刘 骥 赵悦冉 姬雨禾

（陕西师范大学 教育学部，陕西 西安 710062）

中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》中明确提出推进教育现代化、建设教育强国的重要任务，而致力于融合多学科视角、培育综合创新素养、孵化创新型人才的创客编程教育是重要的落实载体之一。然而，近年随着创客编程教育发展愈发蓬勃，有学者担心注重前沿创新的互联网信息化教学模式以及对数字设备的依赖将显化原有教育资源分布不均所带来的教育公平问题，并在一定程度上加深学习成本分层现象，进而抑制创客编程学习品质的提升、阻碍教育教学活动发挥社会公平调节器的功能。[1]特别是传统创客编程教育所需的新型数字化硬件往往设备成本高昂，在很大程度上加深了阶层、地域、校际硬件资源分布不均问题，使硬件门槛通过教学情境外显为一道严重影响教育公平的“数字鸿沟”。在这样的现实下，若要更广泛地普及创客编程教育、使更多人受惠，就必须开发一种价格低廉、小巧便携、功能多样、开放互动的微型计算设备，而树莓派（Raspberry Pi）以其独特的设计理念，成为一种具有潜力、弥合创客编程教育领域数字鸿沟的新型低成本硬件。

一、低成本硬件与创客编程教育的共生潜力

（一）创客编程教育的高成本普及化制约

创客编程教育的词源是英语单词“Maker”，该词原指手工艺创造者。[2]这说明创客编程教育在本源上是一种兼具草根情怀与动手创新能力的教育形式。但有学者在实践观察中开始忧虑创客编程教育正趋于狭隘化、商业化，正逐步演变成一种大城市精英学校所批量设立且脱离普通学生的额外教育负担。[3]事实上，创客编程教育作为STEM 教育大类下的重要教学创新实践，本应注意教育教学过程中所隐含的教育公平问题，特别是那些由学生家庭背景和社会地位所致的学习基础、学习资源、学习结果差异问题。[4]例如，有学者认为我国现阶段STEM 教育发展的重要议题之一是如何在区域发展不均衡、城乡二元结构突出的现实基础上有所作为。[5]而聚焦于创客编程教育的相关国内外研究，学者却发现当前有关创客编程教育的教育教学实践大多集中于教育资源本已优越的经济发达地区，缺乏对教育公平与弱势学生群体的关注，由此可见，真正提倡包容型教学的创客空间还未出现。[6]

在全球范围内，教育公平无疑已成为教育发展的共性与共鸣问题，因此，提倡公平导向的创客编程教育模式显得更为重要。[7]自2016 年以来，中共中央、国务院在2016 年5 月发布的《国家创新驱动发展战略纲要》，教育部2016 年6 月发布的《教育信息化“十三五”规划》，以及中央网络安全和信息化委员会2021 年12 月印发的《“十四五”国家信息化规划》等文件中针对基础设施、数字资源、教学变革等方面做出了教育信息化发展的具体部署，曾多次提出推动创客编程教育进校园、保障弱势群体获得优质教育的权利等要求，但创客编程教育推广与普及所面临的重要现实制约之一是其高昂的课程开展成本。[8]在实践中，创客空间等教学场境的搭建成本高昂，有学者认为经费问题是直接制约创客编程教育在校园落地的根本性问题。[9]特别是在现有教育信息化经费的现状下，往往仅有那些东南沿海发达地区或内陆省会城市的重点学校具备开设创客编程教育课程的硬件条件。[10]在许多欠发达地区和内陆城市，虽然有学校尝试开展创客编程教育探索，但是也往往因为硬件不具备、经费不足而无法开展或难以为继。[11]更为重要的是，由于课程开展对硬件和空间的要求较高，技术工具、软件资源、素材资源的开发与整合也趋于精英化，因此导致创客编程教育的普及化、普适化速率放缓。由此可见，虽然创客编程教育的新理念、新工具、新方法得到了政府与学界的广泛关注，但是在实际发挥人才培养潜能方面，成本成为制约因素。

