近日，教育部等七部门印发了《关于加强中小学科技教育的意见》（以下简称《意见》），进一步强调“融合”与“实践”，通过跨学科整合打破学科壁垒、打牢学科基础，并将工程思维和实践能力培养提升到前所未有的战略高度
［1］。“引导学生像科学家一样思考、工程师一样实践”的育人理念，与开源硬件的教育价值高度契合。开源硬件能够真正实现科学与技术、思维探究与动手实践的深度融合，为中小学科技教育落地实施提供有力支撑。开源硬件的教学核心并非培养学生的编程能力，而是要立足国家课程体系，结合学生的知识基础，创设真实的教学情境，引导学生主动探寻问题解决的方案。在这一过程中，合理运用开源硬件及相关传感器设备，逐步践行“产品物化—优化迭代—问题解决”的完整工程路径，最终实现学生创新精神、动手实践能力以及抗挫折能力的全面培养。
1 开源硬件的教学应用场景
开源硬件及各类传感器、执行器等教育装备，在中小学教学中具有广泛的应用场景。其不仅能够为信息科技、劳动、技术与工程、人工智能等课程的教学活动提供有力支撑，助力学生掌握相关学科知识，还可应用于跨学科知识的整合，支持师生开展个性化活动。
1.1 信息科技等课程中的学习活动载体
开源硬件与信息科技、科学、技术与工程等学科关联紧密，在2025年修订版义务教育和普通高中课程标准中，多门学科进一步强调工程实践。以信息科技学科为例，新课标聚焦学生信息意识、计算思维、数字化学习与创新等核心素养的培育。在教育部发布的《义务教育信息科技课程教学指南》（以下简称《指南》）中，六年级《过程与控制》一册的核心内容涵盖系统控制、输入输出、阈值判断、自动控制等知识点，这些核心知识点均可以与开源硬件深度结合，设计出层层递进、手脑并用的探究性实验，让学生在实践中深化知识理解、提升核心素养。
聚焦六年级《过程与控制》一册，以最基础的灯光控制为实践载体，可构建完整的教学路径（
表1）。借助开源硬件（计算端），搭配光敏传感器、红外感应传感器、麦克风（输入端）及LED灯（输出端），学生可按照预设教学路径逐步完成实践操作与功能实现，在动手实践中深化对学科知识的理解，同时为后续开展各类项目化探索奠定能力基础，有效解决当前信息科技课程中实验操作环节缺失的实际问题。
此外，开源硬件还可以融入各省市推进的中小学人工智能课程体系建设中，作为数据采集、处理、模型训练和功能实现的核心终端。以“小智AI”开源项目为例，学生可通过任意搭载ESP32-S3芯片的开源硬件主控板，完成个性化人工智能学伴的搭建，该硬件成本不超过百元，性价比高、易获取。搭配摄像头或其他执行器后，可进一步实现图像识别、智能控制等实用功能，为中小学生体验、感知、应用人工智能技术提供了可操作、可落地的实践路径，有效降低了中小学人工智能教育的实施门槛。
1.2 科学类课程中的实验教学工具
开源硬件可以作为理化生学科课程实验中的数据采集工具，支持各类数字化实验。传统理科实验往往依赖肉眼观察、手工记录和简单仪器测量，存在精度不高、数据点有限、难以处理动态过程等问题，因此2025年教育部发布的高中物理、化学、生物学等学科教学装备配置标准中均列入了数字化实验教学系统（Digital Information System， DIS），但其成建制配备价格较高，部分区域、学校采购压力大。开源硬件作为一种通用的数字化工具，可通过自主设计与搭建，以更低成本将传统物理、化学等学科实验中难以捕捉的瞬时变化、微弱信号或复杂过程进行量化并可视化，进而推动教学从定性观察走向定量探究，有效提升实验教学的深度和效率。这种“DIY”数字化教具的过程本身就是一种优质的探究式学习体验，学生不再局限于简单重复验证性实验，而是基于对实验原理的深刻理解自主设计实验装备，实现从被动接受知识、重复操作，向主动意义建构、解决实际问题和开展工程实践的转变，真正达成知识与实践能力的双重提升。
