資源簡介

第 2 章 開源硬件項目剖析
2.4 項目開發流程剖析
教學設計
教學背景
信息科技是現代科學技術領域的重要部分，主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現。當代高速發展的信息科技對全球經濟、社會和文化發展起著越來越重要的作用。
義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數字素養與技能。
教材分析
本節課的教學內容選自人教/地圖出版社選擇性必修6 開源硬件項目設計　第 2 章 開源硬件項目剖析　2.4 項目開發流程剖析。
2011 年 12 月，一個名為“浙大 CCNT 實驗室飲水機”的微博，開通才一天就吸引了上萬粉絲，博主自稱“浙大飲水機娘”，在水開和沒熱水的時候會發微博。“浙大飲水機娘”所引發的關注，反映了技術的呈現可以是多元的，有趣的數字化表達方式能吸引公眾的關注。借助于便利的開源硬件，中學生也完全有能力完成創意作品。
技術創新與社會進步的協同發展催生了創新形式的不斷演變。新時期，信息技術與生產技術進一步融合，重構了傳統制造業與信息技術創新的邊界。各種形式的“創客空間”在其中扮演著重要角色，并顯示出以創新、開源和分享為特征的新型創新模式。在“大眾創業、萬眾創新”的國家戰略規劃下，各地創客空間蓬勃發展。校園創客空間也隨著這陣春雨進入中小學校園，在這里，同學們尋找志同道合的伙伴，把奇思妙想變成現實，并有機會展示自己的個性作品。
從國內外的發展來看，開源社區與創客文化互為共生、相互促進。校園創客空間不僅僅是制造的車間、開放的場所、共享的資源，更是基于開源硬件開展項目學習的理想場所，是培養協作、分享的開源精神的良好環境。同時，開源硬件以其開源與開放、分享與協作、模塊化與可復用的鮮明特征，被譽為創客空間的“造物神器”和“創客利器”。
本章將以“走進創客空間”為主題，系統學習開源硬件的相關知識與技能，通過剖析使用開源硬件完成作品的實例，體驗基于開源硬件完成項目的基本流程，感受創意物化的過程與樂趣。
教學目標
1.了解開源硬件的基本功能和特征，能解釋具體的開源硬件在項目中起到的功能和作用。
2.了解具體開源硬件項目作品的設計過程，能說明基于開源硬件項目的基本流程。
教學重點與難點
教學重點:了解開源硬件的基本功能和特征，能解釋具體的開源硬件在項目中起到的功能和作用。
教學難點:了解具體開源硬件項目作品的設計過程，能說明基于開源硬件項目的基本流程。
教學方法與教學手段
案例分析法、講授法、任務驅動法。
教學過程
問題導入
體驗探索
體驗創客活動
創客嘉年華和 Maker Faire 活動是全世界最受歡迎的創客交流活動，它是一個展示創意、創新與創造的舞臺，如圖 2.4.1 所示。在這里，你可以與不同領域的創客歡聚一堂，盡情釋放對科學和創造的熱情；在這里，你可以參與各種有趣的工作坊，傾聽大咖的論壇演講，還可以現場動手創作屬于自己的創客作品。
上網搜索并觀看創客嘉年華、Maker Faire 等創客活動的相關視頻，感受充滿激情與驚艷的創客作品。
思考：
1. 創客活動中哪些項目作品給你留下了最深刻的印象？這些作品運用了哪些開源硬件？試舉例說明。
2. 還有哪些與創客相關的國內或國際活動？以小組為單位交流討論。
媒體藝術作品
