2.1設(shè)計工具與編程語言教學(xué)設(shè)計人教-中圖版高中信息技術(shù)選擇性必修6開源硬件項目設(shè)計

第2章開源硬件項目剖析2.1設(shè)計工具與編程語言教學(xué)設(shè)計教學(xué)背景信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟(jì)、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)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(xué)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(shè)計第2章開源硬件項目剖析2.1設(shè)計工具與編程語言。2011年12月，一個名為“浙大CCNT實驗室飲水機(jī)”的微博，開通才一天就吸引了上萬粉絲，博主自稱“浙大飲水機(jī)娘”，在水開和沒熱水的時候會發(fā)微博?！罢愦箫嬎畽C(jī)娘”所引發(fā)的關(guān)注，反映了技術(shù)的呈現(xiàn)可以是多元的，有趣的數(shù)字化表達(dá)方式能吸引公眾的關(guān)注。借助于便利的開源硬件，中學(xué)生也完全有能力完成創(chuàng)意作品。技術(shù)創(chuàng)新與社會進(jìn)步的協(xié)同發(fā)展催生了創(chuàng)新形式的不斷演變。新時期，信息技術(shù)與生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步融合，重構(gòu)了傳統(tǒng)制造業(yè)與信息技術(shù)創(chuàng)新的邊界。各種形式的“創(chuàng)客空間”在其中扮演著重要角色，并顯示出以創(chuàng)新、開源和分享為特征的新型創(chuàng)新模式。在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的國家戰(zhàn)略規(guī)劃下，各地創(chuàng)客空間蓬勃發(fā)展。校園創(chuàng)客空間也隨著這陣春雨進(jìn)入中小學(xué)校園，在這里，同學(xué)們尋找志同道合的伙伴，把奇思妙想變成現(xiàn)實，并有機(jī)會展示自己的個性作品。從國內(nèi)外的發(fā)展來看，開源社區(qū)與創(chuàng)客文化互為共生、相互促進(jìn)。校園創(chuàng)客空間不僅僅是制造的車間、開放的場所、共享的資源，更是基于開源硬件開展項目學(xué)習(xí)的理想場所，是培養(yǎng)協(xié)作、分享的開源精神的良好環(huán)境。同時，開源硬件以其開源與開放、分享與協(xié)作、模塊化與可復(fù)用的鮮明特征，被譽為創(chuàng)客空間的“造物神器”和“創(chuàng)客利器”。本章將以“走進(jìn)創(chuàng)客空間”為主題，系統(tǒng)學(xué)習(xí)開源硬件的相關(guān)知識與技能，通過剖析使用開源硬件完成作品的實例，體驗基于開源硬件完成項目的基本流程，感受創(chuàng)意物化的過程與樂趣。教學(xué)目標(biāo)1.了解開源硬件常用數(shù)字化設(shè)計和加工工具，能夠利用設(shè)計工具繪制簡單平面設(shè)計圖。2.了解開源硬件常用數(shù)字化設(shè)計和加工工具，能夠利用設(shè)計工具繪制簡單平面設(shè)計圖。教學(xué)重點與難點教學(xué)重點:理解利用開源硬件促進(jìn)信息技術(shù)創(chuàng)新的價值與意義，具備鑒別信息技術(shù)創(chuàng)新的能力。教學(xué)難點:了解不同的開源硬件集成開發(fā)環(huán)境和編程平臺，具備基本的開源軟件編程能力。教學(xué)方法與教學(xué)手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動法。教學(xué)過程問題導(dǎo)入體驗探索探索核心板內(nèi)置資源將V型板連接鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器，接通電源，系統(tǒng)啟動后，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)內(nèi)置了不少應(yīng)用軟件和學(xué)習(xí)資源，如圖2.1.1所示，有些用于設(shè)計建模，還有些用于編程開發(fā)。在開源硬件項目的開發(fā)中，設(shè)計建模類軟件與編程開發(fā)類軟件必不可少。創(chuàng)客空間里有很多設(shè)備、器材都需要這些軟件的支持。思考：1.嘗試打開V型板內(nèi)置的軟件，了解這些軟件有哪些功能。2.V型板內(nèi)置軟件有哪些共同點？為什么會選擇這些軟件？設(shè)計工具人類通過勞動改造世界，創(chuàng)造文明。造物是最基礎(chǔ)、最主要的創(chuàng)造活動。設(shè)計是對造物活動預(yù)先進(jìn)行的規(guī)劃。