中国特色开源软硬件概要——面向普通高中信息技术学科教学

《中国特色开源软硬件概要——面向普通高中信息技术学科教学》依托教育部教育装备研究与发展中心2020年度基本科研业务费专项资金资助课题《基于国内的具有自主知识产权的开源硬件普通高中实验项目开发研究》(课题编号:KZX202009)，系统论述了中国特色开源软硬件的兴起和开源软硬件的发展现状综述，对常见教学用开源软硬件进行汇总分析，共考家了70多款开源主控板，提炼出“开源硬件分类表”，把常见教学用开源硬件分为五大类别，分别是MCI微控制器类、IOT物联网类、SBC单板机类、无桌面SBC类和AI算力加速类。本书还重点分析了中特色开源硬件、中国特色开源软件、中国特色开源软硬件生态建设、开源硬件项目设计等话题，进一提炼了开源软硬件的教育教学与育人价值。

本书可为普通高中开展新教材试点的省市规划与建设配套信息技术实验室或学科教室提供参考，为教育主管部门课程与装备建设提供决策依据，为学校采购提供支持，也适合普通高中信息技术教师作为教学参考书籍。此外，本书也是一本实践性很强的信息技术与信息科技学科的教具、学具索引，可以速通览中小学创客教育、STEAM 教育、科技社团等科创类教学活动中常见的教育教学器材。本书还可以为教育从业者、企业、机构开发设计开源软硬件提供参考与启发，快速提升开源软硬件设计的国际化视野

梁森山，清华大学物理系硕士研究生毕业，教育部教育装备研究与发展中心副研究员。主要从事STEAM教育、创客教育、VR与3D教育、信息化教育装备等研究工作。曾主持编写《VR与3D教育蓝皮书（2017一2018）》、《中国创客教育蓝皮书（基础教育版）》、《普通高中教科书信息技术人工智能初步》、《普通高中教科书信息技术开源硬件项目设计》、《人工智能初中版》、《人工智能小学版》，担任国家新闻出版署“十三五”国家重点图书出版规划项目”创客教育”丛书总主编。