開源硬件的發展與新媒體藝術家有著重要關聯。藝術家們一直在嘗試使用不同的工具或材料，尋找創作空間。不同的膠卷和沖洗藥水、廢舊的金屬、各色的泥巴和不同材質的紙張等，都可以成為藝術家們使用的材料。隨著電子技術和數字媒體的普及，2005年，一群意大利媒體藝術家在使用 Processing 創作新媒體作品時，終于找到了一種新的電子交互工具——Arduino。事實上，正是這些媒體藝術家們創造了 Arduino。Arduino 可以解決藝術創作過程中的數字媒體與傳感器之間的交互需求，并以此展現更具創意的藝術創作。到 2010 年左右，Arduino 幾乎成了“互動新媒體”的代名詞。
互動裝置藝術作品：最美麗的時候遇見你
“最美麗的時候遇見你”是國內一個多媒體工作室的作品，由一位紙藝師和一位多媒體藝術家合作完成。這個作品是一面由 8 把扇子組成的墻，墻上裝飾著各種漂亮的葉子，如圖 2.4.2 所示。每當有觀眾從作品旁走過，一把把紙扇緩緩展開，形成一朵朵紅色的花。
隨著觀眾的離開，紙扇緩緩閉合，回歸原貌。當兩人面對面走來時，花開，然后花謝，耐人尋味。
裝置原理
“最美麗的時候遇見你”作為一個裝置藝術作品，由 8 把紙藝扇子組成，通過扇子的開合變化與觀眾產生互動。每把扇子都由步進電機控制，用紅外測障傳感器判斷是否有觀眾靠近，其核心控制器使用 Arduino。當觀眾接近裝置時，觸發感應裝置，驅動電機爭相正向轉動，紙扇自動展開。當觀眾離開作品時，電機反向轉動，紙扇自動閉合。8 把扇子通過 8 個傳感器控制，每把扇子各自獨立運行。
這個裝置藝術作品將傳統紙藝與數字媒體相結合，由開源硬件 Arduino 實現電子部分，用科技詮釋了自然與生活，實現了藝術與科技的完美融合。
Arduino 為藝術家創作帶來了新的設計靈感，也為創作提供了便利的工具。Arduino 等開源硬件出現前，要實現類似“最美麗的時候遇見你”的功能，需要有硬件工程師的配合，而在創作過程中因工程師難以理解藝術家的設計思維，最終導致創作“難產”的案例屢見不鮮。開源硬件 Arduino 出現后，這類問題有了更好的解決途徑。藝術家有了最初的設計靈感之后，選用成本低、易操作的 Arduino 作為控制器，通過紅外傳感器模塊和步進電機的組合，能夠快速實現原型的搭建以及交互和控制功能，得以把更多精力放在藝術創作上。
思考活動
傳感器與交互功能
“最美麗的時候遇見你”這個互動裝置依靠紅外測障傳感器來感知是否有觀眾經過。
思考：
1. 還有哪些傳感器可以實現類似的功能？
2. 還可以選用哪些不同的傳感器用以實現各種奇妙的交互功能？
不斷迭代的 3D 打印機
MakerBot 項目簡介
MakerBot 是一臺開源的桌面 3D 打印機（圖 2.4.3），誕生于 2009 年，由布里·佩蒂斯（Bre Pettis）和他的朋友們創造。這款 3D 打印機從軟件到硬件的各種資料（包括電路與機械部分，以及軟件的源代碼等）全部是免費和開源的。用戶可通過 MakerBot 的網站下載設計資料，并在此基礎上設計出符合自己需求的 3D 打印機。
MakerBot 是一款經典的盒子型 3D 打印機，目前，在很多創客空間中都還可以看到它的影子。很多人正是通過它認識和了解 3D 打印技術的，也有很多人通過它體驗開源與分享的樂趣。從某種意義來說，MakerBot 促進了創客文化的傳播與創客運動的進程。
裝置原理
MakerBot 3D 打印機是用擠壓的方式把耗材從加熱頭擠出來，被擠壓出來的液態材料將模型的一層“畫”出來，打印完一層后再打印下一層，直到把實體模型全部打印出來。
