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我们为什么要重新设计一款开源硬件

2019-02-13 13:51 点击:515

自从“虚谷号”的消息发布以来,常常有熟悉的创客老师找我问有关“虚谷号”的细节。他们很好奇,我们为什么会设计一款新的开源硬件。是受到“中兴事件”的刺激而想要有一款中国芯的开源硬件,还是在各种融资的好消息刺激下,也要做款产品赚点钱?当然,他们更多是关心这一开源硬件具有怎样的特点,是否更加适用于中小学,帮助他们能够更好地开展创客教育。

 

故事:虚谷号的缘起

 

如果认真追溯下去,设计虚谷号的理由也许很复杂,也许真的关乎爱国,关乎情怀。参与“虚谷计划”的每一个成员,背后都有一个关乎教育关乎技术教育的故事。但要归纳一个最核心的理由却是简简单单的一句话:我们找不到想要的开源硬件。

想设计一款新的开源硬件,最初的动机产生于2016年。那一年,我接受浙江教育出版社的邀请,成为普通高中信息技术教材编写组的一员,参与必修2《信息技术与社会》模块的编写,还担任选择性必修《开源硬件项目设计》模块的主编。在2016年,除了Arduino和树莓派,我真的不知道写开源硬件教材还有别的选择。但很明确的是,二者都不是理想的选择。

众所周知,即将出版的所有的高中信息技术新教材都放弃了VB,转而选择Python。在这种背景下,教材选择哪些开源硬件变得更加困难。为什么?我来分析一下:

如果选择Arduino。Arduino的编程语言是C/C++,那么这套教材就很奇怪:其他的模块都用Python语言,到了《开源硬件项目设计》模块,就转到C/C++语言。且不提学生们没有C的基础能不能正常学习,一套教材总要考虑整体统一,在全部是Python的教学内容中硬生生插入C,是不是有一种强烈的违和感?Arduino没有基于Python的IDE,鉴于高中生的学习能力,又不能使用Mixly或者ArduBlock之类的图形化编程环境。我们可以大致推算一下,当新教材全面实施的时候,目前在小学初中接触过开源硬件的学生刚好升到了高中。那就很尴尬了,学生们应该会嘀咕:小学mixly、初中mixly,到了高中还是Mixly,这编教材的在耍我吗?

如果选择树莓派。作为一款Linux电脑,树莓派当然支持Python。但是,树莓派算不算一款开源硬件,圈子里还一直争论不休(要知道,树莓派连芯片都是定制、特供的。)最重要的是,用树莓派没法上课!您说,如果用树莓派来上课,机房里要准备几个屏幕?几套键盘?直接部署一个树莓派机房吗?老师怎么管理?有Linux下的机房管理软件吗?这些问题我们不得不考虑。我们曾经尝试上过一个学年的树莓派教学,的确很不方便。因此,无论是国内还是国外,在大班教学中用树莓派几乎不可见。还有,树莓派的技术门槛也太高,大家可以调查一下,一个地级市能直接在Linux环境下上信息技术课的老师有几个?

 

思考:我们需要怎样的开源硬件

 

2016年底,我拿到了第一块micro:bit。一测试我就喜欢上了:软件友好,操作简单,只要感兴趣,谁都能为这块板子写一段简单代码体验硬件控制。虽然,micro:bit官方推荐使用图形化编程,但很快就有了MicroPython的移植版本,在编程和语法规范上与Python3一致,这样一来,总算找到了一款简单易用的支持Python的开源硬件。2017这一年,我都在努力推广micro:bit。说服DF、盛思等企业开发micro:bit的周边产品,做培训,写教材,拍微课,并因此成为micro:bit基金会的中国推广大使。但我也清楚地认识到,micro:bit并不是一块理想的适合高中生学习编程的开源硬件,理由如下。

其一,板子性能太差。说是支持MicroPython,其实是阉割的MicroPython。只要写几句和字符处理相关的功能,板子就会死机。其二,板子不支持无线网络(Wi-Fi)。没有网络功能的开源硬件,和不能上网的电脑一样,功能大打折扣废了一半。为了让micro:bit能联网,我找了好多借口说服DF做了一块IOT模块。对,就是那款大家用来做物联网的OBLOQ模块。虽然能上网了,但因为字符处理能力太弱,写不了稍微复杂一点的代码。其三,板子的扩展板不好做。我不知道micro:bit的开发团队是怎么考虑的,micro:bit自身看起来清清爽爽,颜值不错,但是一旦接上任何板子,马上就变LOW了。要么太大,要么破坏原来的设计,扩展功能极其有限,非常鸡肋……

不断寻找,不断失望。我们想要怎样的开源硬件?说起来要求也不高,就是入门要简单,扩展要方便,就如Python语言一样,适合非专业的人使用,也能写出非常复杂的如机器学习方面的代码。Arduino再好,它毕竟不是为教育而设计。micro:bit再好,只能在入门时玩玩。树莓派再好,也只能适合那些玩Linux的高手。所以,当来自教育管理部门的教研员或者高校的研究者问我:小学用micro:bit,初中用Arduino,高中用树莓派,可以吗?

