软件工程用java还是python,python可以做硬件开发吗

　　随着中小学创客教育的推广，开源硬件已经被教育工作者了解并进入中小学课堂。从最初的APP小规模应用，到区域层面的大规模推广，开源硬件以其价格低、性能强、资源丰富、扩展性强等优势，越来越受到老师们的认可。短短几年时间，不同价位功能的开源硬件如雨后春笋般从Arduino发展到mixly、Mind、mPython，开源硬件编程工具越来越多，更容易上手。

　　教育部发布《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》后，计算思维成为课程核心素养的重要组成部分。几乎所有新编写的高中和初中教科书都选择Python作为编程语言。这给开源硬件的教育带来了新的挑战。这是因为Arduino不支持Python，micro: bit和控制板只支持MicroPython。中小学应该如何选择开源硬件？继编程工具之后，是否可以用Python对不同的开源硬件进行编程，实现编程规范的统一？

　　本期特刊，本刊特约撰稿人、“虚谷计划”联合发起人、知名创客老师xhdkl针对上述问题带来了解决方案。他与蘑菇云创客空间的创客合作开发了Python库pinpong，用统一的Python代码实现了不同开源硬件的编程。Pong库的出现让开源硬件的选择不再困难，为物联网、人工智能、交互媒体等领域提供了新的思路。

　　课程开发者之间的对话：

　　新技术如何进入中小学教育2.0

　　对话嘉宾：

　　浙江省温州中学教师、“虚谷计划”联合发起人Xhdkl

　　Cqdny是江苏省南通大学附属中学教师，“虚拟食物联盟”项目核心人员。

　　困难的地方

　　055-79000)课程开发和教材编写非常复杂。既要梳理课程的各种知识，又要综合考虑实施中的各种问题。两位老师在课程开发和教材编写过程中遇到了哪些问题？

　　xhdkl:

　　我关注新技术，所以如何选择适合中小学的软硬件是我最中心的工作。往往困难也在这里。以《中国信息技术教育》为例。《开源硬件项目设计》的生产始于2016年初，当时国内最流行的开源硬件是Arduino，其次是草莓派。因为草莓派的应用门槛太高，当时的应用案例大多是用草莓派做电脑，外接显示器，键盘鼠标。我们觉得这样的教育场景很难推广，所以一开始就否定了草莓派。但是Arduino的编程语言是CC，或者用Ardu Blcok和Mixly也让我们很尴尬。教材的其他模块都是用Python，所以到了这个模块就用C/C，另外，抛开学生的编程基础是如何实现的，从整体来看，是有些“不合适”的。使用M ixly等图形化编程工具也有“矮化”学生的嫌疑。

　　cqdny:

　　受kadlc的影响，我也专注于开源硬件。当然，我想把这种“新技术”带入中小学课堂。以清华大学出版社《开源硬件项目设计》教材为例，物联网技术远非“新”，在中小学教材中频繁出现。然而，如何让物联网技术与当前流行的Python语言进行交流，重构中小学课堂上的“新”机器，这是我们在编写教材时面临的最大困难，也可以说是最大的挑战。那就是如何设计与新技术相关的东西，让学生实际完成各种经典实验的新技术课程。

　　学生实习的前提是学校会给我们一个网上工具包，购买这本教材所用的物品。如果成本太高，部分学校无法实施的技术难度太高，老师就无法上课。应该采用什么样的编译策略？我们的教材既能打破以往教材的瓶颈，又能兼顾个别学校的实际情况，这也是

　　我觉得只有两条路。一个是继续寻找，在世界上寻找。比如编写高中信息技术教材时，第一个版本选择在智能终端中使用Arduino。大约半年后，我偶然注意到micro:bit支持MicroPython。经过研究，我向几位主编提出了大胆的想法。课本——的Arduino换成了micro:bit。

　　比如人工智能神经网络的实验，一开始大家都在犹豫TenserFlow太难了，但是很快就找到了Keros，它的代码简洁易懂。第二种方式是自己想办法。比如我们当时选择micro:bit就有风险。因为国内没有厂商支持micro:bit，所以外围电路和扩展模块没有保障。于是，我说服了国内一些关系密切的企业家设计了micro:bit扩展板。通过猫友会、STEAM教育大会等平台组织微：bit培训，编写课程。因为有市场，就会有各种支持。毕竟我们的教材还没正式出版，微软：bit已经在国内创客教育圈“火”了。

　　在《物联网与智能家居》开发之前，ArduBlcok很难使用。我和cqdny等同学重新整理了细节，请新工厂的凶猛奥特曼重新开发ArduBlcok教育版。起初，micro:bit的代码编写工具并不成熟，官方只提供在线编写，教材没有办法。为了这个目的

　　，我建议DFRobot开发一个开源的小工具叫BXY。目前BXY是micro:bit和控制板最好的编码工具之一，在初高中教学中非常需要。

　　追溯“虚谷计划”的起源，其实是我们一线老师因为找不到好的软硬件平台，最后想出来的一个办法。控制板是为了解决物联网的终端问题，虚拟谷是为了解决人工智能教学问题。

　　cqdny:

