基于仿真的深度主題探索課程

劉昭 孟延豹

前言：

基于仿真軟件和創客硬件的半實物項目式學習課程，是伙樂魅客的劉昭博士非常有特色的課程，他作為曾經在航天五院“錢學森實驗室”有過十年工作經驗的工程師，對航天任務規劃非常鐘愛，他的課程有著他在清華的博士學習過程和航天的項目研究過程的深深的烙印，而這反而給了我們一種深度學習的樣例，這樣的課程已經在北京的幾所中學不同程度地進行，其設計以及執行過程都能夠給我們很多啟發。

● 創客活動及創客課程

伙樂魅客基于仿真的深度主題探索課程，是基于工業場景的創客課程，在討論之前，不妨退回到創客教育這一更大的范疇，分析一下深度主題探索的產生背景。

關于“創客活動”（Maker Movement），一般認為最早源于美國麻省理工學院（MIT）的比特及原子研究中心在2001年發起的Fab Lab（Fabrication Laboratory，制作實驗室）創新項目。Fab Lab以個人創意、個人設計、個人制作為核心理念，旨在構建以用戶為中心，融合設計、制作、裝配、調試、分析以及文檔管理的全流程創新制作環境。

“創客活動”也稱“創客行動”，其具體內涵是指人們利用身邊的各種材料和計算機等相關設備（如3D打印機）、程序及其他技術性資源（如互聯網上的開源軟件），通過自己動手或與他人合作制造出獨創性產品的一種活動。率先提出“創客行動”口號的克理斯·安德森認為，創客行動有三大特征——使用多種數字桌面工具；遵循共享設計和在線協作的文化規范；使用共同的設計標準以促進分享和產品的快速迭代。

就我們前一段時間調研的結果來看，目前的創客課程，比較缺乏這樣的團隊工業仿真課程。即由若干人組成一個大的工業生產團隊，共同完成某個復雜系統的設計。開發這種仿真課程有其必要性，原因在于：首先，隨著人類文明的發展，以及各類企業規模的逐漸壯大，集體協作的工業生產，將來會越來越有重要的地位。信息技術和創客運動的發展不是削弱了這種大規模協同，相反，它們給大規模協同提供了更好的支持。其次，分布式大規模協同仿真更接近于真實社會。學生們在完成仿真訓練的過程中，習得的不僅僅是科學知識和操作技能，還有社會經驗。經過這樣的訓練，他們將能更好地理解社會生產的本質。

● 航天課程與STEAM課程

宇航任務規劃適合作為STEAM課程，是因為它具有以下特點：

（1）學科融合。宇航任務融合了數學、物理、幾何、化學、生物等多學科，而且結局開放，符合STEAM教育的基本理念。

（2）宇航任務的結局開放，富有趣味性和挑戰性，適合作為創客課程。

（3）體現了工程技術活動的思維習慣。本課程強調反向遞推的認知過程，讓學生在有限時間內既能接觸某個大工程的全過程又能有所側重，讓學生既看樹木又見森林，使得他們的眼界、理解力、自學能力都會有極大的提升。

（4）進行角色扮演，從而對某一專業領域的工程組織、工程實踐和相應科學問題有一個比較深入的了解和思考。各個團隊深度合作反復迭代，對學生的組織能力、表達能力、規劃能力、工程能力會有很大促進。

我國進入經濟和科技發展新階段，對下一代人才的創新能力提出了前所未有的挑戰。教學內容與形式需要和科技發展趨勢接軌。科技創新能力來源于工匠精神、團隊意識和創新欲望，應該盡量要從小培養。

伙樂魅客航天課程引導學生實踐自己童年渴望，整合自己所學知識，嘗試設計宇航任務規劃方案，進行半實物仿真和系統聯調，解決航天衛星實踐活動中所面臨的工業實踐、系統工程、人際關系、組織管理、審美優化等方面的問題。

