基于仿真的深度主题探索课程

刘昭 孟延豹

前言：

基于仿真软件和創客硬件的半实物项目式学习课程，是伙乐魅客的刘昭博士非常有特色的课程，他作为曾经在航天五院“钱学森实验室”有过十年工作经验的工程师，对航天任务规划非常钟爱，他的课程有着他在清华的博士学习过程和航天的项目研究过程的深深的烙印，而这反而给了我们一种深度学习的样例，这样的课程已经在北京的几所中学不同程度地进行，其设计以及执行过程都能够给我们很多启发。

● 创客活动及创客课程

伙乐魅客基于仿真的深度主题探索课程，是基于工业场景的创客课程，在讨论之前，不妨退回到创客教育这一更大的范畴，分析一下深度主题探索的产生背景。

关于“创客活动”（Maker Movement），一般认为最早源于美国麻省理工学院（MIT）的比特及原子研究中心在2001年发起的Fab Lab（Fabrication Laboratory，制作实验室）创新项目。Fab Lab以个人创意、个人设计、个人制作为核心理念，旨在构建以用户为中心，融合设计、制作、装配、调试、分析以及文档管理的全流程创新制作环境。

“创客活动”也称“创客行动”，其具体内涵是指人们利用身边的各种材料和计算机等相关设备（如3D打印机）、程序及其他技术性资源（如互联网上的开源软件），通过自己动手或与他人合作制造出独创性产品的一种活动。率先提出“创客行动”口号的克理斯·安德森认为，创客行动有三大特征——使用多种数字桌面工具；遵循共享设计和在线协作的文化规范；使用共同的设计标准以促进分享和产品的快速迭代。

就我们前一段时间调研的结果来看，目前的创客课程，比较缺乏这样的团队工业仿真课程。即由若干人组成一个大的工业生产团队，共同完成某个复杂系统的设计。开发这种仿真课程有其必要性，原因在于：首先，随着人类文明的发展，以及各类企业规模的逐渐壮大，集体协作的工业生产，将来会越来越有重要的地位。信息技术和创客运动的发展不是削弱了这种大规模协同，相反，它们给大规模协同提供了更好的支持。其次，分布式大规模协同仿真更接近于真实社会。学生们在完成仿真训练的过程中，习得的不仅仅是科学知识和操作技能，还有社会经验。经过这样的训练，他们将能更好地理解社会生产的本质。

● 航天课程与STEAM课程

宇航任务规划适合作为STEAM课程，是因为它具有以下特点：

（1）学科融合。宇航任务融合了数学、物理、几何、化学、生物等多学科，而且结局开放，符合STEAM教育的基本理念。

（2）宇航任务的结局开放，富有趣味性和挑战性，适合作为创客课程。

（3）体现了工程技术活动的思维习惯。本课程强调反向递推的认知过程，让学生在有限时间内既能接触某个大工程的全过程又能有所侧重，让学生既看树木又见森林，使得他们的眼界、理解力、自学能力都会有极大的提升。

（4）进行角色扮演，从而对某一专业领域的工程组织、工程实践和相应科学问题有一个比较深入的了解和思考。各个团队深度合作反复迭代，对学生的组织能力、表达能力、规划能力、工程能力会有很大促进。

我国进入经济和科技发展新阶段，对下一代人才的创新能力提出了前所未有的挑战。教学内容与形式需要和科技发展趋势接轨。科技创新能力来源于工匠精神、团队意识和创新欲望，应该尽量要从小培养。

伙乐魅客航天课程引导学生实践自己童年渴望，整合自己所学知识，尝试设计宇航任务规划方案，进行半实物仿真和系统联调，解决航天卫星实践活动中所面临的工业实践、系统工程、人际关系、组织管理、审美优化等方面的问题。

