1.2開源硬件的發(fā)展教學設計人教-中圖版高中信息技術選擇性必修6

第1章開源硬件及其特征1.2開源硬件的發(fā)展教學設計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學內(nèi)容選自人教/地圖出版社選擇性必修6開源硬件項目設計第1章開源硬件及其特征1.2開源硬件的發(fā)展?！鞍氘€方塘一鑒開，天光云影共徘徊。問渠那得清如許？為有源頭活水來?！彼未軐W家朱熹這首《觀書有感》充滿了辯證與哲思。只有廣開源頭活水，才能保證方塘池水永不枯竭、永不陳腐、永不渾濁；只有不斷吸收新知識，個人才能進步；只有不斷銳意創(chuàng)新，社會才能發(fā)展。其實，整個人類歷史就是一個不斷創(chuàng)新、不斷進步的過程。沒有創(chuàng)新就沒有人類的進步。如何鼓勵創(chuàng)新、保護創(chuàng)新者的權利、保障創(chuàng)新成果，是人們需要長期思考的話題。早在17世紀，英國議會頒布了世界上第一部現(xiàn)代意義的專利法——《壟斷法規(guī)》。英國專利制度的實施，以商業(yè)壟斷的形式保護和激勵了技術創(chuàng)新。進入21世紀后，隨著技術平民化的進程和互聯(lián)網(wǎng)傳播的快速發(fā)展，技術的迭代周期越來越短，用戶參與技術或者產(chǎn)品創(chuàng)新的意愿越來越強烈，人們開始反思專利或者版權的制度是否需要更新。加上對高科技領域容易出現(xiàn)壟斷的擔憂，越來越多的人開始思考，利用開放源代碼、開放原始技術這一類的方式，是否能更加有效地促進創(chuàng)新和協(xié)作。本章將通過主題項目開展學習，了解開源硬件的發(fā)展歷程、常見開源軟硬件平臺及相關模塊功能，認識開源硬件的特征及其對社會的影響與作用，體會知識分享的意義與價值。教學目標1.了解開源硬件的發(fā)展背景和簡單歷程，能說明開源硬件發(fā)展的動因。2.了解開源硬件的用戶群體及社會影響力，能列舉生活、學習中的開源硬件項目和創(chuàng)作背景。教學重點與難點教學重點:了解開源硬件的發(fā)展背景和簡單歷程，能說明開源硬件發(fā)展的動因。教學難點:了解開源硬件的用戶群體及社會影響力，能列舉生活、學習中的開源硬件項目和創(chuàng)作背景。教學方法與教學手段案例分析法、講授法、任務驅動法。教學過程問題導入體驗探索從洗印照片到腐蝕電路板傳統(tǒng)的洗印照片技術是用化學的手段將底片的灰度或色彩信息還原出來，目前，這種技術已經(jīng)被噴墨打印技術替代。但是，洗印照片的方式同樣可以用于電路板的制作，這種技術稱為腐蝕電路板，如圖1.2.1所示?；玖鞒虨槭褂么蛴C在透明膠片上打印出電路圖像，然后將膠片粘接在感光板上進行光照感光，經(jīng)過顯影和腐蝕之后，電路板就被制作了出來。與洗印照片類似，腐蝕電路板只能算是傳統(tǒng)的手工制作方式。在大工業(yè)生產(chǎn)中，專業(yè)電路板生產(chǎn)企業(yè)有更為快速高效的方法。但與使用電子文檔印制出一本書類似，擁有一個開源電路板的電子文檔，使用腐蝕電路板的方法，自己也可以制作出一個電路板。思考：1.自制電路板適合哪種應用場景？有哪些利弊？2.在實際應用中，自制電路板和工業(yè)生產(chǎn)電路板兩種方式如何相互補充、相互配合？發(fā)展背景開放硬件可以追溯到很久以前，隨集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段。早在20世紀六七十年代，電子愛好者就已開始互相交流電路設計和電路板圖，形成了開放硬件的雛形。與此同時，在國內(nèi)出現(xiàn)了很多以業(yè)余無線電和電子設計為主題的書刊和雜志，組裝礦石收音機、晶體管收音機甚至電視機在當時非常流行?？删幊炭刂破鞯某霈F(xiàn)，使電子行業(yè)出現(xiàn)了軟件和硬件的分工。