在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》
［1］中，创新被置于我国现代化建设全局中的核心地位。开源硬件作为推动创新教育的重要工具，已成为国家数字经济发展战略中的重要组成部分。《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》强调，要培养学生的创新意识和创造能力
［2］；《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》
［3］也明确提出要培养学生的“数字化创新素养”，使学生能够在日常学习和生活中运用信息技术创造性解决问题。随着人工智能和信息技术的飞速发展，学生创造力的培养已经成为信息科技教育的核心任务之一。
笔者以开源硬件
［4］项目为载体，通过设计智能家居创新实践活动，探索一种培养学生创造力的有效途径。3年来，研究选用掌控板作为教学工具，设计了一系列递进式的创新实践活动，经历了模式构建（2022）、真实情境强化（2023）和项目体系完善（2024）3个阶段的持续优化。通过这种方式，不仅提高了学生的技术应用能力，更重要的是培养了学生的创造性思维和创新实践能力。
1 信息科技学科中创新能力培养的现实困境
1.1 教学模式局限性
目前，信息科技教学普遍存在重知识讲解、轻实践探索的现象。教师往往采用传统的讲授式教学方法，学生主要是被动接受知识，缺乏主动探索和创新的机会。过分强调标准答案和固定流程，限制了学生的创造性思维发展。
1.2 实践环节设计不足
虽然课程标准强调实践能力培养，但在实际教学中受限于课时、设备等因素，实践环节往往流于形式。很多实践活动都是按部就班地完成既定任务，缺乏开放性和探索性，难以激发学生的创新思维。
1.3 评价体系的制约
现有的评价体系过分注重结果评价，对学生的创新过程和思维发展关注不够。标准化的评价方式难以全面反映学生的创造力水平，也在某种程度上抑制了学生的创新积极性。
2 基于开源硬件项目的学生创新能力培养策略
2.1 创设问题情境，激发创新思维
创新思维的培养离不开真实的问题情境。在信息科技教育中，问题情境的创设应着重体现3个维度：现实性、开放性和挑战性。现实性要求问题源于学生真实生活体验，激发内在解决动机；开放性强调多解性特征，避免思维定式；挑战性需把握认知跨越的适宜度，确保问题难度处于最近发展区内。在具体的教学设计中，应遵循3个关键原则：选择具有社会价值的实践主题，培养学生社会责任感；构建层次化问题链，实现由浅入深的认知引导；预留充分探索空间，鼓励多样化解决方案的生成。
通过这样的问题情境创设，不仅能激发学生的创新动机，也能培养其发现问题、分析问题和解决问题的能力。在开源硬件项目的教学中
［5］，这种基于真实情境的问题导向尤为重要，它能够帮助学生建立技术与生活的联系，理解创新的价值和意义。
（1） 策略应用案例。
在智能温控系统的教学中，教师首先通过播放一段老人在炎热天气独自生活的视频材料，引出“张爷爷因为腿脚不便，难以随时调节空调和风扇”这一具体问题情境。接着，教师组织学生以“帮助老人解决温控问题”为主题展开讨论，学生结合自己的生活经验，提出了诸如“老人行动不便容易中暑”“独居老人缺乏照顾”等实际问题。在此基础上，教师引导学生思考技术解决方案，通过“如何让老人不用频繁走动就能调节温度”“温度过高时如何及时提醒”等问题，促使学生思考自动控制、远程操作等可能性。在方案讨论阶段，一些学生提出可以用温度传感器自动检测，有的想到了用手机远程控制，还有学生考虑到可以添加语音控制功能方便老人使用。教师对每个想法都应给予积极回应，并通过“这个方案可能遇到什么困难”“还能如何改进”等问题促使学生进一步思考。
（2） 设计意图。
本环节的设计从真实的生活场景出发，通过老年人需求这一具体问题情境，既能激发学生的同理心，又能调动其解决问题的积极性。通过开放性的问题设计，让学生有充分的思考和创新空间，避免思维定式。同时，赋予技术学习的社会价值，使学生能够认识到创新不仅是技术层面的突破，更是服务他人、改善社会的重要手段，从而提升学习的意义感和价值感。
2.2 发挥硬件优势，拓展创新空间
开源硬件平台作为创新教育的重要工具，其最显著的特点在于模块化、可扩展性和互操作性。这些特性为学生的创新实践提供了广阔的探索空间。其中，模块化设计支持功能单元的灵活组合；可扩展性允许系统功能的动态增强；互操作性保障模块间的兼容协同。
