2.4項目開發(fā)流程剖析教學(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2.4項目開發(fā)流程剖析教學(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、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2.4項目開發(fā)流程剖析。2011年12月，一個名為“浙大CCNT實驗室飲水機”的微博，開通才一天就吸引了上萬粉絲，博主自稱“浙大飲水機娘”，在水開和沒熱水的時候會發(fā)微博?！罢愦箫嬎畽C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。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1.了解開源硬件的基本功能和特征，能解釋具體的開源硬件在項目中起到的功能和作用。2.了解具體開源硬件項目作品的設(shè)計過程，能說明基于開源硬件項目的基本流程。教學(xué)重點與難點教學(xué)重點:了解開源硬件的基本功能和特征，能解釋具體的開源硬件在項目中起到的功能和作用。教學(xué)難點:了解具體開源硬件項目作品的設(shè)計過程，能說明基于開源硬件項目的基本流程。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)入體驗探索體驗創(chuàng)客活動創(chuàng)客嘉年華和MakerFaire活動是全世界最受歡迎的創(chuàng)客交流活動，它是一個展示創(chuàng)意、創(chuàng)新與創(chuàng)造的舞臺，如圖2.4.1所示。在這里，你可以與不同領(lǐng)域的創(chuàng)客歡聚一堂，盡情釋放對科學(xué)和創(chuàng)造的熱情；在這里，你可以參與各種有趣的工作坊，傾聽大咖的論壇演講，還可以現(xiàn)場動手創(chuàng)作屬于自己的創(chuàng)客作品。上網(wǎng)搜索并觀看創(chuàng)客嘉年華、MakerFaire等創(chuàng)客活動的相關(guān)視頻，感受充滿激情與驚艷的創(chuàng)客作品。思考：1.創(chuàng)客活動中哪些項目作品給你留下了最深刻的印象？這些作品運用了哪些開源硬件？試舉例說明。2.還有哪些與創(chuàng)客相關(guān)的國內(nèi)或國際活動？以小組為單位交流討論。媒體藝術(shù)作品開源硬件的發(fā)展與新媒體藝術(shù)家有著重要關(guān)聯(lián)。藝術(shù)家們一直在嘗試使用不同的工具或材料，尋找創(chuàng)作空間。不同的膠卷和沖洗藥水、廢舊的金屬、各色的泥巴和不同材質(zhì)的紙張等，都可以成為藝術(shù)家們使用的材料。隨著電子技術(shù)和數(shù)字媒體的普及，2005年，一群意大利媒體藝術(shù)家在使用Processing創(chuàng)作新媒體作品時，終于找到了一種新的電子交互工具——Arduino。事實上，正是這些媒體藝術(shù)家們創(chuàng)造了Arduino。Arduino可以解決藝術(shù)創(chuàng)作過程中的數(shù)字媒體與傳感器之間的交互需求，并以此展現(xiàn)更具創(chuàng)意的藝術(shù)創(chuàng)作。到2010年左右，Arduino幾乎成了“互動新媒體”的代名詞。互動裝置藝術(shù)作品：最美麗的時候遇見你“最美麗的時候遇見你”是國內(nèi)一個多媒體工作室的作品，由一位紙藝師和一位多媒體藝術(shù)家合作完成。這個作品是一面由8把扇子組成的墻，墻上裝飾著各種漂亮的葉子，如圖2.4.2所示。每當(dāng)有觀眾從作品旁走過，一把把紙扇緩緩展開，形成一朵朵紅色的花。隨著觀眾的離開，紙扇緩緩閉合，回歸原貌。