基于虚拟仿真技术的在线开源硬件项目活动设计及实践

2022-08-04李心阳汪玥辉

教育传播与技术 2022年3期

李心阳汪玥辉

上海大学附属中学

一、案例背景

“水面无人艇创新设计与制作”是在上海大学附属中学（以下简称“上大附中”）综合实践活动课程实施纲要指引下，聚焦学校“培养学生的创新精神和实践能力”育人目标，为高一学生设计的主题探究活动。在活动中，教师将引领学生亲手制作一艘水面无人艇，通过反复调试，完成一场酣畅淋漓的水面竞技。活动过程中，学生将会接触工程项目设计、三维建模、3D打印、开源硬件、智能电控、视觉感知等技术，了解工程项目开发流程、管理与工作规范，从而培养学生的工程素养，提升学生的创新能力。

“水面无人艇创新设计与制作”的活动方案如表1所示。本文主要探讨活动环节“船体智控：开源硬件”的活动设计与线上实施（表2），校本课程框架如图1所示。

表1 “水面无人艇创新设计与制作”活动方案

图1 校本课程框架

表2 “船体智控：开源硬件”活动内容

课程的开发也获得了高校专家团队的支持，上大附中先后与上海交通大学电子信息与电气工程学院合作共建“开源硬件与创客教育拓展基地”，与上海大学无人艇工程研究院合作共建“无人艇创新实验室”。在与高校专家合作共建中，“船体智控：开源硬件”活动环节参考了高中信息技术新课程标准选择性必修6《开源硬件项目设计》的内容进行设计，以激发学生的创新兴趣，培养学生的动手实践能力为目标，同时也在信息技术课程中实践STEAM教育。高一的学生中，有些人玩过船舶模型或四驱车，对马达并不陌生，有些人有过图形化编程方面的学习经验，学生已经普遍具备基本的逻辑思维能力与动手能力，并且已在信息技术必修课上了解了信息系统的功能和组成、传感器及其应用，能够使用编程语言编写简单功能的程序代码。在此基础上，本活动通过启发式、探究式、开放式教学，满足学生的好奇心，激发学生的求知欲和想象力，引导有创新潜质的学生实现个性化发展。

“船体智控：开源硬件”活动的设计与实施需要充分运用各类硬件和软件资源，我们在活动的各个环节创设不同类型的研究支架，以供学生探究学习。开源硬件所需资源有Arduino控制板、电子元器件耗材包、万用表、示波器、微课和活动学习单等。教师在活动中扮演好研究方法的指导者、研究条件的提供者、研究过程的参与者、研究结果的参评者这四种角色，帮助学生“做中研”“研中创”。这类活动要在线上实施，面临的挑战有两个：一是要解决学生身边没有电路板和测试仪器的问题；二是要设法营造线上互动、线上讨论的学习氛围。

二、问题提出

华东师范大学杨晓哲博士认为“数字化学习与创新不仅打破了原有的时间与空间维度，也极大地丰富了固有的学习范式”，他分析得出“数字化学习与创新”素养在具体落实过程中具备四种主要的基本方式，同时指出四种主要方式在个体与群体上都具有价值［1］。笔者以此模型作为理论依据，探索开源硬件活动设计的线上实施。

（一）线上教学的内容选择

线上教学活动首先要解决的是实验材料的准备问题。一方面，多数学生身边没有电路板和测试仪器，我们提出寻求合适的虚拟仿真软件以开展电路实验。另一方面，传统的课堂教学中虽然已经选用门槛较低的Arduino开发板作为主控单元，但在学生尚不具备专业知识的前提下，如何安全、有效地开展教学活动也是一个需要解决的问题［2］。国内众多高校都在探索“新工科”背景下的课程改革，尤其是面向全校开放的工程实训中心。为解决形式单一、科目相互独立等问题，尝试通过开源平台Arduino与虚拟仿真相结合，构建“通专交叉分层菜单式”电子实训体系［3］。

对于从未接触过电子学的高中一年级学生来说，直接使用实物搭建电路，难免会出现错误。上电运行，轻则损坏器件，重则可能造成安全事故。因此，我们选择在线上教学中利用仿真平台让学生初步认识开源硬件，可以安全地对电路进行修改、运行并观察结果，有利于培养学生探索、发现并解决问题的能力。此外，在线仿真只要在有网络的场所就可运行，如此便打破学习场所限制，方便学生的学习［2］。

（二）线上教学软件的选择

通过检索，我们了解到几款适用于Arduino虚拟仿真的软件。一般高校普遍使用的是EDA软件Proteus［4-5］，该款软件功能强大，但是仿真界面过于复杂，不适合高中学生用。对于高中学生来说，Autodesk的Tinkercad和国产的linkboy是相对容易上手的两款仿真软件。由于Tinkercad生成的代码可在Arduino IDE中打开和编译通过，且又是在线软件，无需安装，后期还可以进一步支持三维建模与开源硬件的组装，因而我们最终选择使用Tinkercad软件开展线上活动。