整個過程是通過打印機的各個組件相互配合完成的，這些組件包括電子部件、固件、控制軟件和分層軟件。
MakerBot 項目源自于布里·佩蒂斯和他的朋友們想買一臺價格便宜的 3D 打印機，但當時市場上 3D 打印機價格較貴，于是他們萌生了自己造一臺 3D 打印機的想法。其實，早在 2005 年，便有了第一個開源的 3D 打印項目——RepRap 項目，由英國巴斯大學機械學院的 Adrian Bowyer 等人設計制作，而后 RepRap 被廣泛傳播。
MakerBot 項目團隊決定在開源的 RepRap 基礎之上研發自己的 3D 打印機。他們把RepRap 三角形設計改成更穩定的立方盒子設計，并改進早期只能通過計算機串口才能打印的不便性，在打印機的機身上增加了液晶顯示、旋鈕、按鍵和 SD 卡槽等模塊，使用時通過這些按鍵直接進行打印操作。就這樣，MakerBot 橫空出世了，其創作團隊繼承發揚開源的精神，將所有硬件和軟件全部開源，使任何人都可以在此基礎上創造自己的 3D 打印機。
閱讀拓展
3D 打印機
2015 年，國務院印發的《中國制造 2025》行動綱要中多次提及 3D 打印技術。作為具有代表性的新興技術，3D 打印技術從概念模型構建到數字化制造的過程都符合現代數字化構造的理念，因此它在傳統工業轉型升級的過程中扮演著越發重要的角色。
計算機端的打印控制軟件控制 3D 打印機完成工作。例如，啟動分層軟件，控制打印頭在三維坐標系內的移動，設置并監控打印頭、打印托盤的溫度，以及控制打印任務的開始、暫停和取消等。
3D 打印機上的控制系統
需要多部分協同工作，包括核心板、擴展板、電機驅動、步進 電機、加 熱頭、打 印托盤、末端限位開關和溫度傳感器等，如圖 2.4.4 所示。核心板中運行的控制程序被稱為“固件”（Firmware）。核心板在 3D 打印固件的調度下獲取傳感器信息、控制電機驅動實現打印頭的運動以及控制加熱頭或可加熱托盤的開關等。目前，常見教學用3D 打印機的核心板一般采用開源硬件，所用固件也以開源固件為主。
3D 打印技術可以實現虛擬世界與實體世界的有機結合，這使得 3D 打印機進校園成為一件非常有意義的事情。
3D 打印機可以快速將概念轉化為實體模型，使學生的個性化創意得以實現，有助于激發學生的創意興趣，提升實踐創新能力。3D 打印機具有快速成型的特點，可以用于各學科教具制作，例如，打印身體各器官的組織結構、復雜的分子結構、古代的文物和重要事件的器具、獨特的地貌等，如圖 2.4.5 所示。
3D 打印機派生出很多類似的開源設備。例如，一種在蛋殼上繪畫的設備——畫蛋機，畫蛋機的結構和 3D 打印機的結構相比有所變化，該設備通過一個旋轉的機構將打印機中 Y 方向的移動變成了旋轉，而對于加熱頭位置送料的控制變成了對馬克筆的控制。
3D 打印的流程從一個完整的 3D 模型開始。3D 模型可以從網上下載，也可使用建模程序，如 Blender 或 OpensCAD 進行設計，只要保證模型的文件格式是“.STL”即可。準備好模型，下一步就是利用分層軟件把模型分層，并生成路徑文件。3D 打印機能識別對應的路徑文件，并“告訴”打印頭該如何運動和吐料。
實踐活動
打印實體 3D 模型
1. 上網下載或者利用 3D 建模軟件自己構建 3D 模型。
2. 為 B 型板設計一個外殼 3D 模型，并使用 3D 打印機打印出來。