（二）树莓派的低成本普及化潜力

树莓派计划（Raspberry Pi Project）是由剑桥大学研究团队发起、树莓派基金会提供资金支持的一项基于硬件创新的开源式非盈利项目。该计划的研发初衷是希望通过低价硬件来推动学校的基础计算学科教育、缩小数字教育差距。[12]截至2019 年2 月树莓派计划实施7 周年时，树莓派在全球的销量已经突破了3000 万套。[13]树莓派的迅速普及与其自身特点密不可分。一是树莓派自身产品性能强大、价格低廉，而且其产品系统也在不断升级。相比售价约200 美元的One Laptop Per Child 等廉价便携计算机，树莓派的价格门槛对于教育机构和非营利组织来说更亲民。[14]例如，印度专为解决盲人受教育困难而基于树莓派开发的盲文阅读器Mudra Dicta-Teacher，成本仅为传统盲文阅读器的1/40。[15]二是树莓派拥有强大的创客社群。在创客社群知识共享理念的推动下，学习者能够从使用者的角度出发，通过产品的共同开发、体验，充分挖掘树莓派的多应用场景。[16]例如，树莓派代码俱乐部与全球教育工作者和社区志愿者合作，通过提供免费的在线资源和项目，帮助各地的年轻人学习编码和数字制作。[17]

自初代上市至今，树莓派单片机已有8 年的发展历程，由第一代ZERO 版迭代至第四代4B版，功能不断增强，性能不断优化，如表1 所示。在基础处理能力方面，树莓派的中央处理器（CPU）已由单核发展到四核，内存由256MB 提升至8GB。在影像处理能力方面，4B 型树莓派使用500MHz VideoCore VI，这种全新的架构允许它以4K（60帧每秒）的高清速率输出至双microHDMI 端口。

表1 树莓派产品性能对比表

在普惠定价模式上，树莓派追求最低定价与非营利原则，以降低普通家庭与薄弱学校的相关硬件费用负担为主要目标，从初代至最新的第四代设备始终维持在35 美元（约合人民币230元）。树莓派不仅价格远低于市场上常见的微型计算机设备，而且功能上满足绝大多数创客与编程教育的教学需求，具有突出的低成本普及化潜力。[18]在核心设计理念上，树莓派追求小巧便携性，仅有一张信用卡大小，重量约为台式电脑的1/800，约为笔记本电脑的1/60，旨在帮助创客根据个性化需求随时随地进行移动式学习，同时方便嵌入可移动设备、移动式机器人等进行多方面拓展应用。[19]最新的第四代4B 型树莓派长宽高尺寸分别为85.60mm×56mm×21mm（见图1），重量仅200 克。在功能多样性上，树莓派可以通过不同的接口允许用户附加和控制外部设备，例如接入红外探头与人像识别等多种硬件设备。[20]第四代4B 型树莓派共有七种外接端口，分别是3.5mm、40PIN GPIO、CSI、DSI、USB Type-C、USB 3.0/2.0、Micro HDMI。4B 型树莓派新增支持蓝牙5.0 制式、支持两个USB 外接口同时使用，极大地丰富了扩展功能。[21]

图1 树莓派4B 硬件结构示意

二、树莓派在创客编程教育中的前沿应用

树莓派与创客编程教育在国际上已有了广泛的应用尝试。例如，韩国的科研人员基于树莓派进行了单向局部车号识别系统研究，实现网络分离情境下的交通安全；[22]在英国，科研人员研发了基于树莓派的3D 激光扫描建模仪，极大地降低了3D 打印的成本；[23]除此之外，树莓派基金会每年都会举办年度技术展，使来自世界各地的青少年都能分享创造性的想法。2021 年的展示会于网络上举行，展出了550 多个项目，充分体现了青少年的创新能力。[24]在众多应用尝试中，最值得一提的就是欧洲宇航局与树莓派基金会合作举办的创客大赛。欧洲宇航局（European Space Agency，简称ESA）自2015 年开始与树莓派基金会合作，通过定期开展各式各样的航天创客大赛培养学生对航空航天的学习热情。

例如，为了促进欧洲知识性社会的发展、提高青少年的科学文化思维和辩证思维，欧洲宇航局于2017 年启动欧洲“星际派”（Astro Pi）挑战赛。据欧洲宇航局介绍，“星际派”是一项有关科学和编码的年度竞赛，在该竞赛中，由学生编写的代码最终会在国际空间站（International Space Station）上运行。该挑战赛设置了两个不同的任务以供参赛选手选择参加，一个是初学任务“零计划”（Mission Zero），另一个是进阶任务“空间任务实验室”（Mission Space Lab），为青少年提供了更多的机会，有效地扩大了该挑战赛的参与范围，以期实现弥合数字鸿沟、全民参与创新创客的最终目的。[25]“星际派”挑战赛主要有两个层面的内容。