在开源硬件教学中，教师需关注3个关键环节：引导学生深入理解各类传感器模块的工作原理与应用特性；帮助学生掌握模块组合的方法与多模块协同工作的机制；支持学生进行创造性应用探索，将模块整合应用于真实问题解决
［6-7］。这种基于开源硬件特性的教学设计，能够有效拓展学生的创新思维空间，提升其技术应用能力。
（1） 策略应用案例。
在智能温控系统项目的教学中，教师展示了一系列可用的传感器模块，包括人体感应传感器、光线传感器等，并通过实物演示让学生了解各种传感器的基本功能。学生发现DHT11不仅能测温度，还能测湿度，由此产生了制作温湿度预警器的想法；另一位同学尝试将人体感应器与温控系统结合，提出了“人来才开启”的节能方案。在功能设计环节，学生开始尝试不同传感器的组合应用。一个小组选择将温度传感器与LED显示屏结合，实现温度数据的可视化显示；另一个小组则创造性地添加了蜂鸣器，当温度超过设定阈值时自动报警。在系统优化阶段，有的小组还进一步整合了语音模块，实现了语音播报温度的功能，使产品更适合老年人使用。
（2） 设计意图。
案例充分利用了开源硬件模块化特性，通过自主选择与探索过程，培养学生的系统思维与实践能力，实现从技术模仿到创新设计的认知跃迁，拓展技术视野与创新思路。通过多样化的传感器应用，学生能够深入理解技术原理，并在此基础上进行创新设计，实现从“模仿”到“创新”的转变。
2.3 实施合作学习，共促创新提升
合作学习是培养创新能力的重要方式，通过同伴互助、经验分享，学生能够在交流中获得新的灵感。教师要设计合理的合作学习机制，促进学生间的有效互动和共同提高。
（1） 策略应用案例。
在智能温控系统的课程实践中，采用“学习共同体”模式，组建能力互补的2~3人小组，实施角色轮换制度（硬件工程师、软件工程师、质检工程师），确保全面参与。在实践过程中，笔者发现一位对编程特别擅长的学生会主动帮助组内其他成员理解程序逻辑；而另一位动手能力强的学生则在硬件连接方面提供指导。通过“创新分享会”平台，各组展示项目进展与技术创新点，形成思维碰撞与方案传播的良性循环，推动整体创新水平提升。
（2） 设计意图。
通过角色轮换实现学生全面发展，借助组间交流激发创新思维火花。该策略不仅培养沟通能力与团队意识，更通过相互启发营造良性创新氛围，实现个体与集体创新能力的协同增长。
2.4 构建开放评价，引导持续创新
创新能力评价需突破传统单一模式，建立具备过程性、多维性与发展性特征的开放评价体系。过程性关注创新思维发展轨迹；多维性体现评价标准的多元化；发展性注重学生进步与成长。在开源硬件项目中，需要重点考虑以下几个方面：创新能力评价需突破传统单一模式，建立具备过程性、多维性与发展性特征的开放评价体系；过程性关注创新思维发展轨迹；多维性体现评价标准的多元化；发展性注重学生进步与成长。
（1） 案例实施。
在评价环节的实施中，笔者建立了以创新促进为导向的多元评价机制。每个学生都有一本“创意日志”，记录自己的创意灵感和改进过程。比如有位学生最初只实现了简单的温度控制功能，在日志中记录了自己是如何逐步增加温度预警、远程监控等功能的过程。在项目进行期间，开展“创新成果展示会”，学生不仅要展示作品的功能，更要讲述自己的创新点和改进历程。建立重视解决问题创新性思维的多元评价标准，实现从功能完成到持续改进的评价导向转变。例如，一个看似简单但解决了实际问题的设计，可能获得比复杂功能更高的评价。这种评价方式极大地激发了学生的创新积极性，他们不再满足于完成基本功能，而是不断思考如何做得更好。
（2） 设计意图。
该策略突破传统评价局限，构建过程导向的激励机制。通过开放性评价标准认可多样化创新成果，培养学生精益求精的创新精神，在客观反映创新能力的同时又能有效激励持续创新行为。
3 教学实践效果与反思
3.1 基于开源硬件项目的创新教学实践效果
（1） 数据分析。
课题组采用前后测设计对参与开源硬件项目教学的学生进行了系统评估，结果见
表1。评估指标涵盖了兴趣/满意度、态度/自我效能、真实问题解决能力、科学知识、工程能力、发散思维、独创性、有效性、精致度等9个维度，全面检验开源硬件项目对学生创新能力培养的实际效果。
为直观展示教学实践效果，选取5个关键维度构建雷达图（
图1），清晰呈现前后测的变化情况。实线代表后测数据，虚线代表前测数据。5个维度均有不同程度的提升，其中科学知识和工程能力的增长最为显著，这表明开源硬件项目在提升学生STEM相关能力方面的教学优势。特别是在科学知识维度，前测均值为3.00，后测提升至3.73，提升显著（
