李維明

“基于開源硬件的作品設計與制作”是普通高中信息技術課程之選擇性必修模塊6的第三單元，按照《課標》的要求，本單元就是要根據(jù)開源項目“創(chuàng)意、設計、創(chuàng)作、測試與運行、分享”之基本流程，實現(xiàn)作品的設計與制作，其教學活動也必然圍繞設計與制作來展開。

● 重視方案設計，明確調用關系

對于方案的設計，《課標》明確指出要“基于事物特征的分析，設計基于開源硬件的作品開發(fā)方案”。這里提到的“事物特征”實際上是指作品創(chuàng)意的應用特征，也就是創(chuàng)意作品的應用需求及相應的功能需求。據(jù)此設計方案，一方面要明確該作品在應用方面需要做些什么動作、實現(xiàn)什么功能、達到什么要求等，另一方面還要考慮開源硬件是否能實現(xiàn)、成本預算是否符合要求等。

在此基礎上，需要“描述作品各組成部分及其功能作用，明確各組成部分之間的調用關系”。對于開源硬件作品來說，一般都有傳感輸入部分和數(shù)據(jù)輸出部分，核心板編程調各部分元件工作，調用輸入數(shù)據(jù)進行處理并輸出。例如，設計一個能顯示水溫的水壺，就需要有測溫功能，有顯示功能，這兩部分的調用關系就是核心板調用測溫元件的數(shù)據(jù)進行處理并輸出到顯示元件加以顯示。

在初步的設計方案出來之后，還必須“根據(jù)設計方案，選擇恰當?shù)拈_源硬件”，以“審查與優(yōu)化作品設計方案”。這一步驟的意義也十分重要，因為不同系列的開源硬件其特性是不一樣的，其外圍的輸入、輸出元件差別也很大。

● 實施設計方案，踐行開源精神

在設計方案完成后，就應該根據(jù)設計方案，分步進行作品的制作，其中主要包括硬件制作組裝、編程實現(xiàn)功能、測試運行調試、優(yōu)化設計方案、作品發(fā)布分享等。通過這幾個步驟，完成作品制作，踐行開源精神。

硬件制作組裝：開源作品的制作，涉及電子元件的連接與測試、機械部件的組裝與加工等工序，一般會在設備、設施相對完善的工作室進行。在開始動手前，首先要“了解作品制作過程中各種設備與組件的安全使用規(guī)則和方法”，然后再“根據(jù)設計方案，利用開源硬件、相關組件與材料，完成作品制作”。

編程實現(xiàn)功能：在開源作品的硬件組裝完成后，要想讓開源作品發(fā)揮出設計的功能，需要通過編程軟件來對傳感器件、顯示器件的參數(shù)進行調試，同時還要通過主控板來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調用和參數(shù)的調節(jié)，以達到根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化而實現(xiàn)自動控制的目的。所以，“根據(jù)設計方案，利用開源硬件的設計工具或編程語言，實現(xiàn)作品的各種功能”是制作過程中最為重要的環(huán)節(jié)。

測試運行調試：在開源作品的硬件組裝及軟件程序設計完成后，就應該“根據(jù)設計方案，測試、運行作品的數(shù)據(jù)采集、運算處理、數(shù)據(jù)輸出、調控執(zhí)行等各項功能”，既要驗證硬件連接及軟件編程的正確性，調試改進，也要驗證設計方案的優(yōu)劣，以便改進提升。

優(yōu)化設計方案：在制作過程中特別是在運行測試的過程中，會發(fā)現(xiàn)所設計的開源作品存在著不盡如人意之處，其中有些是設計方案要求太高或與實際不夠吻合造成的，有些是制作條件受限達不到設計要求造成的，這些都需要調整、優(yōu)化設計方案，使之更好地實現(xiàn)作品功能。

作品發(fā)布分享：開源硬件具有“開放性”“低成本”和“標準化”三個顯著的特征。在作品完成后，適時地發(fā)布與分享，是“踐行開源與知識分享的精神，理解保護知識產權的意義”的重要途徑。

● 教學策略

本單元教學的基本策略是“動手設計、動手制作”，即親歷、設計制作的全過程，完成一件開源作品的設計與制作。

為了實現(xiàn)這一策略，在教學設計時就要考慮如何利用開源硬件開展項目學習，讓學生體驗研究和創(chuàng)造的樂趣，培養(yǎng)利用信息技術解決問題和創(chuàng)新設計的意識和能力。設計項目方案、開展項目活動是讓學生“動手”的最佳途徑。

在具體教學時，教師可組織學生利用開源硬件設計開發(fā)一些生活中的簡單信息系統(tǒng)，如設計開發(fā)“溫度監(jiān)測調控系統(tǒng)”，當溫度達到一定值后，結合一定的條件（如季節(jié)）控制風扇、空調器的啟動或關閉。

為了讓學生親歷設計制作的全過程，建議如下：一是時間要充分，要讓學生有足夠的時間創(chuàng)意思考、設計制作；二是條件要充足，這包括提供的開源硬件元件及設計制作的場所要能滿足活動的需要；三是指導要到位，這就是說學生在需要的時候能得到教師的及時指導和幫助，包括現(xiàn)場的指導、在線的咨詢以及微課的支持等；四是分享要及時，主要是搭建一個交流分享的平臺，讓學生相互交流借鑒，改進提高，以充分踐行開源精神。