當(dāng)兩人面對面走來時，花開，然后花謝，耐人尋味。裝置原理“最美麗的時候遇見你”作為一個裝置藝術(shù)作品，由8把紙藝扇子組成，通過扇子的開合變化與觀眾產(chǎn)生互動。每把扇子都由步進電機控制，用紅外測障傳感器判斷是否有觀眾靠近，其核心控制器使用Arduino。當(dāng)觀眾接近裝置時，觸發(fā)感應(yīng)裝置，驅(qū)動電機爭相正向轉(zhuǎn)動，紙扇自動展開。當(dāng)觀眾離開作品時，電機反向轉(zhuǎn)動，紙扇自動閉合。8把扇子通過8個傳感器控制，每把扇子各自獨立運行。這個裝置藝術(shù)作品將傳統(tǒng)紙藝與數(shù)字媒體相結(jié)合，由開源硬件Arduino實現(xiàn)電子部分，用科技詮釋了自然與生活，實現(xiàn)了藝術(shù)與科技的完美融合。Arduino為藝術(shù)家創(chuàng)作帶來了新的設(shè)計靈感，也為創(chuàng)作提供了便利的工具。Arduino等開源硬件出現(xiàn)前，要實現(xiàn)類似“最美麗的時候遇見你”的功能，需要有硬件工程師的配合，而在創(chuàng)作過程中因工程師難以理解藝術(shù)家的設(shè)計思維，最終導(dǎo)致創(chuàng)作“難產(chǎn)”的案例屢見不鮮。開源硬件Arduino出現(xiàn)后，這類問題有了更好的解決途徑。藝術(shù)家有了最初的設(shè)計靈感之后，選用成本低、易操作的Arduino作為控制器，通過紅外傳感器模塊和步進電機的組合，能夠快速實現(xiàn)原型的搭建以及交互和控制功能，得以把更多精力放在藝術(shù)創(chuàng)作上。思考活動傳感器與交互功能“最美麗的時候遇見你”這個互動裝置依靠紅外測障傳感器來感知是否有觀眾經(jīng)過。思考：1.還有哪些傳感器可以實現(xiàn)類似的功能？2.還可以選用哪些不同的傳感器用以實現(xiàn)各種奇妙的交互功能？不斷迭代的3D打印機MakerBot項目簡介MakerBot是一臺開源的桌面3D打印機（圖2.4.3），誕生于2009年，由布里·佩蒂斯（BrePettis）和他的朋友們創(chuàng)造。這款3D打印機從軟件到硬件的各種資料（包括電路與機械部分，以及軟件的源代碼等）全部是免費和開源的。用戶可通過MakerBot的網(wǎng)站設(shè)計資料，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出符合自己需求的3D打印機。MakerBot是一款經(jīng)典的盒子型3D打印機，目前，在很多創(chuàng)客空間中都還可以看到它的影子。很多人正是通過它認識和了解3D打印技術(shù)的，也有很多人通過它體驗開源與分享的樂趣。從某種意義來說，MakerBot促進了創(chuàng)客文化的傳播與創(chuàng)客運動的進程。裝置原理MakerBot3D打印機是用擠壓的方式把耗材從加熱頭擠出來，被擠壓出來的液態(tài)材料將模型的一層“畫”出來，打印完一層后再打印下一層，直到把實體模型全部打印出來。整個過程是通過打印機的各個組件相互配合完成的，這些組件包括電子部件、固件、控制軟件和分層軟件。MakerBot項目源自于布里·佩蒂斯和他的朋友們想買一臺價格便宜的3D打印機，但當(dāng)時市場上3D打印機價格較貴，于是他們萌生了自己造一臺3D打印機的想法。其實，早在2005年，便有了第一個開源的3D打印項目——RepRap項目，由英國巴斯大學(xué)機械學(xué)院的AdrianBowyer等人設(shè)計制作，而后RepRap被廣泛傳播。MakerBot項目團隊決定在開源的RepRap基礎(chǔ)之上研發(fā)自己的3D打印機。他們把RepRap三角形設(shè)計改成更穩(wěn)定的立方盒子設(shè)計，并改進早期只能通過計算機串口才能打印的不便性，在打印機的機身上增加了液晶顯示、旋鈕、按鍵和SD卡槽等模塊，使用時通過這些按鍵直接進行打印操作。