亲历设计制作，践行开源精神——基于开源硬件的作品设计与制作的教学策略

李维明

“基于开源硬件的作品设计与制作”是普通高中信息技术课程之选择性必修模块6的第三单元，按照《课标》的要求，本单元就是要根据开源项目“创意、设计、创作、测试与运行、分享”之基本流程，实现作品的设计与制作，其教学活动也必然围绕设计与制作来展开。

● 重视方案设计，明确调用关系

对于方案的设计，《课标》明确指出要“基于事物特征的分析，设计基于开源硬件的作品开发方案”。这里提到的“事物特征”实际上是指作品创意的应用特征，也就是创意作品的应用需求及相应的功能需求。据此设计方案，一方面要明确该作品在应用方面需要做些什么动作、实现什么功能、达到什么要求等，另一方面还要考虑开源硬件是否能实现、成本预算是否符合要求等。

在此基础上，需要“描述作品各组成部分及其功能作用，明确各组成部分之间的调用关系”。对于开源硬件作品来说，一般都有传感输入部分和数据输出部分，核心板编程调各部分元件工作，调用输入数据进行处理并输出。例如，设计一个能显示水温的水壶，就需要有测温功能，有显示功能，这两部分的调用关系就是核心板调用测温元件的数据进行处理并输出到显示元件加以显示。

在初步的设计方案出来之后，还必须“根据设计方案，选择恰当的开源硬件”，以“审查与优化作品设计方案”。这一步骤的意义也十分重要，因为不同系列的开源硬件其特性是不一样的，其外围的输入、输出元件差别也很大。

● 实施设计方案，践行开源精神

在设计方案完成后，就应该根据设计方案，分步进行作品的制作，其中主要包括硬件制作组装、编程实现功能、测试运行调试、优化设计方案、作品发布分享等。通过这几个步骤，完成作品制作，践行开源精神。

硬件制作组装：开源作品的制作，涉及电子元件的连接与测试、机械部件的组装与加工等工序，一般会在设备、设施相对完善的工作室进行。在开始动手前，首先要“了解作品制作过程中各种设备与组件的安全使用规则和方法”，然后再“根据设计方案，利用开源硬件、相关组件与材料，完成作品制作”。

编程实现功能：在开源作品的硬件组装完成后，要想让开源作品发挥出设计的功能，需要通过编程软件来对传感器件、显示器件的参数进行调试，同时还要通过主控板来实现数据的调用和参数的调节，以达到根据环境参数变化而实现自动控制的目的。所以，“根据设计方案，利用开源硬件的设计工具或编程语言，实现作品的各种功能”是制作过程中最为重要的环节。

测试运行调试：在开源作品的硬件组装及软件程序设计完成后，就应该“根据设计方案，测试、运行作品的数据采集、运算处理、数据输出、调控执行等各项功能”，既要验证硬件连接及软件编程的正确性，调试改进，也要验证设计方案的优劣，以便改进提升。

优化设计方案：在制作过程中特别是在运行测试的过程中，会发现所设计的开源作品存在着不尽如人意之处，其中有些是设计方案要求太高或与实际不够吻合造成的，有些是制作条件受限达不到设计要求造成的，这些都需要调整、优化设计方案，使之更好地实现作品功能。

作品发布分享：开源硬件具有“开放性”“低成本”和“标准化”三个显著的特征。在作品完成后，适时地发布与分享，是“践行开源与知识分享的精神，理解保护知识产权的意义”的重要途径。

● 教学策略

本单元教学的基本策略是“动手设计、动手制作”，即亲历、设计制作的全过程，完成一件开源作品的设计与制作。

为了实现这一策略，在教学设计时就要考虑如何利用开源硬件开展项目学习，让学生体验研究和创造的乐趣，培养利用信息技术解决问题和创新设计的意识和能力。设计项目方案、开展项目活动是让学生“动手”的最佳途径。

在具体教学时，教师可组织学生利用开源硬件设计开发一些生活中的简单信息系统，如设计开发“温度监测调控系统”，当温度达到一定值后，结合一定的条件（如季节）控制风扇、空调器的启动或关闭。

为了让学生亲历设计制作的全过程，建议如下：一是时间要充分，要让学生有足够的时间创意思考、设计制作；二是条件要充足，这包括提供的开源硬件元件及设计制作的场所要能满足活动的需要；三是指导要到位，这就是说学生在需要的时候能得到教师的及时指导和帮助，包括现场的指导、在线的咨询以及微课的支持等；四是分享要及时，主要是搭建一个交流分享的平台，让学生相互交流借鉴，改进提高，以充分践行开源精神。