次提出“创客教育：开创教育新路”，由此引发了国内教师对创客教育的关注
［12］；同年，温州中学谢作如在学校成立第一个学生创客空间，依托开源硬件实施STEM课程，形成了包括“Arduino创意机器人”在内的一系列校本课程并开源共享，成为创客教育的典型代表
［13］。可见我国STEM与创客教育的探索并非由政策引导，而是缘于基层教师的兴趣、热爱与呼吁，同时也体现了开源硬件与两者的强相关性。2014年，国家提出“大众创新、万众创业”的概念，强调通过改革创新推动经济发展，这一理念为以“创造”而生的创客教育发展按下了加速键，开源硬件也正式步入全国中小学校的视野。
3.2 规范阶段（2016—2022）：政策赋能与国产技术突破
2016年，教育部印发《教育信息化“十三五”规划》强调“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用”。在政策支撑下，各类众创空间开始在中小学建设应用，配置3D打印机、开源硬件等创新教育装备。上海市教育委员会教育技术装备中心“引领学习环境重构的中小学创新实验室行动研究”获2018年国家级教学成果一等奖，为全国中小学创新实验室建设提供了范例。
2017年，教育部发布《中小学综合实践活动课程指导纲要》，将综合实践活动课程纳入中小学必修课程体系并保障课时要求，课程打破学科壁垒，强调让学生在真实情境中通过探究、服务、制作、体验等方式，发展创新力、实践能力及社会责任感。综合实践活动课程成为孵化校本课程的沃土，也是开源硬件应用的主阵地之一，各类主题探索学习活动得以有课时开展。
在政策推进的同时，国产开源硬件也实现了技术突围。ESP32系列芯片为国产开源硬件打下自研“核芯”的基础，2018年由国内创客教育教师牵头研发的掌控板正式发布，以更强大的板载功能及两位数的价格优势迅速占领由国外产品垄断的教育市场，同时意味着开源硬件在我国教育应用中形成了自己的完整体系。后续，支持本地部署AI模型的高算力开源主控板行空板M10、基于开源鸿蒙生态的开源大师兄主控板、封装更为小巧简便的童芯派等诸多国产设计与制造的开源硬件，从低价格到高性能全方位丰富了我国中小学教育教学的可选择性，为更多学校探索使用与资源共建提供可能。
3.3 深化阶段（2022年至今）：新课标驱动下的学科化转型
2022年，教育部启动国家教育数字化战略行动并颁布《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》，将信息科技作为独立设置的新科目纳入义务教育国家课程，同时要求“各门课程用不少于10%的课时设计跨学科主题学习”，提出推动“项目式学习”等综合性教学活动，跨学科项目式学习成为国家战略和时代的需要。基于《义务教育信息科技课程教学指南》（以下简称《指南》）衍生的人教版、清华版、浙教版信息科技学科教材/学习手册均在六年级《过程与控制》、八年级《物联网实践与探索》两册书中将开源硬件作为课程教学活动中的实验载体与实践资源。2023年，教育部教育技术与资源发展中心（中央电化教育馆）制定发布了《中小学实验教学基本目录（2023年版）》，在信息科技、高中物理、信息技术、通用技术等学科实验教学基本目录中均有涉及传感器控制等实验教学活动。2025年，教育部等七部门印发了《关于加强中小学科技教育的意见》，强调培育学生工程思维和实践能力，为中小学科技教育的发展指明方向。
面对教学模式的转变、课程设置的优化以及学生素养的培育，国家政策的指向越来越清晰：教育要进一步打破学科之间的壁垒，引导学生主动探索、实践与创造，提高其发现问题、解决问题的能力，最终指向创新人才的培育，与党的二十大报告中教育、科技、人才“三位一体”的系统部署形成逻辑闭环。在教育改革的过程中，载体的名称已不再重要，叫创客教育、STEM教育也好，叫项目式学习、探究式活动也罢，其育人的目标始终不变，而越发开放、融合的教学模式越需要开放的教育装备支持。
3.4 演进逻辑与模式析理
（1） 基于三维框架的中国路径剖析。
