親歷設計制作，踐行開源精神
——基于開源硬件的作品設計與制作的教學策略

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，本單元就是要根據開源項目“創意、設計、創作、測試與運行、分享”之基本流程，實現作品的設計與制作，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方案”。這里提到的“事物特征”實際上是指作品創意的應用特征，也就是創意作品的應用需求及相應的功能需求。據此設計方案，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、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據輸出部分，核心板編程調各部分元件工作，調用輸入數據進行處理并輸出。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據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“根據設計方案，選擇恰當的開源硬件”，以“審查與優化作品設計方案”。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、編程實現功能、測試運行調試、優化設計方案、作品發布分享等。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則和方法”，然后再“根據設計方案，利用開源硬件、相關組件與材料，完成作品制作”。

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

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“根據設計方案，測試、運行作品的數據采集、運算處理、數據輸出、調控執行等各項功能”，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劣，以便改進提升。

優化設計方案：在制作過程中特別是在運行測試的過程中，會發現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、優化設計方案，使之更好地實現作品功能。

作品發布分享：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造的樂趣，培養利用信息技術解決問題和創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一些生活中的簡單信息系統，如設計開發“溫度監測調控系統”，當溫度達到一定值后，結合一定的條件（如季節）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。