　　可喜的是，随着时间的推移，新技术落地的时机会越来越成熟。在开源硬件的选择上，成本较低的Arduino和控制板也可以作为学生编写教材时操作的主要对象。Arduino是国内最受欢迎的开源硬件，大众接受度比较高；控制板是国内为普及STEAM创客教育、人工智能教育、编程教育而研发的开源智能硬件。它小巧精致，功能强大。开发之初，Control Board提供了Python的简化版本——MicroPython作为其编程语言之一；Arduino一直只使用“块语言”或“类C语言”进行编程，但在2020年春天，虚谷项目和上海蘑菇云的制作者开发了pinpong库，使得Arduino也支持Python编程。

　　Pinpong库是一个Python硬件控制库。原理是给智能终端烧一个特定的固件，让智能终端通过串口与计算机通信，执行各种命令。目前pinpong库支持Arduino、控制板、micro:bit、虚谷数等。借助pinpong库，可以直接用Python代码编写各种常见的智能终端。pinpong库的设计是为了让开发者在开发过程中不被复杂的硬件模型所束缚，而是将重心转移到软件的实现上。换句话说，硬件不重要，什么都可以选，软件才是核心。

　　当软硬件都解决好了，编写教材的主要任务就是如何设计活动，设计活动让学生练习。对我来说，需要解决的是综合考虑所涉及活动的难度、兴趣和成本。例如，我们将活动分为三类：体验、实验和实践。“体验活动”可以由教师进行讲解，由学生按照活动资源包的步骤进行体验，也可以录制成视频供学生观看。选项多，所以体验活动的设计会更注重活动的趣味性；而“实验活动”和“实践活动”是需要学生经历实验和实践的过程。为了大班教学的顺利进行，在选择具体活动时会考虑所用设备的成本，活动的渐进性难度为c

　　055-79000:能否以一门课程为例，简单介绍两门课程的思路或核心概念？

　　xhdkl:

　　我以《中国信息技术教育》为例。这是高中信息技术课程的一个选修必修模块，按照开源硬件项目的设计流程，针对学生的个性化发展需求而设计。该模块由三部分组成：开源硬件的特点、开源硬件的项目流程和基于开源硬件的作品设计与制作。

　　我们的教科书分为五章。先介绍“开源思想和开源硬件”。然后，通过分析一个典型的开源硬件项目，了解其开发流程，规划一个项目。然后，在开发这个项目之前，先学习硬件的基础知识。最后，我们指导学生在GitHub或Gitee上发布和维护这个项目。

　　学生如何才能顺利完成项目？考虑到世界各地学校的条件，我们给学生看的开源硬件项目都偏向于编程，尽量避免机械结构。我们提供了三个典型的项目开发过程作为学生的学习实例，分别是电脑魔术控制器、课堂答录机和智能花盆，涉及人机交互、多机通信和物联网技术，多学科的知识。总之，我的课程开发理念是，必须要落实。

　　cqdny:

　　我以《Arduino创意机器人》为例简单介绍一下。教材分为两个单元：第一单元，了解物联网后，深入了解物联网的终端设备、通信、感知和控制，学会搭建简单的物联网系统，实现远程互联；第二个单元，智能家居，是第一个单元的具体应用，涉及室内环境感知、家电远程控制、智能交互查询以及智能家居的未来。

　　和其他教材一样，本教材也采用项目式学习来组织教材。项目分为学习指导、问题需求、实施规划、分工协作、项目实施、交流分享等。在每个单元的前面，教材会给出一个带有具体情境的项目案例，以此来引导和启发学生，鼓励他们尝试设计一个与本单元内容相关的大项目。同时，在每一节的最后，通过“项目实施”环节，帮助学生明确项目中的重点。

　　课程开发与建设

　　055-79000:最后回到正题。如何让新技术真正走进中小学课堂，相信是每个老师都要面对和需要解决的问题。在这方面，两位老师能否给其他课程开发的老师一些建议？

　　xhdkl:

　　随着信息技术的飞速发展，我们的教材必须与时俱进。对于中小学引入新技术，我认为需要注意两点。

　　首先要考虑学习成本，即如何降低技术门槛，让老师快速接受。比如在设计控制板的语法时，我们特别兼容了micro:bit的语法。同样，虚谷数和pinpong库的语法，我们又兼容了控制板。只要学会其中一种，其他的都差不多。由此，开源硬件的教学逐渐形成了行业规范。

　　二是考虑实施成本，即不能太贵，也不能太麻烦。比如在设计虚拟谷的时候，我重点关注了jupyter。如何通过网络让虚谷外挂编程是一个很好的体验。Pinpong可以很好地与jupyter集成，支持常见的开源硬件和常见的输入输出模块，从而减少硬件投入。这两点在其他新技术的推广中也很常见。

　　cqdny:

　　除了kadlc提到的学习成本和实施成本之外，我想补充一点关于中小学引入新技术的问题。这几天最新版本的pinpong库已经可以支持NFC模块了，这是我前段时间向开发团队提出的新需求。由于NFC是物联网技术中的核心技术之一，应用非常广泛，目前在教学中还没有特别简单的方法来做“NFC实验”。一开始控制板、BXY、pinpong库等软硬件功能都不完善。随着我们不断提出需求，工程师不断开发，控制板和pinpong库越来越强大，越来越贴近中小学的教学实践。

　　因此，新技术要在中小学实施，需要很多人的努力和社会企业的支持。我们不仅要学习新技术，还要积极参与新技术的推广。当我们的一线老师和企业之间形成了良好的互动机制，那么这些教育产品就会更加贴近实际课堂。

　　本文来源：《中国信息技术教育》

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