为了更快地抓住中国特色开源软硬件所涉及的要点，有必要梳理一下其来龙去脉。

一个显然的事实，中小学创客教育的快速发展为开源硬件在教育系统内的传播提供了

发育土壤和生存环境。从教师发展的角度来说，我国创客教育的普及为开源硬件走进课堂

教学做了最初的群众动员。2016年出版的《中国创客教育蓝皮书（基础教育版）》对此有

比较详细的记录。有一大批老师因为Arduino开源硬件和开源机器人进入创客教育；也有

一大批老师因为Scratch开源软件融入创客教育；还有一大批老师因为软硬件结合引领了

创客教育的发展。当然，这背后可能还隐藏着一个更根本的原因：创客教育与开源硬件本

来就是同源同根。

从2017年《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》颁布到2019年各版本普通高

中信息技术教材陆续通过国家教材委员会审查，是国产自主知识产权开源硬件发展的关

键阶段。以目前的观察情况来看，国产自主知识产权开源软硬件率先从《普通高中教科

书 信息技术 选择性必修6 开源硬件项目设计》取得突破。2019年，经国家教材委员

会专家委员会审核通过的人民教育出版社与中国地图出版社联合编写的普通高中信息技术

教材中，引入了国产自主知识产权开源硬件掌控板和虚谷号，作为《开源硬件项目设计》

的主要教学载体，其中虚谷号还被《普通高中教科书 信息技术 必修2 信息系统与社

会》选中，用来搭建简易的信息系统，其后的教师用书和项目活动手册也沿用了掌控板和

虚谷号。除了硬件创新，国产自主知识产权开源软件也在教材编写中取得了突破，Mixly、

Mind+、mPython、BXY Python Editor、pinpong、SIoT等一批优秀的教学软件也走进了课

堂教学。这些为中国特色开源软硬件的提出提供了政策保障、物质基础和条件准备。

中国特色开源软硬件的提出最早也是最直接的动力源自教育部《2021年教育信息化

和网络安全工作要点》（以下简称《要点》）。《要点》提出要“加强具有中国特色的开源软

硬件教育应用研究，构建适合我国中小学开展创客教育以及高中阶段开源硬件选修模块的

教育装备支撑体系”，并且备注这项工作的责任单位是教育部教育装备研究与发展中心（以

下简称装备中心）。《要点》正式下发后，装备中心高度重视，立即启动了相关配套工作的

研究，具体工作结合装备中心2020年立项的《基于国内的具有自主知识产权的开源硬件

普通高中实验项目开发研究》课题（以下简称课题）协同开展，具体内容可以参考刊登于

2021年第12期《中国信息技术教育》上的《从开源开放到教育自信——谈具有中国特色

的开源软硬件教育应用》一文。从此，具有中国特色的开源软硬件正式扬帆起航。

本书是课题研究成果的集成汇总，也是国内关于开源软硬件研究的首部专著。冠名“概

要”，一方面说明相关研究才刚刚起步，还不够完善，开源社区每周都有很多新的开源硬

件诞生，而课题研究目前只考察了70多款，研究工作有很多遗憾和欠缺；另一方面说明

后续的工作还任重道远，特别是如何实现中国特色开源软硬件与信息科技学科教学之间的

有机结合，如何实现开源硬件项目设计、STEAM教育、创客教育之间协同育人目标等话题。

为此，教育部教育技术与资源发展中心2022年延续性立项“以中国特色开源软硬件为支

撑的信息科技学科教学资源研究”，期待新课题能够取得新突破，增强开源软硬件教育教

学资源供给的多样性。

下面对全书架构做一个简单说明。

第一章介绍开源软硬件的兴起，在梳理开源硬件起源及其发展的过程中，挖掘出

NodeMCU的价值与贡献。

第二章是全书最重要的内容，系统分析了70多款常见开源硬件，提炼出开源硬件分

类依据，首次把开源硬件分成五大类，五大类下面又细分出21小类。为了使读者能够快

速抓住开源硬件全貌，课题组配套制作了开源硬件分类汇总表和开源硬件分类图，并对每

款硬件做了精炼点评，直接体现在三级目录里。

第三章介绍与开源硬件配套的开源软件的发展，定制类软件选择了2款，平台类软件

选择了7款，教学接口与服务类软件选择了4款，涵盖了高中开源硬件项目设计教学应用

的方方面面，其中有不少软件和服务也可以无缝下移到初中和小学阶段。

第四章和第五章展示了中国特色开源软硬件生态建设成果和高中《开源硬件项目

设计》课程教学成果，还探讨了开源机器人、开源硬件标准化进展、开源硬件实验室建设

等话题，进一步提炼开源软硬件的教育教学与育人价值。

感谢人教中图版信息技术教材主编樊磊教授、副主编高淑印老师，开源硬件项目设计

分册人教中图版周茂华老师，浙教版主编谢作如老师，粤教版主编龙丽嫦老师，沪科教版

主编方向忠教授，华东师大版主编杨晓哲老师，教科版主编钟柏昌教授对课题研究和本书

成稿过程中给予的大力支持，同时也感谢各位老师在教材建设中做出的开创性贡献。课题

研究过程中，还得到了矽递科技、智位机器人、希科普、盛思科教、童心制物、雷宇激光、

美科科技、矽速科技、腾讯教育、明栈信息等企业的支持与配合，在此一并表示感谢，也

感谢它们为中国特色开源软硬件的技术进步、社区发展、生态营造所做出的贡献。

当然，中国特色开源软硬件是一个全新的开放式话题，本书所论及的观点和看法并

不都是完全成熟的，还需要在一线教学中接受实践检验，在实践的基础上进一步完善相关

概念和提法。又因作者水平有限，书中难免出现不妥，甚至错漏之处，恳请读者给予批评

指正。

梁森山

2022年9月

第一章

开源软硬件的兴起

001

1.1 开源硬件及其起源 001

1.2 开源软硬件综述 003

1.2.1 Arduino 004

1.2.2 Raspberry Pi 005

1.2.3 NodeMCU 006

1.2.4 micro:bit 007

1.2.5 掌控板和虚谷号 008

1.3 教材对开源硬件的界定 009

第二章

中国特色开源硬件

011