硬件廠商大規(guī)模生產(chǎn)具有微處理器指令集架構的芯片，以取得芯片生產(chǎn)的規(guī)模效應。軟件企業(yè)進行軟件開發(fā)，以適應不同應用之間個性化的需要。20世紀90年代，隨著互聯(lián)網(wǎng)以及開源軟件的盛行，人們很自然地想到，也可以利用開源軟件的理念進行硬件設計，此時才出現(xiàn)了開源硬件的概念。到20世紀90年代末，出現(xiàn)了許多開源硬件項目，但沒有引起更多人的關注,它們中的大多數(shù)都很快消失了。那么，后來開源硬件又是如何發(fā)展起來的呢？思考活動開源硬件的百度搜索指數(shù)在百度指數(shù)平臺中可以查詢開源硬件相關詞的百度搜索指數(shù)數(shù)據(jù)，如圖1.2.2所示是2011—2016年關鍵詞“Arduino”的百度搜索指數(shù)曲線。思考：1.分析曲線后，能得出什么結論？能否通過搜索得到這些數(shù)據(jù)的原始資料，挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律呢？2.查詢關鍵詞“Arduino”2017年以后的百度搜索指數(shù)曲線。3.查詢與開源硬件相關的其他關鍵詞的百度搜索指數(shù)曲線，比較各關鍵詞的曲線之間的差別，并思考原因。參考關鍵詞可以是開源、樹莓派、Eagle、Python、創(chuàng)客、人工智能......2005年，Arduino的出現(xiàn)，是開源硬件發(fā)展的一個標志性事件。Arduino項目是由意大利米蘭互動設計學院的教師馬西莫·班茲（MassimoBanzi）等人發(fā)起的，項目的目的是設計一款價格便宜且應用簡單的控制器，用于設計機器人和具有交互功能的藝術作品。Arduino研制成功后，很快應用到學院的設計互動媒體作品中，并在網(wǎng)上快速傳播。Arduino的創(chuàng)造者們決定公開Arduino的硬件設計圖和軟件程序代碼，并申明任何人都可以復制、重設計甚至出售Arduino。于是，越來越多的人加入到Arduino的改進工作中，甚至一些大公司也發(fā)布了各自版本的Arduino兼容產(chǎn)品。大量以Arduino為基礎的項目和社區(qū)蓬勃發(fā)展。今天，Arduino已成為具備全球影響力的開源硬件。Arduino快速發(fā)展后，開源硬件再次成為焦點，更多人開始以更大的熱情研發(fā)開源硬件和傳播開源文化，陸續(xù)出現(xiàn)了樹莓派和micro:bit等優(yōu)秀開源硬件項目。開源硬件發(fā)展至今，已經(jīng)形成性能從低到高比較完整的體系。開源硬件在國內(nèi)發(fā)展迅速，首先應用于高校藝術與媒體院系師生的藝術創(chuàng)作。2007年，互聯(lián)網(wǎng)上開始出現(xiàn)開源硬件中文教程。2010年10月，國內(nèi)第一個創(chuàng)客空間“新車間”在上海成立，創(chuàng)客空間中廣泛使用開源硬件研制機器人、3D打印機等作品，推動了國內(nèi)開源與創(chuàng)客文化的發(fā)展。同時，一批國際化程度很高的企業(yè)在開源硬件的帶動下得到成長，優(yōu)秀、高效的中國制造給開源硬件的傳播插上了翅膀，這些企業(yè)不光生產(chǎn)Arduino兼容的核心板、擴展板和周邊模塊，還生產(chǎn)獨自研發(fā)的品牌產(chǎn)品。國內(nèi)開源硬件愛好者在互聯(lián)網(wǎng)上開展線上交流，逐漸形成了國內(nèi)的開源社區(qū)。近幾年，開源硬件開始應用于國內(nèi)高等教育機構和中小學校的教學活動，并取得了較好的教學效果。實踐活動以U盤形式向V型板程序通過數(shù)據(jù)線將V型板連接到計算機的USB接口上，系統(tǒng)會自動增加一個U盤存儲空間，只需將計算機端編寫的Python程序到U盤中即可執(zhí)行并控制V型板，如圖1.2.3所示。1.