不可以!micro:bit、Arduino和树莓派,这三者无法形成一个循序渐进的学习体系。micro:bit和Arduino,几乎是完全不同的体系,Arduino和树莓派,也不是一个知识体系。当你试图考虑中小学的开源硬件学习路径的时候,现有的产品就存在很大的问题。这种尴尬,在我参与编写教育部综合实践活动指导纲要的时候,变得更加强烈。

决心重新自己设计一块教学用开源硬件想法,则是在2017年11月的台北makerFaire上。感谢鸿海科技的工程师张志铭,他的一句话提醒我了:你们做老师的不提出需求,我们工程师怎么知道要做什么教育产品?是啊,从2010年买第一块Arduino开始,我已经玩了八年的开源硬件。感谢各个创客企业朋友的信任,每出一块新的开源硬件或者模块,都会快递一份让我“尝鲜”,对常见和不常见的开源硬件都有所了解。我们身边的朋友,如梁森山、叶琛、李大维等,很早就开始接触开源硬件,是资深的玩家。Dfrobot和Seeed Studio在开源硬件销售方面全球排名前五,他们生产的开源硬件和周边模块销往世界各地。厚积薄发,是时候提出自己的想法了。

 

经历:我们的行动

 

创意当实现!在台北,我连夜打了几个“越洋”电话给梁森山、余翀、叶琛等,得到他们的明确支持。当天晚上,我做了一个PPT,给这一块板子取名“虚谷”,其寓意是:虚怀若谷,兼容并蓄,继往开来。这款新的开源硬件要继承Arduino、树莓派、micro:bit等开源硬件的优点,而不是另起炉灶重新造一个“轮子”,用一句话去描述开发目标:技术门槛如micro:bit一样低,支持Python和网络,支持虚拟磁盘烧录,性能和成本优于树莓派,能够兼容大部分Arduino项目。

一个月后,在北京一个以“人工智能教育”为主题的研讨会上,我介绍了“虚谷”这一开源硬件的想法,引起了深圳希科普公司CEO刘军的兴趣。过了年,他很快就组了一个团队开始研发。随后,李大维、吴俊杰、管雪沨、周茂华、樊磊、程晨等信息技术教育专家或者教育创客先后加入。很快的,“虚谷”升级为“虚谷计划”,名称确定为“虚谷号”。

2018年5月4日——第一块虚谷号(测试版)正式亮相!

 

 

 

答疑:关于虚谷号的几个关键问题

 

1.虚谷号是什么?

虚谷号是一个面向人工智能教学和Python编程学习的中国原创开源硬件平台,板内集成高性能处理器和通用单片机,内置多功能扩展接口和多种通信接口,可以看成是树莓派3与Arduino UNO的合体。通过示教版和开发版实现教与学高效组合,为人工智能和Python编程教学提供完整课程资源包。能够流畅运行Python、Arduino、Processing、Scratch、Blockly等开源软件。虚谷号自带蓝牙和Wi-Fi功能,虚谷号核心板的引脚资源兼容Arduino,现有的Arduino的各类扩展版都可以直接使用。

 

2.虚谷号怎么用?

虚谷号的使用分为电脑模式和U盘模式。电脑模式指虚谷号连接显示器和键盘鼠标,可以当作一台微型电脑,用来编写Arduino、Python、Processing等应用,也可以执行很多人工智能的高级应用,做机器学习。

 

 

 

U盘模式,指虚谷号通过USB线连接电脑后,会虚拟出一个U盘(磁盘)出来,编写好的Python、Arduino等代码,直接拷贝进U盘,虚谷号将自动执行。

 

 

通过虚拟磁盘,用户还可以管理虚谷号的各种库,还可以控制Wi-Fi连接等。如果在代码运行中想查看具体运行情况,可以随时用HDMI接口,或者无线投屏,将屏幕显示出来。

 

 

 

3. 虚谷号的定位(适用于哪个阶段的学生学习?)

 

虚谷号的定位是中学,即初中和高中,是创客教育的中、高级学习器材。无论学生的入门课程选择的器材是Arduino还是micro:bit,虚谷号都可以在其基础上继续学习。借助于各种扩展板,几乎所有基于Arduino和树莓派开发的项目,都可以移植到虚谷号上。

 

 

当然,直接拿虚谷号作为学生的入门学习工具,也未尝不可以。在micro:bit开发之前,也有很多老师直接借助于树莓派来学习Python的。但是我们更倾向于将虚谷号看作入门之后的进阶学习器材。

 

4. 谁来运营虚谷号?

 

虚谷号是一款开源硬件,硬件设计部分采用CERN协议,软件采用GPL协议,文档则采用CC协议授权,正在申请OSHWA(开源硬件协会,Open Source HardWare Association)的认证。

虚谷号参考了树莓派和micro:bit的运营方式,品牌归属于“虚谷号”项目理事会。由理事会授权给相关企业进行开发,或者进行产品认证。目前,理事会已经授权深圳希科普来生产、研发第一版的虚谷号,授权DFrobot正在设计并生产虚谷号的第一块扩展板。“虚谷号”项目理事会正在筹划成立一个基金会。

 

结语:开源硬件的中国气派

 

开源无国界。随着网络的发展和数字加工技术的平民化,技术创新的门槛不断下降,人人都应该有参与的机会,也有具备参与的条件。当今的中国,拥有世界上最完善的电子加工产业链,同时也拥有最大数量的开源硬件用户,潜在用户更是数十倍于此。尤为难得的是,开源硬件已经成为我国高中信息技术中的选择性必修模块,成为学生的学习内容之一,我们完全有必要去设计一款为教育量身定做的开源硬件,来完善这一学习体系。

编程是孩子们应对未来挑战的基本能力之一。编程教学一定要有趣、好玩、能与物理实体相关联,这样才能吸引学生主动参与。开源硬件的兴起,为我国的信息技术教育和综合实践活动带来新的抓手。我们在感谢以Arduino、micro:bit、树莓派等为代表的开源硬件的同时,也要为它们的进一步完善贡献力量。“虚谷号”作为中国一线老师发起的开源硬件,一定是更懂学生,更懂老师,更懂教育,更懂中国。

 

作者简介:

谢作如,温州中学创客教育工作室负责人,浙江省特级教师,中国电子学会现代教育技术分会副主任委员,教育部综合实践活动课程指导纲要研制项目组专家,中国开源硬件“虚谷计划”联合发起人。