伙樂魅客的航天主題課程愿景是：

（1）全方位立體了解項目探究。探索大主題探究中的策劃因素、組織因素、技術因素、社會因素、行為因素。

（2）培養技術思維習慣。對科研活動進行深度體驗，為未來的創造活動打好基礎。

（3）引導學生體會探究式學習過程，在創造中學習。

（4）基礎和前沿教育相結合。引導學生接觸科技發展最新動態，同時培養學生嘗試設計基礎工具軟件，嘗試探究和完善學科基礎理論，修補邊角理論。

（5）為學校做好點面結合的人才培養。為學校建立探究生態環境，形成探究氛圍，為學校的科研活動做好技術儲備，為尖端人才脫穎而出做好鋪墊。

（6）培養學生科技觀。幫助學生理解人類知識體系，把握創新全局，培養創新領袖。

所謂航天任務或航天使命（space mission），即賦予航天活動的使命，也即為航天活動確定的工作內容、方法和要求，或利用航天器實現的軍事、民用或商業目標。航天任務具有投資多、風險大、回報高的特點，因此在編制和實施航天任務時，除千方百計降低成本外，還要非常重視提高可靠性，保證成功率。

如今，從學校到培訓班，STEAM教育不可否認是一個熱點。目前的STEAM教育呈現出了百花齊放的特點，如有的學校側重機器人教育，有的側重樂高、Vex等場景搭建課程，有的側重金鵬論壇等科技創新類課程。目前基于實際工業場景的課程還比較少見，但工業場景更加接近于實際研究和創新的本源。

以上是我們的愿景。在這一年多來的教學實踐過程中，我們利用了劉慈欣的《三體》作為任務情境，學生利用所學創客技能完成《三體》中的一些任務的設計。

● 航天課程設計

課程中我們利用學生們普遍喜歡的“硬科幻”場景，來引導學生學習晦澀的宇航知識、創客知識。

在探討課程設計之前，我們先看看需要講授的都有哪些知識與技能、過程與方法。對于過程與方法，我們關注的應該是人類社會現有工業生產中經常出現的規范、慣例和習慣。比如管理中的層級組織結構，開發中的研討、傳承、辯論、仲裁，以及企業文化等工作習慣。因此工業仿真的終極場景可以設計為：

（1）課程設計源于但不囿于現有工程方案。問題提煉于實際的航天工程，結合學生的年齡和知識結構特點有所調整。有工程訓練，也有虛擬想定和仿真。學科交叉，高度原創。

（2）每個項目都有一個完整的工程組織結構。模仿人類工程實踐層級，設立層級組織機構。包括工程指揮、項目經理以及各子系統負責人。強調反向遞推的認知過程，讓學生既見樹木又見森林，期望學生的眼界、理解力、自學能力有所提升。

