《開源硬件科技實驗》為創客教育系列叢書高中第二冊，內容由“開源硬件設計”“科學實驗”“技術試驗”三章構成，設計了“感受Arduino 的魅力——電子琴”“用 Arduino 測算地球質量”“Arduino 遙控小車”等項目范例。引導學生圍繞“情境→主題→規劃→探究→實施→成果→評價”的項目學習方式，開展自主、探究、合作學習，幫助學生掌握本書的基礎知識、方法與技能，鍛煉計算思維，提高創新設計能力，促進學生核心素養的提升，嘗試開展科技實驗，創作實體作品，從而培養對實際問題的解決能力。
《開源硬件科技實驗》為創客教育系列叢書高中第二冊，適合高中二年級學生閱讀使用。

序
全球化和人工智能、大數據、區塊鏈等技術的飛速發展，正在深刻改變著人才需求和教育形態，促使學生掌握在21 世紀生存和成功所需的知識與技能，它們被稱為21 世紀的高階思維技能、更深層次的學習能力以及復雜的思維和溝通技能。
創客教育與STEM 教育作為跨學科綜合教育的有效形態，在全球范圍內，特別是在美國、英國、德國、以色列、芬蘭、日本等發達國家，已被提升到國家發展及人才戰略的高度。近年來，STEM 教育理念在我國也越來越受到廣泛重視并達成共識，其優越性體現在以下方面。
一是用知識解決問題。學生需要應用知識和技能，并且必須能夠將知識和技能、學習和能力、惰性學習和主動學習、創造性和適應性的學習轉化為有價值的高階思維的分析、評價與創造。
二是批判性思維。批判性思維被認為是 21 世紀學習的基礎，包括對信息的獲取、分析和綜合，并可以被教授、練習和掌握。批判性思維還利用了其他技能，如交流、信息素養能力，以及檢驗、分析、解釋和評估證據的能力。
三是問題解決能力。21 世紀學生的另一個基本能力是解決問題，研究和解決問題的技能包括識別和搜索、選擇、評估、組織和權衡備選方案和解釋信息的能力。
四是溝通與協作。良好的溝通能力，包括口頭和書面表達令人信服的想法的能力，能提出明確的意見，能接受連貫的指示，并通過言語激勵他人，這些能力在工作場所和公共生活中都被高度重視。規范的合作學習需要改變課程、教學、評估實踐、學習環境和教師的專業發展，21 世紀的合作將在學校內部、學校之間、學校內外的溝通之間發展。
五是創新與創造力。在全球化競爭和任務自動化的今天，創新能力和創新精神正在迅速成為職業和個人成功的必要條件，勇于“抓住”問題和實踐探究“開拓新領域”的能力，激發新的思維方式，提出新的想法和解決方案，提出不熟悉的問題，并得出意想不到的答案，進一步激發創新和創造力。
六是基于項目和基于問題的探究式學習是21 世紀教與學的核心，是實現21 世紀教育目標的理想教學模式。學生們通過設計和構造現實生活中問題的實際解決方案來學習，在小組合作中，學生將開展跨學科知識融合與研究，對項目的不同部分負責，互相評價對方的工作并創造出專業的高質量產品，這將有助于培養學生在現實世界中解決問題的能力。
國內對STEM 課程的研究還處于起步階段，存在概念理解偏差、課程設置不完善以及師資力量不足等問題。一些技術驅動的創客內容，脫離了教育本質，未能以核心素養為本推動學生內在發展。
雖然國內也出現了許多課程，如機器人、3D 打印、編程等，但大多呈現出碎片化的狀態，沒有形成一套完整的課程可供大家參考和借鑒。針對這種情況，“創客教育系列叢書”力求以系統化、可持續、可評價的方式開展STEM 教育和創客教育的理論研究與實踐探索，研發了一套STEM 教育和創客教育的系統化課程，完成了從小學、初中到高中的有效銜接，以落實基于21 世紀核心素養人才的培養方案。本叢書編寫的指導思想，結合了我國國情，從“立德樹人、服務選才、引導教學”角度出發，融項目式學習（PBL）、STEM 理念于一體，基于通識教育，以項目式學習推進STEM 教育。該叢書包括小學三冊、初中三冊、高中三冊，立足于大眾創客教育，圍繞數字創作、人工智能、創意制作、暢想創作四類課程有效進階，結合網絡學習平臺，軟硬結合，虛實融合，線上線下整合，培養學生21 世紀核心技能。因此，該叢書的內容設計在選取上注重輸入與輸出的有效對接，每種課程都有合適的出口，最終都呈現出學生作品，與培育精英人才結合，與市、省及國家級的競賽活動銜接。本叢書解決了跨學科融合與考試升學之間的矛盾；解決了不同地區經費需求不同的問題；解決了創客教育與STEM 教育可持續性問題；解決了創客教育師資不足的問題。叢書出版以符合教育部公示并
通過審核的面向中小學生的全國性競賽活動為準，作品無論是虛擬創作還是實體制作，都是一個項目、一種工程。該叢書用項目式學習為師生提供明確的教學指引和學習支架，小學、初中、高中各階段教材均以知識技能為主線，以項目教學或項目式學習為輔線，通過項目范例、項目選題、項目規劃、探究活動、項目實施、成果展示、活動評價等環節引領教與學的活動。叢書中項目教學的思路主要通過項目式學習實施路徑和項目活動評價表予以落實。
該叢書立足創客教育與STEM 教育戰略高度的頂層設計，聚焦教育創新戰略，設計教育改革發展藍圖，積極探索新模式，借鑒國際教育發展前沿趨勢和國內創新實踐，聚焦提升人才培養質量，以為國家建設培養創新人才為核心，整合全社會資源，項目引路，構建由中小學校校內之間、不同學校之間以及校外與科研機構、高新企業、社區和高等學校組成的項目式學習發展共同體，以實施系統完整的創客課程與STEM 課程為主線，打造覆蓋區域的課程實施基地，面向全體，讓每一個學生接受創客教育與STEM 教育，通過課程的常態化和人才選拔，培養國家發展急需的創新型人才和高技能人才，為國際教育發展和科技創新型人才培養提供中國智慧和中國方案。
該叢書難免存在缺點和不足，殷切希望廣大讀者批評指正！
中國教育信息化創客教育研究中心
叢書主編 孫曉奎
2020 年7 月