伙乐魅客的航天主题课程愿景是：

（1）全方位立体了解项目探究。探索大主题探究中的策划因素、组织因素、技术因素、社会因素、行为因素。

（2）培养技术思维习惯。对科研活动进行深度体验，为未来的创造活动打好基础。

（3）引导学生体会探究式学习过程，在创造中学习。

（4）基础和前沿教育相结合。引导学生接触科技发展最新动态，同时培养学生尝试设计基础工具软件，尝试探究和完善学科基础理论，修补边角理论。

（5）为学校做好点面结合的人才培养。为学校建立探究生态环境，形成探究氛围，为学校的科研活动做好技术储备，为尖端人才脱颖而出做好铺垫。

（6）培养学生科技观。帮助学生理解人类知识体系，把握创新全局，培养创新领袖。

所谓航天任务或航天使命（space mission），即赋予航天活动的使命，也即为航天活动确定的工作内容、方法和要求，或利用航天器实现的军事、民用或商业目标。航天任务具有投资多、风险大、回报高的特点，因此在编制和实施航天任务时，除千方百计降低成本外，还要非常重视提高可靠性，保证成功率。

如今，从学校到培训班，STEAM教育不可否认是一个热点。目前的STEAM教育呈现出了百花齐放的特点，如有的学校侧重机器人教育，有的侧重乐高、Vex等场景搭建课程，有的侧重金鹏论坛等科技创新类课程。目前基于实际工业场景的课程还比较少见，但工业场景更加接近于实际研究和创新的本源。

以上是我们的愿景。在这一年多来的教学实践过程中，我们利用了刘慈欣的《三体》作为任务情境，学生利用所学创客技能完成《三体》中的一些任务的设计。

● 航天课程设计

课程中我们利用学生们普遍喜欢的“硬科幻”场景，来引导学生学习晦涩的宇航知识、创客知识。

在探讨课程设计之前，我们先看看需要讲授的都有哪些知识与技能、过程与方法。对于过程与方法，我们关注的应该是人类社会现有工业生产中经常出现的规范、惯例和习惯。比如管理中的层级组织结构，开发中的研讨、传承、辩论、仲裁，以及企业文化等工作习惯。因此工业仿真的终极场景可以设计为：

（1）课程设计源于但不囿于现有工程方案。问題提炼于实际的航天工程，结合学生的年龄和知识结构特点有所调整。有工程训练，也有虚拟想定和仿真。学科交叉，高度原创。

（2）每个项目都有一个完整的工程组织结构。模仿人类工程实践层级，设立层级组织机构。包括工程指挥、项目经理以及各子系统负责人。强调反向递推的认知过程，让学生既见树木又见森林，期望学生的眼界、理解力、自学能力有所提升。