以物理学科为例，利用开源硬件可以重现和深化许多经典实验。例如，在“探究单摆的摆长和周期的关系”实验中，传统方法是用秒表手动测量单摆的周期，误差较大。而利用开源硬件主控板+红外阻隔传感器，可以构建一个非接触式的自动计时装置。当摆锤经过传感器时，会阻断红外光线，接收到信号变化即可精确记录时间，从而计算出周期。这种方法不仅大大提高了测量精度，还能让学生轻松获取大量数据，用于探究摆长与周期的定量关系。
1.3 综合类课程中的跨学科融合纽带
无论是学科中的跨学科主题学习活动，还是综合实践活动课程，其核心都是打破学科壁垒，采用实践性、探究性的学习方式促进学生素养培育。该类活动及课程的落地，需要学校结合自身特色和资源，开发出具体的、可操作的校本化课程
［2］。个性化的课程设计对教育装备与教学资源提出了更高要求，而开源硬件的应用普及，为课程创新提供了有力支撑。借助开源硬件，课程可围绕大数据、自动化、物联网、人工智能、机器人等前沿科技领域展开，设计出更具时代感、挑战性的实践项目，既贴合当下科技发展趋势，又能充分满足学生的差异化创想。
以上海市真北中学“菌菇种植”特色校本课程为例，将学校建设的专业菌菇种植房与开源硬件结合打造了数据互通的智慧种植课程。课程以“如何在家里种出好看的平菇”为目标，引导学生基于开源硬件及各类传感器搭建数据观测平台并通过数据处理、设置不同实验组，探索非专业环境下可实现的平菇种植最优解，在探究过程中让学生更好地理解植物生长原理。在进阶课程中加入各类执行器，引导学生自主设计、制作自动控制的校园菌菇种植箱。通过课程优化迭代，将原有“菌菇种植”的体验课扩展为含种植体验、项目化数据探索、工程化设计制作的系列综合实践活动课程，覆盖6~8年级学生。在这个过程中，学生综合运用科学（植物生长条件）、技术（传感器与编程）、工程（系统搭建）、数学（数据分析）等多学科知识，实现科学探究思维与工程实践能力的有机融合。
1.4 个性化活动中的创意孵化器
学生社团、兴趣小组等是开源硬件在中小学的应用主阵地，时间最早、范围最广、样态最多。作为中小学“第二课堂”的重要组成部分，社团是培养学生兴趣特长、促进学生个性化发展和综合素质提升的重要窗口，在内容、形式和评价上具有更大的灵活性和自主性，能够最大限度地激发学生的主体性和内驱力。开源硬件依托海量的开源社区资源与成熟开源项目，能够为校园社团课程建设提供充足的创意来源与技术支撑。教师可依托开放资源，引导学生开展自主探究与拓展挑战。同时，开源硬件适配性强，可融入无人机、机器人、自动避障小车、人工智能等多元社团主题，全方位支撑学生的动手实践、创新探索与个性化创造，丰富课后科创活动的实施路径。
以无人机社团为例，常分为飞行控制类、航拍摄影类、设计制作类等不同方向，ESP-Drone开源项目基于ESP32系列芯片打造四轴飞行器软硬件整体解决方案，搭配MPU6050陀螺仪模块、无刷电机和螺旋桨，可用百元左右的成本实现无人机基础控制与飞行功能，学生在组装制作、程序写入过程中可以更直观地感受无人机结构与飞行控制原理。项目开源代码架构清晰易懂，结合开源硬件可扩展能力，可自行设计各类功能，搭配摄像头、超声波测距等传感器，可实现航拍、自动避障等功能，供学生自主探索
［3］。
2 现实挑战与问题剖析
虽然开源硬件在中小学具备广泛的应用场景，但其常态教学普及仍面临诸多挑战。以上海为例，截至2023年，开设开源硬件相关课程的中小学占比约为15%，超八成学校尚未接触过此类课程，开源硬件仍存在巨大发展空间