快速原型
作品：智能鳥蛋
“智能鳥蛋”開源硬件項目是國際猛禽中心的禿鷲保護公益項目，旨在獲取禿鷲孵化過程的數據信息。研究人員把一個能夠以假亂真的“智能鳥蛋”放在禿鷲巢里，如圖 2.4.6 所示，然后“智能鳥蛋”就可以自動采集禿鷲蛋孵化時周圍環境的溫度、濕度以及禿鷲蛋孵化時的姿態數據，并將數據實時保存到云端，供研究人員研究并采取行動，以確保禿鷲圈養繁殖時處于最佳的孵化環境中，從而保障禿鷲的安全繁殖。
裝置原理
“智能鳥蛋”的外殼由 3D 打印完成。整個項目由蛋內采集端、數據中繼端及服務器云端三部分組成，如圖 2.4.7 所示。蛋內采集端使用了 Microduino 控制板，連接了溫度傳感器、濕度傳感器以及姿態傳感器來采集禿鷲蛋孵化時的溫度、濕度和姿態數據，并將這些數據通過藍牙通信方式發送到數據中繼器——手機端。數據中繼端作為數據處理、存儲以及連接網絡的管理單元，將采集到的數據存儲到云端，并以網頁的形式顯示出來，如圖 2.4.8 所示。
“智能鳥蛋”團隊試圖設計一個記錄數據的裝置，在人工飼養禿鷲的過程中監視鳥巢的環境條件。那么，通過何種方式來觀察禿鷲的孵蛋過程呢？“智能鳥蛋”團隊想到了可以做一個假鳥蛋，放在猛禽窩里，借此獲取孵化鳥蛋所需的溫度、濕度以及姿態等信息。
想法確定后，便開始考慮器材選擇問題，考慮到假鳥蛋中的空間狹小，最終選擇了體積較小的開源硬件 Microduino。
“智能鳥蛋”是一個復雜的項目，憑借幾個人的力量很難完成，于是“智能鳥蛋”團隊把這個項目變成了一個社區項目，試圖讓更多的人參加進來，共同完成這個項目。項目發布后，全球范圍的很多志愿者加入到項目開發中，有電子硬件電路設計愛好者，有專注于藍牙產品的設計人員，有 Web 開發愛好者，有喜歡樹莓派和編程的高中生，有喜歡 Microduino 的電子愛好者，有富于開源精神的資深工程師，有專注智能硬件、大數據分析的老程序員，這些志愿者通過互聯網分工合作。
項目研發過程中，很多不了解技術但對項目很感興趣的人也積極參與項目的開發，他們希望為公益項目作出貢獻，提出了很多有價值的意見。例如：鳥蛋孵化大概需要 70天，如何保證電池能夠續航至少 70 天；為了不被禿鷲識破假蛋，智能鳥蛋的重量必須和其他禿鷲蛋一樣，等等。
眾多志愿者的分工協作使這個項目得以順利完成。開源硬件、開源社區的優勢就在于開放式的協作與分享，它能夠將一個項目不斷地迭代優化，直至獲得問題的最優解。開源硬件為我們解決現實生活中的問題提供了一條便捷途徑。
思考活動
“智能鳥蛋”擴展
“智能鳥蛋”的數據記錄裝置系統能否擴展成一個大平臺系統，服務于全世界的瀕危猛禽的保護工作？試分析其可能性。
項目開發基本流程
創客空間中的有些開源硬件項目比較復雜，為保證復雜項目的順利完成，有必要規劃設計一個完整的項目方案。通過體驗與剖析“最美麗的時候遇見你”“3D 打印機”“智能鳥蛋”三個開源硬件項目，不難發現：開源硬件項目開發一般要經歷創意與項目來源、項目設計與制作、項目測試與運行、分享等流程。
創意與項目來源
有價值的創作活動都需要圍繞創意點展開，那么創意又從何而來呢？
創意可能依托于個人對生活或周圍環境的感悟，或是滿足自己的好奇和需求等。“最美麗的時候遇見你”也許就是藝術家腦海中靈光一現、詩一樣的夢幻想法。
開源硬件項目的來源，可以是工作和生活需求。像 MakerBot 的發明者一樣，因為想要一臺價格比較適合的 3D 打印機而不可得，索性自己制造符合自己要求的 3D 打印機。