其一是难度系数较低，以编程兴趣普及为主要教育目标的零计划。主要向14 岁以下的青少年开放，旨在通过让青少年在太空中运行自己的项目，培养他们对编程、太空的兴趣，吸引更多的青少年投入到科研工作中去。为支持该比赛的运行，树莓派基金会全面完成星际派参赛模拟器的开发，并升级相关设备，实现参赛团队无需任何特殊设备即可参与比赛的最佳效果。在具体参赛过程中，参与零计划的选手必须遵循由星际派挑战赛组织方和国际空间站提供的参数进行编码，若符合这些参数，他们编写的程序将于计划时间内发送到空间站。欧洲宇航局将会给空间站运行程序的编写选手发放证书，在证书上标明程序到达空间站的确切日期和时间。该比赛能有效提高选手的参与感和获得感，提升欧洲年轻人对编程的兴趣。

其二是难度系数较高，且专业性、科研性更强的空间任务实验室。该项目是欧洲宇航局于2016 年举办的挑战赛的延伸，以鼓励尝试探索为原则，实现教育学习、提高整个欧洲的参与度为目的，通过星际派挑战赛进行地球观测实验。在具体比赛过程中，欧洲宇航局根据参赛团队的实验想法、代码质量和项目可行性来选择项目，并将选定的程序在地面上进行3 个小时的测试，以确保实验在国际空间站的正常运行。选定的实验被部署到国际空间站后，小组收到国际空间站提供的数据并撰写分析报告，由欧洲宇航局与树莓派基金会的星际派挑战赛组委会专家进行评判，选出10 名优胜者选手，给予他们参加欧洲宇航局宇航员研讨会的机会。该比赛激励参赛团队努力创新、力争上游，极大地激发参赛人员的科学实践能力。[26]

截至2020 年，树莓派计划与欧洲宇航局合作的创客编程教育，总共惠及25 个国家及地区超过17000 名成员。[27]在比赛正式进行之前，零计划的预期效果是启发14 岁以下少年儿童提升基本编程技能；在比赛过程中，2506 个小组的5412名成员提交了参赛作品，展现他们对编程技能的掌握情况，实现幼儿编程由视觉编程向实操编程的转换，极大超出零计划的预期目标。欧洲宇航局希望零计划的参赛者能在此次过程中受到启发，提高自身的技术能力，并在未来几年参与到空间任务实验室中去。[28]此外，通过实现编程在真实场景中的部署和运行，空间任务实验室广泛地提升年轻人学习编程和科学技术的兴趣，促进欧洲青年人科学技能的提高。参赛作品的主题丰富多样，涉及具体的科学概念和规划方法，充分展现青少年的技能，体现出青少年先进和创新的思想。

除了在航天领域的创客编程教育实践外，树莓派还常用于基于校园场景的创客项目。例如，有学生团队将树莓派应用于校园智能安防系统，设计基于树莓派硬件基础的人脸识别门禁系统，通过在教室、实验室等场景门口处的安装，来实现对出入人员身份的识别。[29]此外，还有团队利用树莓派作为基础硬件搭建网络站点，建立学生物理薄弱知识点数据库，进行物理薄弱知识点分析，并开展针对性课后习题练习。[30]树莓派还可以应用于校园图书馆智能机器人设计，特别是利用树莓派轻巧便携的特点，搭建以树莓派为核心的图书快速分拣机器人，实现瞬时识别、精准分类、循迹分拣、超声避障等功能。[31]综上，树莓派能够在多种教学场景中发挥作用，充分表明其功能具有完备性、开放性、延展性等诸多特征，并以其低廉的价格打破教育不公平现象，实现优秀教育资源的普及。

三、基于树莓派的创客教学探索

作为创客的源动力，创新意识的培养是关键，也是节点，但传统教育往往更注重基础知识、基本技能如何转化为优异的成绩，而对知识和技能的应用与创新关注不够。然而，创客编程教育带领学生通过项目式学习，经历发现实际问题、设计项目方案、完成项目实施及评价的过程，实现小的改造甚至发明创造。特别是在当今社会，文化回应式计算（Culturally Responsive Computing，简称CRC）在将计算思维与文化习俗相结合下具备弥合数字鸿沟、提高学业成就、促进社会包容型发展的重要潜力。[32]在这方面，基于低成本硬件推广的文化回应式计算是树莓派在教育教学中的重要应用贡献之一，有助于挖掘创客编程教育的教育公平内涵并实现创客编程教育的普及。虽然在以往的文献中，不乏树莓派的技术应用案例，但是，目前树莓派的具体教学示例还较为有限，未能形成可以推广的教学方法和教学模式。[33]为此，本文设计基于树莓派的创客编程教学方案，主要期望通过将每位学生在日常生活中都会接触的天气信息作为教学题材，实现三点教学目标：①通过简单可操作的方式让学生在简单条件下学会使用树莓派；②挖掘树莓派的教育优势，降低教育成本，扩大教育可实现效益的范围；③激发学生的学习能动性，开发其创新潜力，鼓励其进行多种尝试和探索。