［4］。为了系统性剖析这一困境，以托马斯·史密斯
［5］的政策执行过程模型为分析框架，将开源硬件在中小学应用推广过程中面临的碎片化问题按照理想化政策、政策执行机构、目标群体以及环境因素进行梳理、归类，全面剖析各要素间的内在“张力”。
2.1 政策制定与实践落地层面的挑战（理想化政策）
从党的二十大报告对教育、科技、人才进行“三位一体”的系统部署，到近年教育部密集推出关于加强中小学“科学”“科技”教育的指导意见，可见国家正逐步构建贯通战略规划与一线教学实践的行动体系，致力于打通壁垒，引导教学内容面向科技前沿，科研资源反哺人才培养，最终形成“优质教育培育顶尖人才、顶尖人才驱动科技创新、科技创新重塑教育形态”的良性循环。但在政策落地过程中，各省市依据国家指导意见所出具的各类行动计划、工作措施、推进方案等内容仍然存在部分缺少细则和具体解决方案的问题。以“加强前沿科技成果向课程教学资源转化、利用智能装备创设学习环境”等要求为例，用什么、怎么用还需各省市针对所在地资源及区域情况给出指导意见，提供基础教学资源供基层学校选择。如果区域层面不统筹推进，辅以财政、采购等政策支持，以开源硬件为代表的新技术、新装备，只能局限于先行先试学校的“孤岛”应用，无法形成系统的规模化应用。
2.2 教育行政与学校管理层面的挑战（政策执行机构）
政策执行机构是连接政策理想与现实的关键桥梁，直接决定政策落地的效果。在开源硬件的推广过程中，从地方教育行政部门到基层学校，都面临着一系列体制机制上的挑战。
（1） 教材版本多样，区域普及不均衡。
信息科技课程作为中小学生接触开源硬件的基础课程，未能发挥普及优势。教育部的《指南》作为信息科技课程实施的“基准性”参考依据，为兼顾区域均衡，内容中缺少具体实践要求。部分地区基于《指南》延伸了人教版、浙教版、湘科版、湘教版、陕师版、清华版等多个版本教材/学习手册，部分地区则直接使用《指南》结合校本课程建设开展教学，实施路径和教学重点各有差异。人教版搭配数字资源平台及自选开源硬件实验盒灵活配置选择、浙教版依据教材独立开发了“信息科技实验板”覆盖全体学生，而部分教材和《指南》未明确开源硬件的使用，加剧了开源硬件在区域间应用中的不均衡。
（2） 硬件设施陈旧，采购与管理机制僵化。
部分学校机房等硬件设施陈旧，配置无法支撑基础编程软件的安装，受地方资产管理要求和经费限制，短时间内无法更新，制约了开源硬件等数字化教育装备的应用。开源硬件及传感器作为非传统教育装备，具有“多品类、高耗材、零散化、快迭代”的特征，可支撑学生差异化创想的各类传感器多达数百种，实际教学使用过程中往往根据实际需求将套件中主控板与传感器拆分使用，或用于学生作品展示留存等，但大部分区域将超过一定额度采购的开源硬件套件作为固定资产管理，另有部分区域会按资产管理系统将单价不超百元的开源硬件主控板列入微型计算机或芯片类目划归固定资产管理，这种“灵活需求”与“固化管理”的错位导致学校采购与应用不畅。
（3） 专业支撑岗位缺位。
中小学普遍缺少综合类实验员，无法提供必要的实践教学后勤支撑。教育数字化转型和双新课程改革对各类探究式、项目化学习活动需求越来越高，课程设计所需装备支撑愈发多样化。以“校园数字气象站”的综合实践活动课程为例，实践过程中不仅需要开源硬件及各类传感器，模型搭建还需要使用木板、雪弗板、防割手套、杜邦线、热熔胶枪、小风扇、加湿器等一系列实验器材，有时还需根据学生需求提前制作好3D打印件，其繁重的器材整备与维护工作大大加重了任课教师的备课压力。
（4） 课时保障与分配机动性不足。