就這樣，MakerBot橫空出世了，其創(chuàng)作團隊繼承發(fā)揚開源的精神，將所有硬件和軟件全部開源，使任何人都可以在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造自己的3D打印機。閱讀拓展3D打印機2015年，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》行動綱要中多次提及3D打印技術(shù)。作為具有代表性的新興技術(shù)，3D打印技術(shù)從概念模型構(gòu)建到數(shù)字化制造的過程都符合現(xiàn)代數(shù)字化構(gòu)造的理念，因此它在傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中扮演著越發(fā)重要的角色。計算機端的打印控制軟件控制3D打印機完成工作。例如，啟動分層軟件，控制打印頭在三維坐標系內(nèi)的移動，設(shè)置并監(jiān)控打印頭、打印托盤的溫度，以及控制打印任務(wù)的開始、暫停和取消等。3D打印機上的控制系統(tǒng)需要多部分協(xié)同工作，包括核心板、擴展板、電機驅(qū)動、步進電機、加熱頭、打印托盤、末端限位開關(guān)和溫度傳感器等，如圖2.4.4所示。核心板中運行的控制程序被稱為“固件”（Firmware）。核心板在3D打印固件的調(diào)度下獲取傳感器信息、控制電機驅(qū)動實現(xiàn)打印頭的運動以及控制加熱頭或可加熱托盤的開關(guān)等。目前，常見教學(xué)用3D打印機的核心板一般采用開源硬件，所用固件也以開源固件為主。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬世界與實體世界的有機結(jié)合，這使得3D打印機進校園成為一件非常有意義的事情。3D打印機可以快速將概念轉(zhuǎn)化為實體模型，使學(xué)生的個性化創(chuàng)意得以實現(xiàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意興趣，提升實踐創(chuàng)新能力。3D打印機具有快速成型的特點，可以用于各學(xué)科教具制作，例如，打印身體各器官的組織結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)、古代的文物和重要事件的器具、獨特的地貌等，如圖2.4.5所示。3D打印機派生出很多類似的開源設(shè)備。例如，一種在蛋殼上繪畫的設(shè)備——畫蛋機，畫蛋機的結(jié)構(gòu)和3D打印機的結(jié)構(gòu)相比有所變化，該設(shè)備通過一個旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)將打印機中Y方向的移動變成了旋轉(zhuǎn)，而對于加熱頭位置送料的控制變成了對馬克筆的控制。3D打印的流程從一個完整的3D模型開始。3D模型可以從網(wǎng)上，也可使用建模程序，如Blender或OpensCAD進行設(shè)計，只要保證模型的文件格式是“.STL”即可。準備好模型，下一步就是利用分層軟件把模型分層，并生成路徑文件。3D打印機能識別對應(yīng)的路徑文件，并“告訴”打印頭該如何運動和吐料。實踐活動打印實體3D模型1.上網(wǎng)或者利用3D建模軟件自己構(gòu)建3D模型。2.為B型板設(shè)計一個外殼3D模型，并使用3D打印機打印出來?？焖僭妥髌罚褐悄茗B蛋“智能鳥蛋”開源硬件項目是國際猛禽中心的禿鷲保護公益項目，旨在獲取禿鷲孵化過程的數(shù)據(jù)信息。