2.1 常见教学用开源硬件分类 012

2.1.1 开源硬件分类依据 013

2.1.2 开源硬件分类表 013

2.1.3 开源硬件分类说明 015

2.2 第一大类MCU微控制器类——Arduino生态 017

2.2.1 Arduino UNO——典型代表 018

2.2.2 Romeo——开源小车 023

2.2.3 Microduino——层叠积木 026

2.2.4 Mango UNO——跨越架构 029

2.2.5 Seeeduion XIAO——小到极致 032

2.3 第二大类IoT物联网类——MicroPython生态 035

2.3.1 NodeMCU-ESP8266与NodeMCU-ESP32 035

2.3.2 micro:bit——U盘与金手指 038

2.3.3 M5Stack Basic——方寸5×5 039

2.3.4 掌控板（HandPy）——Python与IoT教学 041

2.3.5 童芯派（Cyberpi）——赛博之道 044

2.4 第三大类SBC单板机类——Python硬件教学 044

2.4.1 BeagleBone——盛名之下 045

2.4.2 Raspberry Pi（树莓派）—— 一派宗师 045

2.4.3 pcDuino——教育先行者 048

2.4.4 虚谷号（vvBoard）——虚谷计划 049

2.5 第四大类无桌面SBC类——PythonIoT硬件教学 050

2.5.1 香橙派Zero——老树开花 051

2.5.2 行空板（Unihiker）——新晋之路 053

2.6 第五大类AI算力加速类——AIoT人工智能教学 054

2.6.1 K210模组——AIoT入门 055

2.6.2 Jetson Nano——GPU加速 058

2.6.3 冲锋舟——VIM3 059

2.6.4 Maix-Ⅱ-Dock（M2dock）——1950致敬图灵 059

2.6.5 MaixSense——AI元年1956 061

第三章

中国特色开源软件

063

3.1 软硬结合编程软件 063

3.1.1 ArduBlock教育版 063

3.1.2 BXY Python编辑软件 064

3.1.3 mBlock5图形化编程 064

3.1.4 Mind+图形化编程 065

3.1.5 Mixly图形化编程 066

3.1.6 mPython图形化编程 066

3.1.7 UIFlow Web化编程平台 068

3.1.8 腾讯扣叮在线编程平台 068

3.1.9 MaixPy与MaixPy3 AIoT编程平台 069

3.2 教学接口与服务软件 070

3.2.1 SIoT物联网服务平台 070

3.2.2 xugu与pinpong库 071

3.2.3 mpython_conn通信协议 072

3.2.4 MaixHub在线人工智能模型训练平台 072

第四章

中国特色开源软硬件生态建设

074

4.1 中国特色开源软硬件支撑各类教学成果 074

4.1.1 国家教材 074

4.1.2 地方教材 076

4.1.3 校本课程案例 077

4.1.4 中国特色开源软硬件相关丛书 079

4.2 中国特色开源软硬件助推学术交流 081

4.2.1 创客嘉年华 081

4.2.2 全国中小学STEAM教育大会 081

4.2.3 创意智造专项赛 082

4.2.4 开源硬件创意智造专项赛 083

4.2.5 开源硬件应用设计挑战赛 083

4.2.6 掌控板教学设计大赛 084

4.3 中国特色开源软硬件推动机器人走向开源机器人 085

4.3.1 开源机器人作品 085

4.3.2 开源机器人教学案例 087

4.3.3 开源机器人场地与赛制 089

4.3.4 赛事教学实践 091

4.4 中国特色开源硬件标准化进展 094

4.5 面向教育教学的开源社区 094

开源硬件项目设计——国家课程的设立

与教学实践

097

第五章

5.1 普通高中信息技术学科定位 097

5.2 选择性必修模块6课程目标 098

5.3 选择性必修模块6跟其他模块之间的关联 098

5.3.1 跟必修模块1数据与计算之间的关联 098

5.3.2 跟选择性必修模块2网络基础之间的关联 099

5.3.3 跟选择性必修模块4人工智能初步之间的关联 099

5.4 教材框架导读 099

5.4.1 人教中图版教材框架 100

5.4.2 沪科教版教材框架 102

5.4.3 粤教版教材框架 103

5.4.4 教科版教材框架 105

5.4.5 浙教版教材框架 107

5.4.6 华东师大版教材框架 109

5.5 主题学习项目 111

5.5.1 人教中图版项目学习案例 111

5.5.2 沪科教版项目学习案例 113

5.5.3 粤教版项目学习案例 117

5.5.4 教科版项目学习案例 123

5.5.5 浙教版项目学习案例 130

5.5.6 华东师大版项目学习案例 131

5.6 实验案例与器材清单 133

5.6.1 人教中图版实验与器材 134

5.6.2 沪科教版实验与器材 135

5.6.3 粤教版实验与器材 136

5.6.4 教科版实验与器材 137

5.6.5 浙教版实验与器材 138

5.6.6 华东师大版实验与器材 139

5.7 中国特色开源软硬件实验室样例 140

5.7.1 实验室建设目标 140

5.7.2 实验室建设理念 140

5.7.3 实验室环境设计 141

5.7.4 硬件与装备清单 141

5.7.5 软件与库文件清单 143

5.7.6 实验与器材清单 143

5.8 国家课程教学案例 144

5.8.1 深圳市第二高级中学 144

5.8.2 湖南省株洲市第二中学信息技术教研室 145

后记 147