工欲善其事必先利其器。為了達到參與工業場景的基本要求，學生不可避免要學習一些基本技能。一個合格的創客，應該具有以下四方面的能力。

（1）硬件學習和設計能力，包括：

◇創意能力：能夠提出自己的創意，對工程實踐邊緣有感性認識（能初步分析工程可行性）。

◇自學、自培養、自完善能力：通過實驗序列設計， 研究硬件模塊的功能和接口的能力；完善自我知識體系樹的能力。

◇EDA軟件使用能力：通過實驗，熟悉硬件設計流程和經典設計軟件（altium、solid、arduino等）的能力。

◇調試能力：包括能讀懂基本電路圖，能通過查資料弄清楚如何調整電路元件使其能正常工作。

◇設備使用能力：會使用硬件設計的基本設備，如電烙鐵、洞洞板、松香等。

◇元件使用能力：會選型并使用基本元件完成創客作品，如會使用元件盒、基本直插元件、基本貼片元件、開關等基本元件，能夠讀懂簡單電路圖，并按照圖中方法進行元件安裝。

◇設計和調試技巧：知道調試中的安全問題如何解決；對元件成本有基本概念，知道該如何避免不必要的損失；了解短路等嚴重電路故障該如何避免；了解基本的電工操作規范等。

（2）軟件設計能力，包括：

◇軟件庫的開發和調試能力：根據工程需要和團隊長遠規劃生成軟件庫，并用軟件工程運維此軟件庫。

◇文檔能力：軟件設計手冊的編寫能力。

◇軟件工具使用能力：IDE（如arduinoIDE）和命令行編譯工具（如gcc）和調試工具（如python-mpdb）的使用能力。

◇軟件調試能力：用軟件調試工具調試庫函數和應用函數的能力。

◇數據結構和算法：能根據實際問題提出合理的數據結構，能根據實際問題提出擬采用的排序等基本算法。

（3）結構設計能力，包括：

◇3D設計和數字加工意識：了解創客作品加工的基本流程，讓對工業的理解進入4.0年代。

◇結構設計基本流程：熟悉solidworks等經典建模軟件進行3D設計的思路。

◇經典結構的設計能力：能夠設計立方體、榫孔等基本結構。

◇結構合理性分析能力：能夠使用設計軟件進行結構合理性分析，排除碰撞等基本設計失誤。

（4）網絡設計能力，包括：

◇TCP/IP網絡和以太網基本知識：了解什么是網絡協議、什么是應用層程序、什么是拓撲，網頁和網絡編程的概念，以及路由器、調制解調器等基本概念。

◇網絡編程能力：socket程序設計能力。

◇網絡協議分析、設計、實現能力：點對點分布系統設計能力，簡單分布式系統協議的分析、設計和實現能力。

因此我們的課程設計思路為從基本技能入手，反復習得，在此過程中，逐步引入工程管理的方法和架構。

我們提出的總體設計思路為：課程分為兩部分進行。前半部分是創客基礎和造物課程。根據我們上面講過的內容，首先講述arduino、C、python等軟硬件知識；這個過程也會講述一些計算機硬件的基礎知識，以及電子電路的基礎知識。無論具體課程如何設計，總之是講述創客的“必殺技”。然后會引導學生設計一些簡單的創客作品。后半部分，會通過引導學生設計一些比較復雜的創客作品來鞏固和深化創客基本知識。最后，綜合學到的創客知識，我們會帶領學生設計一個比較綜合的航天任務仿真。

何謂航天任務仿真項目？一言以蔽之，就是帶領學生利用創客手段，克服重重困難完成一次宇航任務。這些困難可能是系統內部的電源失效、通信中斷，也包括來自系統外部的通信干擾，甚至是導彈襲擊。

下頁圖1給出了一次仿真場景示例。這里稍作解釋：最初，衛星從地球被發射，在發射的過程中，有一枚火箭被從地球發射，來追擊這顆衛星，并且，火箭在衛星附近爆炸，造成衛星溫度升高，從而，恒溫系統被啟動，衛星溫度開始降低，系統逐漸恢復正常。然后，電池組A失效，衛星系統啟動備份電池組B，于是，電池組A恢復正常工作，衛星系統從電池組B切換回電池組A，接著，發生干擾，遙控失效，啟動星務自主管理，電池再次失效，星務系統自主啟動備份電池，干擾解除，衛星重新受到遙控。最后，完成拍攝，回傳，完成地面站處理。

當然，我們這里使用的是仿真衛星來參與實驗。所謂仿真衛星，是指此衛星的功能類比于真實衛星，但是其外形和布局和真實衛星有差別。通過基于仿真衛星的使命仿真實驗，學生可以習得以下知識、能力和過程：（1）工程探索能力：資料調研、實驗品采購、知識梳理、方案提出和磨合、仿真和調試方案和實施；（2）協同創新能力：方案的提出、論證、研討、調研、辯論；工程的組織。

由圖1可以看出，此仿真系統部分由實物仿真完成，部分由軟件仿真完成。所以在系統設計中，需要考慮的因素包括：（1）軌道仿真：很難用硬件仿真，建議用軟件仿真實現；（2）姿軌控系統仿真：涉及復雜的數學計算和物理計算，超出了中學生知識范圍，可以簡化為旋轉問題，用硬件實現；（3）熱控系統仿真：可以用實物簡單仿真實現。

我們的仿真系統其實包括兩個軟件，即仿真系統和遙測遙控系統（如圖2）。

以上表格給出了這部分的課程設計，以供參考。

通過以上課程，我們認為，學生從深度探索創客活動中獲得的將不僅僅是知識。從過程與方法的角度看，其習得包括自我知識體系構建能力、實驗和知識拓展能力、協作能力、表達力、組織力、宣傳力。

后記

航天主題課程筆者也見過一些，但是像劉昭博士這樣的設計還是很少見的，課程主要的特點就在于課程深度，當然課程主要難點也在于此，這樣的課程是否能推廣呢？或者說，這樣的課程適合于什么樣的學生和學校？這也是需要我們好好思考的問題。