课时是课程开展的基础保障，也是中小学教育中的“稀缺资源”。基于开源硬件的项目式学习活动具备工程属性，课程设计往往兼顾知识讲解、小组交流、动手实践等环节，单一课时时间很难支撑学生连续、深入思考与探究。因此，很多教师呼吁可以“连堂”授课以加强课程实施的连贯性，但大部分学校受课时限制、课程安排、考试类科目倾斜等因素制约，无法支撑探究式活动课时灵活分配与冗余保障。
2.3 教师与学生层面的挑战（目标群体）
目标群体作为政策落地的终端执行者，其行动意愿与实践能力，直接决定政策实施的细化程度与落地实效。现阶段，目标群体普遍面临三重现实困境：技术应用门槛偏高、专业教研支撑不足、评价激励机制缺失，多重因素共同制约着政策的常态化推进与高质量落实。
（1） 技术门槛致使教师不会用、不敢用、不想用。
上海市中小学开源硬件应用情况调研问卷的数据反馈，有71.32%的教师未开设开源硬件相关课程的原因是认为开源硬件入门难度高，存在心理认知门槛。与“傻瓜式”教育产品不同，开源硬件教学具有显著的跨学科工程属性，需要一定的电子与编程能力基础。在实际推进过程中，完全没有开源硬件基础的教师面临技术入门、课程设计与选型、学生需求解决三大阶段性难点。一是技术入门往往依靠复刻开源社区经典项目的功能实现，不具备灵活应用于教学的进阶能力；二是开源硬件过于开放的可拓展性对教师课程设计与设备选型造成压力，实践过程中会遇到传感器未封装图形化库、设备电压不匹配、固件冲突、端口占用等差异化问题，对课程设计与实施造成困难；三是教学过程中引导学生开放性思维所产生的各类需求与技术问题，新入门教师无法在课堂上及时解决，影响教学进度与秩序。三者叠加后，部分教师可能出于防御性心理，退回到确定性更强的编程教学或理论讲授，而更大一部分教师在繁重的教学任务下，不愿意投入额外的时间和精力去学习。
（2） 教师培训体系缺位。
当前的开源硬件师资培训体系存在严重的“供需错配”与“实效性匮乏”。一是培训内容“说明书化”，现有教师培训多由硬件厂商或技术支持方主导，内容往往局限于特定产品的操作演示与功能堆砌，缺乏对项目式学习设计、工程思维引导、课堂突发状况应对等核心教学法知识的传授，且教师在培训现场的理想环境下能完成案例，但回到学校在面对复杂的真实网络环境与参差不齐的设备条件时，往往无法实现技能迁移；二是研训模式“不可持续性”，培训多采用集中讲座或半天工作坊形式，缺乏长周期的伴随式指导与进阶式课程体系，培训结束后无社群支持，学用断层无法将培训转化为教学生产力；三是参培教师覆盖面小，开源硬件的培训往往集中在信息科技教师群体，其他学科教师没有参培通道。
（3） 评价机制缺失削弱尝试动机。
在评价方面教师与学生均面临“素质导向”的教学活动与“分数导向”的考核体系脱节的核心矛盾，评价机制缺失使大部分教师和学生对开源硬件等科技类课程缺乏内生动力。对教师而言，一是在教师绩效评价中，教师指导学生进行项目探索的过程性价值难以衡量；二是评价指标呈现“竞技化偏好”，教育资源向少数“尖子生”倾斜，忽视教师在日常教学中普惠性培养学生的劳动价值；三是职称晋升通道不畅，教师的跨学科教学、社团指导、项目开发等经历，往往难以找到对应的积分项。对学生而言，一是现行评价体系无法准确评判学生素养；二是科技教育出口单一，在升学体系中仅与“综合素质评价”关联，但其中科技素养的评价指标模糊、同质化且区分度低。
2.4 家庭与社会环境层面的挑战（环境因素）
家庭是教育政策执行的隐性终端，社会认知和区域发展则是政策落地的物理基础。当前，家庭认知的“围堵”与城乡资源的“断裂”共同构成制约开源硬件应用的关键外部环境变量。