p<0.001）；工程能力从前测3.12提升至后测3.76（
p=0.009）。兴趣/满意度维度虽然前测已处于较高水平（4.25），后测仍有所提升（4.59），接近显著水平（
p=0.057）。
（2） 研究结果分析。
数据显示，开源硬件项目教学实践对学生的能力发展产生了多方面积极影响。其中最显著的是精致度、独创性和科学知识3个维度（p<0.001），其效应量分别达到了3.07、2.10和0.94，表明学生在作品质量把控、创新思维和科学概念理解方面获得了显著提升。工程能力和发散思维也有明显进步（p<0.05），效应量分别为0.61和0.49，反映了学生在解决问题和多角度思考能力上的积极变化。兴趣/满意度虽接近显著水平（p=0.057），但仍从前测4.25提升至后测4.59，表明开源硬件项目有助于激发学生的学习热情。而态度自我效能、真实问题解决能力和有效性虽未达到统计学显著差异，但除有效性外均呈现积极变化趋势。
（3） 实践效果与结论。
在创新意识方面，学生从最初的“照葫芦画瓢”逐步转变为主动思考、大胆创新。例如，在智能家居项目中，多个小组在基础功能之外都加入了自己的创意设计：有的组合使用多种传感器实现了温湿度联合控制，有的整合了语音模块来满足老年人的使用需求，这些都体现了学生创新思维的显著提升。在技术应用能力方面，通过开源硬件项目的实践，学生不仅掌握了基本的编程技能和硬件操作能力，更重要的是培养了系统思维和问题解决能力。观察发现，到学期末，85%的学生能够独立完成基础的程序编写和硬件连接，70%的学生能够根据实际需求选择合适的传感器模块并加以创新应用。在合作学习方面，开放的学习环境促进了创新思维的碰撞与融合。学生通过小组协作，不仅分享了技术经验，更在思维火花的碰撞中产生了许多创新想法。例如，有的小组在交流讨论中，将原本单一的温度控制系统升级为全方位的环境监测系统，这种创新正是源于团队成员的思维互补与启发。
3.2 实践反思与改进方向
通过对实践效果的分析与反思，我们认识到基于开源硬件项目的创新教学虽然在多个维度取得了显著成效，但依然存在一些需要改进的方面。针对真实问题解决能力、态度自我效能和有效性3个维度未达到显著提升的问题，我们在2023~2024学年进行了持续的实践优化。
（1） 近两年的实践优化历程。
2023年春季学期，我们重点针对问题情境的真实性进行了改进。引入了智能家居控制、环境监测等真实应用场景，让学生参与解决实际生产生活中的问题。2024年秋季学期，我们进一步优化了项目难度梯度设置，建立了“基础模块—进阶应用—创新设计”的三级项目体系。
（2） 基于本校学情的针对性改进。
结合本校学生的实际情况分析（如前文所述，笔者所在学校学生整体动手能力较强，但理论基础相对薄弱，且学生之间存在较大的能力差异），笔者采取了以下改进措施。在问题情境设计上，我们增强了项目的真实性和复杂性。例如，2024年春季学期引入的“智慧菜园监测系统”项目，要求学生综合运用传感器技术、数据分析和自动控制等知识，解决校园小菜园生产中的实际问题。这类贴近生活、具有实用价值的项目，有效提升了学生解决真实问题的动机和能力。在教学实施层面，针对部分学生基础知识欠缺却盲目追求创新的问题，笔者建立了“知识铺垫—技能训练—创新实践”的递进式教学模式。在每个创新项目开始前，增加了2~3课时的基础知识专题讲解和技能训练，确保学生具备必要的知识储备。同时，我们强调创新必须建立在扎实的基础之上，引导学生从改进现有设计开始，逐步过渡到独立创新。
（3） 评价机制的完善。
在评价体系方面，我们在2024年建立了更加细化的创新评价标准，包括：创新独特性（30%）、技术实现度（25%）、实用价值（25%）、文档规范性（10%）、团队协作（10%）5个维度。同时引入了学生互评和专家评价，使评价更加客观全面。
4 结语
通过近两年的持续改进和优化，虽然在某些维度上的提升效果仍不够显著，但我们已经找到了问题的症结所在，并形成了较为成熟的改进方案。未来，我们将继续深化教学改革，特别是在真实问题解决能力培养和个性化教学支持方面加大投入，为不同层次学生的创新发展提供更有针对性的支持。
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
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