工欲善其事必先利其器。为了达到参与工业场景的基本要求，学生不可避免要学习一些基本技能。一个合格的创客，应该具有以下四方面的能力。

（1）硬件学习和设计能力，包括：

◇创意能力：能够提出自己的创意，对工程实践边缘有感性认识（能初步分析工程可行性）。

◇自学、自培养、自完善能力：通过实验序列设计， 研究硬件模块的功能和接口的能力；完善自我知识体系树的能力。

◇EDA软件使用能力：通过实验，熟悉硬件设计流程和经典设计软件（altium、solid、arduino等）的能力。

◇调试能力：包括能读懂基本电路图，能通过查资料弄清楚如何调整电路元件使其能正常工作。

◇设备使用能力：会使用硬件设计的基本设备，如电烙铁、洞洞板、松香等。

◇元件使用能力：会选型并使用基本元件完成创客作品，如会使用元件盒、基本直插元件、基本贴片元件、开关等基本元件，能够读懂简单电路图，并按照图中方法进行元件安装。

◇设计和调试技巧：知道调试中的安全问题如何解决；对元件成本有基本概念，知道该如何避免不必要的损失；了解短路等严重电路故障该如何避免；了解基本的电工操作规范等。

（2）软件设计能力，包括：

◇软件库的开发和调试能力：根据工程需要和团队长远规划生成软件库，并用软件工程运维此软件库。

◇文档能力：软件设计手册的编写能力。

◇软件工具使用能力：IDE（如arduinoIDE）和命令行编译工具（如gcc）和调试工具（如python-mpdb）的使用能力。

◇软件调试能力：用软件调试工具调试库函数和应用函数的能力。

◇数据结构和算法：能根据实际问题提出合理的数据结构，能根据实际问题提出拟采用的排序等基本算法。

（3）结构设计能力，包括：

◇3D设计和数字加工意识：了解创客作品加工的基本流程，让对工业的理解进入4.0年代。

◇结构设计基本流程：熟悉solidworks等经典建模软件进行3D设计的思路。

◇经典结构的设计能力：能够设计立方体、榫孔等基本结构。

◇结构合理性分析能力：能够使用设计软件进行结构合理性分析，排除碰撞等基本设计失误。

（4）网络设计能力，包括：

◇TCP/IP网络和以太网基本知识：了解什么是网络协议、什么是应用层程序、什么是拓扑，网页和网络编程的概念，以及路由器、调制解调器等基本概念。

◇网络编程能力：socket程序设计能力。

◇网络协议分析、设计、实现能力：点对点分布系统设计能力，简单分布式系统协议的分析、设计和实现能力。

因此我们的课程设计思路为从基本技能入手，反复习得，在此过程中，逐步引入工程管理的方法和架构。

我们提出的总体设计思路为：课程分为两部分进行。前半部分是创客基础和造物课程。根据我们上面讲过的内容，首先讲述arduino、C、python等软硬件知识；这个过程也会讲述一些计算机硬件的基础知识，以及电子电路的基础知识。无论具体课程如何设计，总之是讲述创客的“必杀技”。然后会引导学生设计一些简单的创客作品。后半部分，会通过引导学生设计一些比较复杂的创客作品来巩固和深化创客基本知识。最后，综合学到的创客知识，我们会带领学生设计一个比较综合的航天任务仿真。

何谓航天任务仿真项目？一言以蔽之，就是带领学生利用创客手段，克服重重困难完成一次宇航任务。这些困难可能是系统内部的电源失效、通信中断，也包括来自系统外部的通信干扰，甚至是导弹袭击。

下页图1给出了一次仿真场景示例。这里稍作解释：最初，卫星从地球被发射，在发射的过程中，有一枚火箭被从地球发射，来追击这颗卫星，并且，火箭在卫星附近爆炸，造成卫星温度升高，从而，恒温系统被启动，卫星温度开始降低，系统逐渐恢复正常。然后，电池组A失效，卫星系统启动备份电池组B，于是，电池组A恢复正常工作，卫星系统从电池组B切换回电池组A，接着，发生干扰，遥控失效，启动星务自主管理，电池再次失效，星务系统自主启动备份电池，干扰解除，卫星重新受到遥控。最后，完成拍摄，回传，完成地面站处理。

当然，我们这里使用的是仿真卫星来参与实验。所谓仿真卫星，是指此卫星的功能类比于真实卫星，但是其外形和布局和真实卫星有差别。通过基于仿真卫星的使命仿真实验，学生可以习得以下知识、能力和过程：（1）工程探索能力：资料调研、实验品采购、知识梳理、方案提出和磨合、仿真和调试方案和实施；（2）协同创新能力：方案的提出、论证、研讨、调研、辩论；工程的组织。

由图1可以看出，此仿真系统部分由实物仿真完成，部分由软件仿真完成。所以在系统设计中，需要考虑的因素包括：（1）轨道仿真：很难用硬件仿真，建议用软件仿真实现；（2）姿轨控系统仿真：涉及复杂的数学计算和物理计算，超出了中学生知识范围，可以简化为旋转问题，用硬件实现；（3）热控系统仿真：可以用实物简单仿真实现。

我们的仿真系统其实包括两个软件，即仿真系统和遥测遥控系统（如图2）。

以上表格给出了这部分的课程设计，以供参考。

通过以上课程，我们认为，学生从深度探索创客活动中获得的将不仅仅是知识。从过程与方法的角度看，其习得包括自我知识体系构建能力、实验和知识拓展能力、协作能力、表达力、组织力、宣传力。

后记

航天主题课程笔者也见过一些，但是像刘昭博士这样的设计还是很少见的，课程主要的特点就在于课程深度，当然课程主要难点也在于此，这样的课程是否能推广呢？或者说，这样的课程适合于什么样的学生和学校？这也是需要我们好好思考的问题。