（1） 家庭认知的功利化博弈。
开源硬件的推广不仅需要教育系统的内部努力，也需要得到家长和社会的广泛认同。部分家长对学校加大非考试类科目的教学力度持怀疑甚至反对态度，拒绝学生在家自主延伸学校项目化课程的探索。从校外教育维度看，家长更重视学生“特长”的培养，对于科技类教育的重视程度远不如体育类、艺术类。在广元市教育局2025年《校外培训情况调查》问卷数据中，学科课程培训占比超80%、体育类占比6.19%、艺术类占比9.18%，而科学类占比仅2.49%
［6］。窥一斑而知全豹，中小学科技教育的社会认同亟待加强。
（2） 城乡与地区间资源配置差异显著。
对比传统科技教育装备，开源硬件的经济性为其推广、复制提供了良好基础，在应用层面一些乡村学校甚至走在了一线城市学校的前面，但宏观角度城乡与区域间的资源差异仍客观存在，欠发达地区及农村地区不仅面临学校经费不足的硬约束，更面临严峻的认知鸿沟。国家政策层面推动每所小学至少有1名具有理工类背景的硕士学位科学教师，但实际执行过程像空中楼阁难以落地，数学老师兼任物理、科学学科教师的例子并不在少数，有些区域没有可用的教育装备供学生探索，有的区域则是配备后教师不会使用而束之高阁。
（3） 企业产品与生态支撑不足。
开源硬件相关企业是连通技术与教育的关键第三方，当下供给生态存在四大痛点：一是“重硬件销售，轻课程研发”的供给失衡，因硬件利润显性且周期短，企业往往热衷于硬件产品的迭代与销售，与之配套的课程体系、教学设计、课程资源、评价量表等“软资源”的研发被长期忽视，抬高了教师的使用门槛；二是“重商业扩展，轻开源精神”，部分企业为了构建商业护城河，存在各自打造不同编程平台、设计限制性套件等问题，开放度大打折扣；三是“重技术路径，轻教育视角”，未能及时了解、解决教育一线的痛点需求，教师因选型困难等问题直接限制了开源硬件的使用；四是售后技术支撑缺失，大部分学校通过网络或零售渠道购买产品缺少技术支撑渠道，教师在实践过程中遇到问题无法直接获得技术帮助。
3 张力分析与路径优化
基于理想化政策、执行机构、目标群体及环境因素四个维度的现实分析，可以看出开源硬件在中小学的推广应用是一个多要素互动的复杂政策执行系统。根据史密斯模型，进一步分析各要素之间张力的生成逻辑，并提出可能的对策。
3.1 政策执行的结构性张力分析
在开源硬件教育应用的推广过程中，四个核心要素之间因目标、能力、制度与文化的差异，形成了四组显著的张力，导致政策在执行中发生形变、阻滞甚至空转。
一是理想化政策与执行机构的“体制摩擦”。政策层面鼓励利用智能装备创设新型学习环境、配置专业教师支撑，然而作为执行机构的地方政府与学校，内部管理需要遵循严格的财政与人事制度，致使“创新导向”的政策意图与“避险导向”的管理体制发生摩擦，使其陷入“买得起昂贵整机，用不起廉价耗材”的怪圈。二是高期待与低胜任力的断层。理想化的育人期待要求教师具备跨学科融合、工程思维引导及复杂项目设计的高阶能力，但现实中教师普遍存在畏难情绪重、知识结构缺位的问题，这种能力落差，以及“伴随式”培训和教学支架的缺失，使创新思维培养目标在落地“最后一公里”时存在难度。三是目标群体与环境因素的“价值冲突”。师生虽然在认知层面认可科技教育的价值，但在现行评价指挥棒下，环境因素的负向反馈迫使师生做出理性的退缩选择，导致开源硬件课程难以进入常态化课表，多以社团或竞赛辅导的形式边缘化存在，难以惠及全体学生。四是商业逻辑与教育规律的脱节。学校急需与教材配套的课程资源、低门槛的教学支架以及持续的售后服务，而企业提供的产品与服务无法精准匹配需求侧的痛点，导致因缺乏课程支撑或售后维护而闲置等问题。这种供需错配加剧了学校的试错成本，削弱了学校持续投入的信心。