將教學資源平臺中的“vvB_blink.py”文件復制到U盤模式的V型板上，觀察13號燈的閃爍效果。2.將教學資源平臺中的“vvB_suiji.py”文件復制到U盤模式的V型板上，觀察13號燈的隨機閃爍效果。3.比較V型板的U盤模式和計算機模式各有什么優(yōu)點？從開源硬件的發(fā)展過程可以看出：一個開源硬件是否能夠流行，不僅僅取決于其技術是否領先，最主要的因素是它能否被開源社區(qū)普遍認可和廣泛接納。Arduino能夠從一塊簡易電路板發(fā)展到具有多個系列、性能從低到高、功能從單一到集成多種模塊的豐富多樣的平臺，這就是一個很好的例子。國產(chǎn)開源硬件的發(fā)展應該是“眾人拾柴火焰高”的過程。改善用戶體驗、擴展用戶群體和積累社區(qū)資源都非常重要，這些都是構成一個開源硬件平臺影響力的重要因素。用戶群體與影響力在開源社區(qū)中，可以看到各種各樣的開源硬件應用項目。這些分享項目案例的作者是介于專業(yè)開發(fā)者和普通消費者之間的傳播載體。交流和分享使得開源硬件用戶群體不斷擴展，從最初的媒體藝術領域擴展到快速原型、教育應用等多個領域的用戶群體，最終擴展到普通消費者。隨著開源硬件的發(fā)展，其用戶群體也在不斷壯大，這里選擇比較有代表性的媒體藝術、快速原型和教育應用領域的用戶進行介紹。媒體藝術媒體藝術是用多種媒體形式表現(xiàn)藝術家主張的一種互動藝術形式。開源硬件的興起與媒體藝術緊密相關。開源硬件使得硬件開發(fā)的門檻降低，媒體藝術家樂于將開源硬件應用到自身的藝術作品中。搜索互動媒體藝術展，能看到很多與裝置藝術相關的開源硬件作品。很多藝術家也將開源硬件項目進行改進，賦予作品更多的交互功能和藝術元素，使其更容易被公眾接受，或者傳遞更豐富的藝術理念。例如，一位藝術家改進了開源的高壓放電裝置，制作了一個用閃電演奏音樂的大型樂器，如圖1.2.4所示，用于一場音樂會的伴奏，以表達對世界和平的期待。媒體藝術領域是一個將個人興趣和公眾參與很好地融合起來的開源硬件應用領域。制作一件發(fā)光的衣服，舉辦一場智能樂器的演奏會，都體現(xiàn)了科學、技術、工程、藝術和數(shù)學等多學科融合的時代特點?？焖僭驮椭妇邆淠繕俗髌坊虍a(chǎn)品的核心功能的演示或測試的樣品，常用來測試一個創(chuàng)意、想法的可行性，確定其技術難度和目標用戶的需求。電子產(chǎn)品的原型制作往往需要很長的時間，但因為利用開源硬件可以應用很多現(xiàn)成的模塊和開源程序，這一過程被大大縮短，因而產(chǎn)生了快速原型的概念?？焖僭头椒ㄒ渤３Ｓ糜诳茖W研究和項目測試階段，由于實現(xiàn)迅速、成本低，開發(fā)者可以更為迅速地確定項目的方向，節(jié)省研發(fā)成本。原型開發(fā)還可以和網(wǎng)絡社群結合起來。例如，某公司的“智能音箱”項目，在研發(fā)階段就開源了部分代碼和設計，使得產(chǎn)品未經(jīng)發(fā)布，就有很多愛好者發(fā)表了自己的創(chuàng)意設計，引發(fā)了網(wǎng)絡上對“智能音箱”產(chǎn)品的好奇，這樣有助于促進公眾對智能音箱產(chǎn)品更多的了解。完成了原型測試后，項目很有可能還需要重新優(yōu)化方案，自行生產(chǎn)或者尋找代工，完成大規(guī)模生產(chǎn)。很多眾籌項目都是通過代工完成的，這充分體現(xiàn)了中國制造業(yè)的優(yōu)勢。通過快速原型技術，提升制造的創(chuàng)新程度，也是開源硬件的一個應用方向。實踐活動閃亮的廣州塔使用開源硬件的各種模塊，可以迅速完成一個作品外圍電路的搭建。某小組學生想要制作一個“閃亮的廣州塔”模型，設想在一個瓦楞紙剪出來的廣州塔模型中從下往上安裝紅、黃、藍、綠、白五種顏色的發(fā)光二極管，并能依次快速閃亮，如圖1.2.5所示。將擴展板插到V型板上，然后將五個發(fā)光二極管模塊的連接線插入擴展板的13、12、11、10和9五個端口，如圖1.2.6所示。