政策导向：呈现明显的“由点及面”扩散特征。从2016年的规划引导到2022年新课标的强制性学科建设，再到2025年科技教育的提级，政策力度呈螺旋式上升，强调素养导向。依托我国体制优势，迅速将新课标和政策要求下沉至基层。
资源供给：经历从“外部依赖”到“自主生态”的转型，结合中小学校本课程、社会（企业、高校）学习资源等多维建设，构建了自主可控的教育资源供给池，且更贴合国内教学环境。在强大的工业体系支撑下，主控板、传感器等电子元器件价格优势明显，为教育均衡提供了基础支撑。
课堂实践：呈现“任务驱动”与“竞赛导向”并行的特征，开源硬件被广泛应用于信息科技课堂、综合实践活动课程、社团探索与各类白名单赛事。
（2） 现阶段问题剖析。
政策导向：尽管国家从政策到新课程标准均在强调学生素养培育与核心科技能力培育，但在政策中未设定关于开源硬件普及的指标性要求，各省市落地细则不明确，采购流程与经费使用无法保障。信息科技学科作为融入开源硬件实验教学的最优载体，也面临《指南》基础保障属性与各省市多版本教材要求不同、质量不一的现实问题，加大了区域间开源硬件普及的差距。
资源供给：开源硬件作为数字化教育装备，具有一定的编程与电路学习门槛，师资培训保障性不足导致多数教师存在心理认知门槛。企业缺少“教育语言”，所生成课程无法在学校直接使用，且逐利性导致资源不兼容，“数据孤岛”与“资源浪费”现象并存，增加了教师的学习成本。
课堂实践：开源硬件课程开设的基础保障性不足，校本课程建设质量不一，部分课程建设仅是基于开源硬件的功能实现，缺少情境设定与开放式探究，技能式学习无法培育学生核心素养。过度依赖竞赛成绩现象客观存在，导致开源硬件被窄化为夺奖工具，忽略了开源精神与工程思维的深度熏陶。
4 优化策略：构建高质量开源硬件教育生态
针对我国目前在政策落地、资源异构、实践表面化等方面的现实困境，结合全球经验，从三维框架出发提出以下优化策略。
4.1 政策导向：从“弹性引导”转向“标准引领”与“制度保障”
完善教育装备标准化体系：建议教育管理部门参考英国模式，制定开源硬件进入校园的技术指标与伦理规范，建立“白名单”机制，确保教学器材的开放性与兼容性，防止封闭式商业产品垄断校园生态。建立专项经费与公平补偿机制：将开源硬件列入中小学常态化装备采购目录，并在教育数字化转型经费中设立专项补贴，重点向中西部及农村地区倾斜，从制度层面预防因硬件成本带来的“二次数字鸿沟”。
4.2 资源供给：从“技术驱动”转向“教育逻辑”与“生态协同”
构建“校—企—研”共建共享的教育资源池：鼓励高校、科研机构与硬件企业合作，将复杂的“技术说明书”转化为符合青少年认知规律的“教学设计方案”。推动资源从单一的硬件功能演示转向基于真实问题解决的项目案例库。
推动国产开源生态的底层互操作性：利用国产技术优势，推动不同品牌硬件之间的通信协议互通、图形化编程平台的底层架构共建，降低教师在不同平台间的迁移学习成本，构建自主可控、互联互通的教育技术底座。
4.3 课堂实践：从“技能操练”转向“素养导向”的PBL教学
强化教师的工程素养与跨学科统整能力：师资培训应超越简单的软硬件操作，重点培养教师设计“真实情境”的能力。通过建立区域性的“导师团”机制，帮助信息科技教师从“编程教练”转型为“项目促进者”。
深化以工程思维为核心的评价改革：淡化对“单一硬件作品”或“竞赛奖项”的终结性评价，利用数字化手段记录学生在开源社区协作、故障排除及迭代改进中的表现，将开源精神（分享、协作、迭代）深度融入核心素养测评。
5 结语
开源硬件已逐渐演变为全球教育数字化转型中培养学生核心素养的“数字底座”，通过三维框架分析发现，中国开源硬件教育正处于从规模化普及向高质量内涵式发展的关键期。未来，我国应充分发挥体制优势与国产化技术优势，在政策保障、资源共建、实践深化三方面协同发力，构建一个更具韧性、公平且创新的教育生态。后续研究将进一步分析开源硬件在我国中小学教育中的具体应用路径，为科技教育优质均衡发展提供参考。
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
(618KB)