3.2 优化路径与对策建议
为了消解上述结构性张力，推动开源硬件常态应用，必须坚持系统观念，从政策工具、师资赋能、机制改革与生态重塑四个维度协同发力。
（1） 完善政策指导，精准施策。
一是细化执行标准与资源供给。由教育主管部门牵头，依据新课标要求，分学段、分层次制定《中小学开源硬件装备配置指南》；摸排市场共性问题，制定具备行业共识的《中小学开源硬件技术规范》的行业标准，打破屏障、拥抱“开源”，建立动态更新机制。同时，统筹建设区域性开源硬件课程资源库，提供与主流教材配套的“脚手架”式教学资源，解决“用什么、怎么教”的难题。二是保障政策均衡落地。综合类实验员、理工类背景科学教师等需求在国家政策指导文件中均有体现，但实际落地还需明确岗位设置、职称评定量化指标等体系保障，加强对乡村学校教师和资源配置的倾斜等，保障政策实施不走偏，避免把责任层层转嫁给基层教师的问题出现。
（2） 构建“技术+教法”研训模式，赋能师资。
一是重构研训模式，改变由厂商主导的说明书式培训，转向由教研部门主导的“PBL项目式教学法+硬件技术”双螺旋培训，重点提升教师整合技术进行教学设计的能力。二是建立跨学科教研共同体，鼓励学校内部成立由信息、科学、物理、美术等学科教师组成的跨学科项目组，分担技术压力。三是强化名师工作室、学科带头人的头雁效应，组织学科教师分享经验，加强课程研讨与技术共建共享。四是探索“AI+教师”的“新双师”模式，GenAI普遍具备强编程能力，可以解决大部分中小学师生遇到的技术类问题，依托智能体技术开发适用于开源硬件强技术属性课程的辅助工具，解决面对学生差异化创想与需求的师资不足问题。
（3） 革新供给与管理模式，重构装备服务生态。
一是推动采购重心向服务转型，在采购硬件的同时，打包购买第三方的课程资源、入校助教服务及耗材无忧服务（包含定期分拣、维护、补充），将教师从繁杂的器材管理中解放出来。二是形成资产分类管理机制，允许一定比例的器材损耗与报废，简化低值易耗品的报销流程，避免“资产盘点拆除作品”的尴尬。
（4） 重塑支持环境，消除外部阻力。
一是实施增值性与过程性评价，将科技素养评价纳入综合素质评价体系，并提高其区分度与参考权重。二是建立教师激励补偿机制，明确将指导学生进行开源硬件创作、社团活动等计入教师标准工作量，并在职称评聘、评优评先中设立“科技教育”专项通道，解决教师内驱力不足的问题。三是构建家校社协同育人共识，通过“校园科技节”“家庭创客日”等活动，邀请家长参与学生的项目展示，直观感受科技教育对学生逻辑思维与自信心的提升。四是加大对农村地区科技教育的经费倾斜，利用“流动科技馆”“一米博物馆”等形式弥合区域鸿沟。
4 结语
开源硬件在中小学的常态化应用本质上是一场涉及教育观念更新、管理制度变革与教学模式重构的系统工程。当前面临的种种碎片化问题，实则是政策执行系统内部要素间张力的外化表现，唯有正视并通过政策工具的精准化、师资赋能的专业化、管理模式的服务化以及评价体系的多元化，实现各要素的协同耦合，才能真正破除阻滞，让开源硬件成为培育新时代中小学生创新素养的坚实基石。未来发展的核心命题，是如何通过制度设计让硬件更普惠、课程更系统、教师更专业，最终使每一位学生都能在创造中学习，在协作中成长——这正是开源精神赋予教育的深远意义。
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)
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