注意，擴展板的引腳要和核心板的引腳孔對齊，垂直插拔，連線的顏色要和擴展板端口的顏色保持一致。打開教學資源平臺上的“vvB_liushuideng.py”文件，復制到U盤模式的V型板上，觀察五個彩燈依次點亮的效果。思考：1.快速原型技術的優(yōu)點在“閃亮的廣州塔”項目中是如何體現(xiàn)的？2.如果修改程序讓廣州塔可以閃爍得忽快忽慢，可以怎么做？教育應用很多大學生使用開源硬件來完成畢業(yè)設計、日常習作，或是參加一些創(chuàng)業(yè)和科技類的競賽。隨著技術門檻的降低，以及開源硬件的普及，越來越多的中小學生也開始使用開源硬件來完成科技作品。2011年左右，開源硬件開始進入國內(nèi)部分高校（如清華大學、浙江大學和同濟大學等），成為受大學生歡迎的課程內(nèi)容。從2016年開始，在國內(nèi)中小學科創(chuàng)類、創(chuàng)客類賽事中增加了基于開源硬件的創(chuàng)客競賽項目，如圖1.2.7所示，來自不同地區(qū)的中小學生使用開源硬件現(xiàn)場制作開源硬件項目，激發(fā)創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在開源社區(qū)中，常常有一些流行的開源項目，得到了很多人的欣賞，他人也希望獲得這個項目所需要的開源硬件器材包，這樣就產(chǎn)生了一些生產(chǎn)套件的小規(guī)模生產(chǎn)需求。例如，某開源網(wǎng)站上的一個物聯(lián)網(wǎng)澆花項目（圖1.2.8）引起了大家的關注，開發(fā)者以套件方式小規(guī)模生產(chǎn)項目作品，并將套件信息發(fā)布到開源網(wǎng)站的“心愿單”功能區(qū)，對該項目作品有興趣的人可在“心愿單”功能區(qū)購買套件。這樣，在滿足其他愛好者需求的同時，開發(fā)者也因此獲得了一些知識產(chǎn)權收入?！拔镏?，道則在焉，物有止，道無止也?！遍_源硬件是一個不斷發(fā)展的技術領域，隨著用戶群體不斷擴展，影響力也不斷擴大。開源精神、開源文化和開源協(xié)議就是其中的“道”，是保證開源硬件能夠不斷發(fā)展并造福于社會的內(nèi)在動力。閱讀拓展RISCV開源架構芯片是電子信息行業(yè)的基石。開源模式正在從外圍電路設計拓展到芯片內(nèi)核架構領域。長期以來，全球CPU指令集架構被ARM和Intelx86壟斷，2010年誕生的開源RISCV指令集，有望打破這一格局。RISCV是基于精簡指令集計算（ReducedInstructionSetCalculation，RISC）原理建立的開源指令集架構，V代表第五代，表示此前已發(fā)展了四代RISC處理器原型芯片。與大多數(shù)指令集架構壟斷的做法不同，RISCV可以免費用于所有設備中，允許任何人設計、制造和銷售RISCV芯片和軟件?；赗ISCV指令集架構的CPU可以用于服務器、人工智能、家用電器、工業(yè)控制和嵌入式、低功耗型傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等多個領域。現(xiàn)在，許多學校已經(jīng)開始將RISCV用于教學，知名科技企業(yè)紛紛宣布支持RISCV架構，并涌現(xiàn)出了一批創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)型科技公司。RISCV架構已成為開源硬件的重要發(fā)展方向之一。思考：對于國產(chǎn)芯片自主發(fā)展，開源的RISCV架構有哪些借鑒價值和意義？項目實施繪制開源硬件發(fā)展圖一、項目活動1.根據(jù)對開源硬件發(fā)展的了解，各組選取一個角度，設計開源硬件發(fā)展歷程圖，填寫并完成表1.2.1。表1.2.1開源硬件發(fā)展歷程圖設計表小組名稱小組成員選取角度（分類）開源硬件開發(fā)工具（）Arduino（）開源硬件的生產(chǎn)企業(yè)（）