傳統(tǒng)制造中，工匠的加工水平、工藝的復(fù)雜程度等因素均會影響成品的質(zhì)量，且制造效率相對較低。計算機(jī)輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD）催生了數(shù)字化制造，相對于傳統(tǒng)制造，數(shù)字化制造具有制造精度高、人為干預(yù)少和文件易修改等優(yōu)勢。借助計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)程序控制等數(shù)字化制造手段可以較好地解決傳統(tǒng)制造中的相關(guān)問題。隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。在開源硬件項目的開發(fā)過程中，大部分項目的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)都可以采用數(shù)字化制造技術(shù)。數(shù)字化制造技術(shù)主要包括數(shù)字化設(shè)計工具和數(shù)字化加工工具。數(shù)字化設(shè)計工具數(shù)字化制造過程中，首先需要使用數(shù)字化設(shè)計工具設(shè)計制作模型，與手繪設(shè)計相比，使用數(shù)字化工具設(shè)計制作模型更加精確、快捷，且便于后期修改。一般來說，數(shù)字化設(shè)計工具包括平面（二維）設(shè)計工具與立體（三維）設(shè)計工具。平面設(shè)計工具平面設(shè)計是相對于立體設(shè)計而說的，也稱視覺傳達(dá)設(shè)計，是以“視覺”作為溝通和表現(xiàn)方式，透過多種方式來創(chuàng)造，結(jié)合符號、圖片和文字，借此作出用來傳達(dá)想法或訊息的視覺表現(xiàn)。設(shè)計師使用平面設(shè)計工具把設(shè)計意圖轉(zhuǎn)化為圖形圖像。常用的開源數(shù)字化平面設(shè)計工具有Inkscape等，如圖2.1.2所示。立體設(shè)計工具使用立體設(shè)計工具可以構(gòu)建作品的三維模型。相對于平面設(shè)計，三維模型能更加直觀、形象地表現(xiàn)設(shè)計者的意圖。開源硬件項目設(shè)計中，常用的立體設(shè)計工具有SketchUP、Blender和OpenSCAD等。例如，使用OpenSCAD構(gòu)建一個長方體的方法如圖2.1.3所示。數(shù)字化加工工具數(shù)字化加工制造是在加工制造過程中采用數(shù)字化的描述并在數(shù)字空間中完成產(chǎn)品的制造過程。數(shù)字化加工工具是對傳統(tǒng)加工工具的數(shù)字化升級和改造。數(shù)字化加工工具可以實現(xiàn)根據(jù)平面設(shè)計圖或三維模型制造實物。在開源硬件項目開發(fā)中，常用的數(shù)字化加工工具有3D打印機(jī)、激光切割機(jī)等。3D打印機(jī)3D打印，又稱三維打印，本質(zhì)是一種增材制造技術(shù)，以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過層層黏合的方式制造三維物體。3D打印機(jī)是采用增材制造技術(shù)的快速成型機(jī)器（圖2.1.4），是創(chuàng)客空間中常見的制作工具。不同的3D打印機(jī)支持使用不同的打印材料。例如，最常見的熔融層積技術(shù)打印機(jī)支持使用聚乳酸（PLA）、工程塑料（ABS）等材料；光固化成型技術(shù)打印機(jī)主要以光敏樹脂為打印耗材；選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機(jī)以金屬粉末為材料，可以直接打印出金屬結(jié)構(gòu)。有意思的是，中小學(xué)創(chuàng)客空間中常用的3D打印機(jī)大多源于開源的3D打印機(jī)方案。激光切割機(jī)激光切割機(jī)主要用于平面板材的切割加工，是一種在數(shù)字化控制下利用大功率激光將材料切割成特定形狀的設(shè)備，如圖2.1.5所示。常見的激光切割機(jī)有二氧化碳激光切割機(jī)、金屬激光切割機(jī)等。創(chuàng)客空間中的切割機(jī)以二氧化碳激光切割機(jī)為主，常用于項目設(shè)計中的結(jié)構(gòu)搭建和快速成型。主要切割材料有亞克力（有機(jī)玻璃）、木制板材和瓦楞紙等非金屬材料。實踐活動繪制矢量圖形利用互聯(lián)網(wǎng)并安裝Inkscape軟件，嘗試使用Inkscape軟件按照V型板的尺寸繪制一個圖形，并將結(jié)果保存為SVG格式文件。技術(shù)支持Inkscape軟件Inkscape軟件是一款簡單易用、功能強(qiáng)大的開源矢量圖形編輯制作軟件，它支持節(jié)點編輯，可以繪制復(fù)雜的路徑和圖形，并支持符合W3C標(biāo)準(zhǔn)的SVG文件格式。圖2.1.6所示是Inkscape軟件的界面。