研究人員把一個能夠以假亂真的“智能鳥蛋”放在禿鷲巢里，如圖2.4.6所示，然后“智能鳥蛋”就可以自動采集禿鷲蛋孵化時周圍環(huán)境的溫度、濕度以及禿鷲蛋孵化時的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時保存到云端，供研究人員研究并采取行動，以確保禿鷲圈養(yǎng)繁殖時處于最佳的孵化環(huán)境中，從而保障禿鷲的安全繁殖。裝置原理“智能鳥蛋”的外殼由3D打印完成。整個項目由蛋內(nèi)采集端、數(shù)據(jù)中繼端及服務(wù)器云端三部分組成，如圖2.4.7所示。蛋內(nèi)采集端使用了Microduino控制板，連接了溫度傳感器、濕度傳感器以及姿態(tài)傳感器來采集禿鷲蛋孵化時的溫度、濕度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過藍牙通信方式發(fā)送到數(shù)據(jù)中繼器——端。數(shù)據(jù)中繼端作為數(shù)據(jù)處理、存儲以及連接網(wǎng)絡(luò)的管理單元，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到云端，并以網(wǎng)頁的形式顯示出來，如圖2.4.8所示?！爸悄茗B蛋”團隊試圖設(shè)計一個記錄數(shù)據(jù)的裝置，在人工飼養(yǎng)禿鷲的過程中監(jiān)視鳥巢的環(huán)境條件。那么，通過何種方式來觀察禿鷲的孵蛋過程呢？“智能鳥蛋”團隊想到了可以做一個假鳥蛋，放在猛禽窩里，借此獲取孵化鳥蛋所需的溫度、濕度以及姿態(tài)等信息。想法確定后，便開始考慮器材選擇問題，考慮到假鳥蛋中的空間狹小，最終選擇了體積較小的開源硬件Microduino。“智能鳥蛋”是一個復(fù)雜的項目，憑借幾個人的力量很難完成，于是“智能鳥蛋”團隊把這個項目變成了一個社區(qū)項目，試圖讓更多的人參加進來，共同完成這個項目。項目發(fā)布后，全球范圍的很多志愿者加入到項目開發(fā)中，有電子硬件電路設(shè)計愛好者，有專注于藍牙產(chǎn)品的設(shè)計人員，有Web開發(fā)愛好者，有喜歡樹莓派和編程的高中生，有喜歡Microduino的電子愛好者，有富于開源精神的資深工程師，有專注智能硬件、大數(shù)據(jù)分析的老程序員，這些志愿者通過互聯(lián)網(wǎng)分工合作。項目研發(fā)過程中，很多不了解技術(shù)但對項目很感興趣的人也積極參與項目的開發(fā)，他們希望為公益項目作出貢獻，提出了很多有價值的意見。例如：鳥蛋孵化大概需要70天，如何保證電池能夠續(xù)航至少70天；為了不被禿鷲識破假蛋，智能鳥蛋的重量必須和其他禿鷲蛋一樣，等等。眾多志愿者的分工協(xié)作使這個項目得以順利完成。開源硬件、開源社區(qū)的優(yōu)勢就在于開放式的協(xié)作與分享，它能夠?qū)⒁粋€項目不斷地迭代優(yōu)化，直至獲得問題的最優(yōu)解。開源硬件為我們解決現(xiàn)實生活中的問題提供了一條便捷途徑。思考活動“智能鳥蛋”擴展“智能鳥蛋”的數(shù)據(jù)記錄裝置系統(tǒng)能否擴展成一個大平臺系統(tǒng)，服務(wù)于全世界的瀕危猛禽的保護工作？試分析其可能性。項目開發(fā)基本流程創(chuàng)客空間中的有些開源硬件項目比較復(fù)雜，為保證復(fù)雜項目的順利完成，有必要規(guī)劃設(shè)計一個完整的項目方案。通過體驗與剖析“最美麗的時候遇見你”“3D打印機”“智能鳥蛋”三個開源硬件項目，不難發(fā)現(xiàn)：開源硬件項目開發(fā)一般要經(jīng)歷創(chuàng)意與項目來源、項目設(shè)計與制作、項目測試與運行、分享等流程。創(chuàng)意與項目來源有價值的創(chuàng)作活動都需要圍繞創(chuàng)意點展開，那么創(chuàng)意又從何而來呢？創(chuàng)意可能依托于個人對生活或周圍環(huán)境的感悟，或是滿足自己的好奇和需求等?！