为了营造线上互动、讨论的学习氛围，一种在线课程的实践方案要求学生首先通过慕课学习课程相关章节，随后在微信群参与课程讨论与互动答疑，之后再在Tinkercad平台验证设计方案［6］。我们总结认为，在线上活动中，师生、生生之间的高效互动讨论不能单靠问题引导，课前准备是否充分、课后反思是否到位都是非常关键的，需在对活动内容的规划与调整中充分考虑、仔细落实。本次线上活动使用上海市宝山区统一在线教学平台“教育未来宝”。

三、设计实施

（一）单元内容规划与调整

在本环节规划的活动任务中，学生将在前一环节制作的船体上搭建控制电路，编写程序代码，让无人艇按要求完成水中行驶的规定动作。课时安排如表3所示。其中，第1课时—第4课时可采用线上授课方式。

表3 活动环节“船体智控：开源硬件”课时安排

（二）在线教学设计与呈现

以第4课时为例，活动任务为探究“如何改变电机的转速”。在本节课前，学生已对Arduino有了初步了解，能够使用Tinkercad搭建LED电路、编写仿真程序并运行。通过前面的学习，学生已经了解电机是怎么转起来的，以及如何改变电机的旋转方向。本节课继续使用Tinkercad探究直流电机的调速原理，掌握利用Arduino软件编程实现调速的方法，同时利用Tinkercad的虚拟示波器，结合微课视频，让学生了解PWM控制技术。

1. 利用仿真软件结合已有知识进行回顾导入

本节课的重点是掌握利用Arduino软件编程实现电机调速的方法，理解代码analogWrite(pin, 0-255)的使用方法。为此，课前通过学习单，先请学生使用Tinkercad回顾改变电机转向的方法，进而思考改变电机转速的方法并尝试。相应的活动设计如表4所示，活动学习单如图2所示。

表4 “回顾导入”环节活动设计

图2 “回顾导入”环节活动学习单

2. 利用仿真软件探究接口电压变化，突出重点

随后在学生已知digitalWrite (pin, HIGH/LOW)语句的基础上，提问Arduino如何输出HIGH和LOW中间的电压值。学生使用Tinkercad仿真，辅以学习单的数据记录，归纳Arduino模拟输出的物理意义。其中，可能会有个别学生的实验数据出现异常，原因是选择的引脚不具有PWM功能。此时教师不作如何选择引脚的事先申明，也不直接告知学生答案，而是提示学生观察自己与他人选择的引脚的不同，让学生自行发现问题、解决问题。相应的活动设计如表5所示，活动学习单如图3所示。

图3 “Arduino调速实现”环节活动学习单

表5 “Arduino调速实现”环节活动设计

3. 通过微视频指导、观察仿真软件示波器，突破难点

本次活动的难点是理解电机调速原理——PWM控制技术。直接讲解PWM知识，学生会难以理解，因而在这一环节教师请学生使用Tinkercad的虚拟示波器生成PWM波形，然后辅以微课视频这一数字化资源，详细阐述PWM控制技术的要点。课后学生还能反复观看微课，或联系教师进行个别指导。相应的活动设计如表6所示，活动学习单如图4所示。

图4 “PWM揭秘”环节活动学习单

表6 “PWM揭秘”环节活动设计

本次活动布置的课后实践是继续利用Tinkercad的Arduino模块编程实现LED呼吸灯的演示效果。一来可以巩固、迁移本次活动所学的知识与技能；二来持续为学生提供编程实践机会，积累编程经验，提升计算思维。另外，考虑到学生缺乏项目开发经验，平时少有记录调试日志的习惯，因此通过“学习单”引导学生规范研究的支架，关注学生的方案落实与实验规范等关键技能与规则意识的形成。

四、实施成效与实践反思

本着培养学生素养，回应综合实践活动课程的价值体认、责任担当、问题解决、创意物化的课程目标，本次活动以“明确任务—探究原理—运用实践—展示评价”为主线开展线上学习。活动中希望充分运用各类硬件和软件资源，在各项环节创设多种研究支架，每个知识点、每项技能的引出都是在学生自主观察、思考、讨论之后，由师生总结、整理归纳。活动借鉴高校的在线教学经验，为了营造线上互动、讨论的学习氛围，课前做好充分准备。比如，教师提前发布活动学习单，学生能够明确任务，并且通过课前实验启发思维，课上直接开始交流分享，随后根据教师引导继续深度学习。对于本次活动的难点——对PWM控制技术的理解，教师不占用课上过多时间集中讲解，而采取先实验铺垫，后播放微课的方式，以满足学生的个性化需求。

本次活动旨在让学生通过动手实验了解电机调速原理，理解并掌握利用Arduino编程实现电机调速的方法，课时安排上偏重基础理论的学习。因此，活动评价以学生习得相应的知识与技能为主要考查目标，评价量表如表7所示。