編程工具開源硬件項目不僅需要外觀設(shè)計和各種硬件設(shè)備，還需要有編程軟件支持，通過軟件使各模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)所需功能。編程語言不同開源硬件平臺使用的編程語言各不相同。在這些編程語言中，有些比較通用，可以支持多種不同的開源硬件平臺，有些則是為某類開源硬件平臺量身定制的，只支持特定的開源硬件平臺。Arduino語言Arduino語言是針對Arduino核心板上微控制器編程的一種高級語言，建立在C/C++基礎(chǔ)上，保留了C/C++的語法規(guī)范，并對Arduino主控芯片底層進(jìn)行了二次封裝，使開發(fā)者無須考慮芯片的底層操作，只通過編寫簡單的代碼就可以實現(xiàn)對Arduino核心板的控制。Arduino語言常用于兼容Arduino的開源硬件的編程，是目前最流行的開源硬件編程語言之一。下面是Arduino讀取模擬接口并打印的示例代碼。ProcessingProcessing是一種基于Java的編程語言，保留了C/C++的語法規(guī)范，主要用于藝術(shù)、影像和音頻的設(shè)計與處理。Processing擅長創(chuàng)作圖像，無論是靜態(tài)或是動態(tài)，二維或是三維，甚至可以通過軟件編程來創(chuàng)作游戲和音樂。此外，Processing還可以與開源硬件配合開發(fā)許多互動媒體項目。圖2.1.7所示是使用Processing編程繪制一個立方體。PythonPython是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝统绦蛟O(shè)計語言，是純粹的開源軟件，源代碼和解釋器CPython遵循GPL（GNUGeneralPublicLicense）協(xié)議。Python語法簡潔、清晰、自由、靈活，具有豐富和強(qiáng)大的庫，常被稱為“膠水語言”，能夠把其他語言（尤其是C/C++）編寫的各種模塊很輕松地“黏合”“聯(lián)結(jié)”在一起。輕量級Python是針對微控制器移植開發(fā)的Python編程語言，其語法規(guī)范與Python3基本一致。目前，越來越多的開源硬件使用輕量級Python進(jìn)行編程，如掌控板、micro:bit等。下面兩段Python代碼分別使用虛谷號和掌控板控制引腳的高低電平，讓連接在引腳上的LED燈閃爍。對比兩段控制代碼，可以看出，除導(dǎo)入了不同的程序包外，其他代碼基本相同。圖形化編程圖形化編程方式支持用戶通過類似搭積木的方式進(jìn)行編程，實現(xiàn)編程工作可視化，然后將圖形化的程序塊轉(zhuǎn)換為代碼，如圖2.1.8所示。目前，很多開源硬件平臺使用圖形化編程方式編寫程序。例如，Blockly是一款開源的可視化編程平臺，基于Blockly又開發(fā)出米思齊（Mixly）等可視化編程工具。集成開發(fā)環(huán)境集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是一種輔助程序開發(fā)的應(yīng)用程序，通常包括代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面工具，集成代碼編寫、分析、編譯和調(diào)試等功能。ArduinoIDEArduinoIDE是為Arduino核心板量身定制的集成開發(fā)環(huán)境，如圖2.1.9所示。它不僅支持Arduino程序的編輯、編譯、燒寫和串口通信等，還提供一個功能強(qiáng)大的庫管理器。通過該庫管理器，開發(fā)者可以快速搜索到Arduino支持的各種外圍設(shè)備的驅(qū)動庫。mPythonmPython是一款為Python編程教學(xué)而設(shè)計的集成開發(fā)環(huán)境，可對掌控板及其兼容硬件進(jìn)行編程，它支持代碼編程和圖形化編程，還具備快速查看代碼效果、板卡代碼讀取、自定義庫和串口調(diào)試等功能。mPython用戶界面如圖2.1.10所示。實踐活動SOS求救信號燈SOS是國際通用的求救信號，并不是任何英文的縮寫，純粹只是因為當(dāng)時的無線電抗干擾技術(shù)差，S與O是莫爾斯電碼中少有的連續(xù)碼，分別是全點與全橫，SOS這個字母組合的莫爾斯電碼為“...”“”“...”，方便識記且較易使用。將LED燈或者LED模塊接在A型板或B型板引腳上，通過控制引腳的高低電平來實現(xiàn)SOS求救信號燈顯示。觀察并分析兩種核心板顯示方式的異同和各自的特點，比較并思考哪種顯示方式更適用于信號燈的制作。項目實施構(gòu)建小組工具檔案一、項目活動同學(xué)們在創(chuàng)客空間中會了解到很多的制造工具與編程語言，收集并記錄這些信息，為之后的學(xué)習(xí)和創(chuàng)作積累知識和技能。1.以小組為單位，分工收集各種制造工具與編程語言的相關(guān)信息資料。2.根據(jù)表2.1.1清單內(nèi)容，構(gòu)建小組工具檔案。表2.1.1工具清單類別名稱數(shù)字化設(shè)計工具數(shù)字化加工工具編程語言二、項目檢查完成本組的項目工具檔案，并進(jìn)