白蠲利惖臅r候遇見你”也許就是藝術(shù)家腦海中靈光一現(xiàn)、詩一樣的夢幻想法。開源硬件項目的來源，可以是工作和生活需求。像MakerBot的發(fā)明者一樣，因為想要一臺價格比較適合的3D打印機而不可得，索性自己制造符合自己要求的3D打印機。開源硬件項目的創(chuàng)意，還可以來源于社會公益責(zé)任。像“智能鳥蛋”的發(fā)起者一樣，看到鳥類重要物種瀕臨滅絕，想要做點什么以避免悲劇的發(fā)生。簡而言之，開源硬件的豐富和發(fā)展，為創(chuàng)意的實現(xiàn)提供了便利的物質(zhì)基礎(chǔ)。不要讓問題和困難限制了我們的想象，多見、多聞、多思，勤于觀察、大膽思考、勇于嘗試，做個生活的有心人。項目設(shè)計與制作有了創(chuàng)意之后，有必要制訂詳細、周密的實施方案。梳理項目的實施思路，有助于將創(chuàng)意一步步變?yōu)楝F(xiàn)實。這個階段是項目進行的具體計劃環(huán)節(jié)，直接決定了項目的可執(zhí)行性。在這一階段，我們需要考慮整個項目過程中，需要采集什么樣的信息數(shù)據(jù)、使用何種開源硬件及軟件，以及如何處理采集的數(shù)據(jù)等。在“最美麗的時候遇見你”作品中，需要考慮：用何種方式判斷人是否經(jīng)過，選取什么硬件采集相應(yīng)的信息，設(shè)計何種形式，采用哪種技術(shù)方法創(chuàng)造出令人驚艷的作品表現(xiàn)效果。在MakerBot開源3D打印機項目中，想要制造一臺自己的3D打印機，首要需要了解3D打印機的組成，然后考慮設(shè)計最佳的打印機外殼，還需進一步對電子電路和控制算法進行改造。在“智能鳥蛋”項目中，需確定要獲取鳥蛋孵化過程中的哪些信息，需考慮如何制造出禿鷲能夠接受的鳥蛋外殼，還需考慮如何將獲取的信息向外傳送以及信息發(fā)布的技術(shù)和途徑。由于該項目規(guī)模較大，還需考慮以何種方式組織項目的研發(fā)。有了較為詳盡的設(shè)計后，就要進入具體的項目制作環(huán)節(jié)。這個過程，一定要按照事前設(shè)計好的項目方案進行實踐操作，包括外觀的設(shè)計、硬件的連接、作品的組裝以及代碼的編輯等，只有這樣才能保證項目的順利實施。項目測試與運行項目原型制作完成后，就需要搭建必要的測試環(huán)境，做好項目功能調(diào)試準備工作。在“最美麗的時候遇見你”項目中，可以先將一片扇葉與步進電機進行連接，然后上傳代碼進行測試，如果滿足預(yù)期的效果，就可以把其他步進電機全部裝配好與扇葉一起聯(lián)合測試，然后進行藝術(shù)繪畫和裝飾創(chuàng)作，完成一個完整的藝術(shù)作品，展示出來供大家體驗與分享。在MakerBot開源3D打印項目中，將打印機改造成立方盒子結(jié)構(gòu)后，要對電路、機械結(jié)構(gòu)等各個功能進行測試。例如，噴頭及打印平臺能否正常移動，出絲是否正常，然后測試并改進打印的精度。3D打印長時間工作的穩(wěn)定性測試是一個漫長的過程，工程技術(shù)的進步是一步一個腳印走過來的。在“智能鳥蛋”項目中，要對鳥蛋的外殼尺寸和重量進行反復(fù)調(diào)試，直到兩者都符合項目要求。要測試鳥蛋采集端與中繼端的通信，以保障系統(tǒng)能在戶外長期穩(wěn)定工作。要測試中繼端與云端服務(wù)器的通信，如果測試結(jié)果沒有問題，便可在真實的環(huán)境中實施項目。項目結(jié)束后，需向大家展示作品。另外，還可以繼承發(fā)揚開源精神，將項目作品的全部資料（包括硬件、軟件和代碼等）全部開源。需要注意的是，每個項目的完成不都是一蹴而就的，經(jīng)常需要經(jīng)過反復(fù)的改進才能完成。并且，待作品與用戶見面后，根據(jù)用戶體驗實際情況，還可能需要進一步修