教学案例应注重学生在创客编程过程中经历知识与技能的应用和创新，获得成就感，同时能更深刻地体会编程教育中所学知识的实际价值。这样既提升学生学习知识的动力，又培养学生的创新意识。[34]第一步是准备阶段，此阶段中教师所需要准备的硬件为树莓派单片机，以及下载Python、Jq、Curl 等相应的编程教学软件。第二步是实施阶段，准备好所需硬件和软件后，选择为天气服务信息提供数据的接口（如和风天气API 等），通过测试API、使用Curl 工具来调用远程API 数据接口，再使用Jq 工具解析远程返回的天气数据。第三步是应用拓展阶段，可以充分结合学生兴趣开展个性化项目式学习。对于学生而言，创客编程教育鼓励学生进行更多的发散式学习，而树莓派本身也具备多样的硬件拓展可能。例如，可以使用树莓派外接摄像头进行光线与人脸识别相关的拓展，实现天气信息自动播报。这些延伸拓展活动都能够培养学生的创新意识、创新思维与技能，以提升综合实践创新能力。

创客编程教育的重要目标是培养学生的发现和解决问题能力、创新能力、实践能力、协作能力以及分享意识，力促学生成为具有创客理念和创客能力的学习者——教学评价作为教学的重要组成部分也应服务于此目标，努力促成教学目标的达成。因此，要对学生的作品是否符合创作要求开展总结性评价，更重要的是创客编程教育要通过教学评价来激发学生的学习兴趣与动机，让学生成为项目创作的主体，促使学生开展自主学习、发现和解决问题、开展批判性评价和协作交流、分享知识与经验，培养他们具备创客运动所倡导的各种能力与意识。可以说，以学生为主体开展评价并促使学生成为评价主体，是创客编程教育教学评价目标达成的前提和基础；应用真实性评价理念，综合多种评价工具与方法，进行创作前、中、后多角度的评价，帮助学生开展学习规划、自我反思和创作过程的自我驱动与调节，发现并解决创作过程和创作成果中存在的问题，开展协作交流与共享，并将发现和解决问题能力、创新能力、实践能力、协作能力以及分享意识等作为教学评价内容的重要组成部分，是达成创客编程教育中发展性教学评价目标的重要途径。[35]

四、结语与展望

中共中央、国务院印发的《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》就加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育做出重要战略部署，明确提出培养学生的创新精神和实践能力是素质教育的重点。在这方面，创客编程教育是培养学生综合实践创新能力的重要教学方式。近年来，创客编程教育空间建设和相关政策的支持使中小学创客编程教育获得了长足进展，创客编程教育生态逐步优化。然而，现阶段创客编程教育的不均衡发展特征十分突出。例如，在一项对农村创客编程教育的研究成果中，基于六所农村小学的实地调研显示，偏远落后地区创客编程教育的普惠发展存在亟待突破的现实困境。[36]

在当前乡村振兴战略新形势下，我国各地区教育资源和教育水平不尽相同，那么对于农村教育来说，为了提升学生信息素养培养水平，并将信息技术作为促进学生发展、推动终身学习的重要手段，为今后的社会生活与工作打下良好基础，需要将创客编程教育与低成本硬件技术相结合。[37]在这方面，树莓派将有潜力成为创客教师开展创客编程教育的重要工具和帮手。首先，树莓派有着较好的性价比，可以通过较低的成本满足绝大多数创客编程教育教学需求，适宜欠发达地区创客编程教育的硬件普及，有利于缓解资金投入困境、促进教育的均衡发展。其次，树莓派的教育应用实践具有跨学科的知识结构特点，涵盖了科学、工程、编程等多学科内容，有助于推动科学技术教育在偏远落后地区的协同发展，有利于培养学生的创新意识、创新精神、创新能力，激发学生跨学科学习的热情。最后，树莓派的开源使用环境有助于学生以团队形式开展合作学习，将探究性问题解决、项目合作学习等方式有效结合在一起，提高学生在学习中的合作意识、协作能力。综上所述，树莓派在教育教学中的广泛应用有望改善我国现存的教育资源分布不均、创客编程教育停留在富裕城市学校的环境，对学生的综合创新能力发展具有积极意义。希望通过对树莓派的介绍与应用，推动创客编程教育的公平发展，使树莓派在促进创客编程教育中发挥更大作用。