開源硬件項目的創意，還可以來源于社會公益責任。像“智能鳥蛋”的發起者一樣，看到鳥類重要物種瀕臨滅絕，想要做點什么以避免悲劇的發生。
簡而言之，開源硬件的豐富和發展，為創意的實現提供了便利的物質基礎。不要讓問題和困難限制了我們的想象，多見、多聞、多思，勤于觀察、大膽思考、勇于嘗試，做個生活的有心人。
項目設計與制作
有了創意之后，有必要制訂詳細、周密的實施方案。梳理項目的實施思路，有助于將創意一步步變為現實。這個階段是項目進行的具體計劃環節，直接決定了項目的可執行性。在這一階段，我們需要考慮整個項目過程中，需要采集什么樣的信息數據、使用何種開源硬件及軟件，以及如何處理采集的數據等。
在“最美麗的時候遇見你”作品中，需要考慮：用何種方式判斷人是否經過，選取什么硬件采集相應的信息，設計何種形式，采用哪種技術方法創造出令人驚艷的作品表現效果。
在 MakerBot 開源 3D 打印機項目中，想要制造一臺自己的 3D 打印機，首要需要了解3D 打印機的組成，然后考慮設計最佳的打印機外殼，還需進一步對電子電路和控制算法進行改造。
在“智能鳥蛋”項目中，需確定要獲取鳥蛋孵化過程中的哪些信息，需考慮如何制造出禿鷲能夠接受的鳥蛋外殼，還需考慮如何將獲取的信息向外傳送以及信息發布的技術和途徑。由于該項目規模較大，還需考慮以何種方式組織項目的研發。
有了較為詳盡的設計后，就要進入具體的項目制作環節。這個過程，一定要按照事前設計好的項目方案進行實踐操作，包括外觀的設計、硬件的連接、作品的組裝以及代碼的編輯等，只有這樣才能保證項目的順利實施。
項目測試與運行
項目原型制作完成后，就需要搭建必要的測試環境，做好項目功能調試準備工作。
在“最美麗的時候遇見你”項目中，可以先將一片扇葉與步進電機進行連接，然后上傳代碼進行測試，如果滿足預期的效果，就可以把其他步進電機全部裝配好與扇葉一起聯合測試，然后進行藝術繪畫和裝飾創作，完成一個完整的藝術作品，展示出來供大家體驗與分享。
在 MakerBot 開源 3D 打印項目中，將打印機改造成立方盒子結構后，要對電路、機械結構等各個功能進行測試。例如，噴頭及打印平臺能否正常移動，出絲是否正常，然后測試并改進打印的精度。3D 打印長時間工作的穩定性測試是一個漫長的過程，工程技術的進步是一步一個腳印走過來的。
在“智能鳥蛋”項目中，要對鳥蛋的外殼尺寸和重量進行反復調試，直到兩者都符合項目要求。要測試鳥蛋采集端與手機中繼端的通信，以保障系統能在戶外長期穩定工作。要測試手機中繼端與云端服務器的通信，如果測試結果沒有問題，便可在真實的環境中實施項目。
項目結束后，需向大家展示作品。另外，還可以繼承發揚開源精神，將項目作品的全部資料（包括硬件、軟件和代碼等）全部開源。
需要注意的是，每個項目的完成不都是一蹴而就的，經常需要經過反復的改進才能完成。并且，待作品與用戶見面后，根據用戶體驗實際情況，還可能需要進一步修改和完善作品。
項目實施
剖析一個開源硬件項目
一、項目活動
通過對本節三個開源硬件項目的剖析，深入了解開源硬件項目開發的基本流程。
1. 收集創客空間中開源硬件項目，并以開源硬件項目開發的基本流程為標準，對項目進行剖析。
2. 以小組為單位，交流討論，并完成表2.4.1的內容。
表 2.4.1 開源硬件項目剖析
小組名稱
開源硬件項目名稱
開源硬件項目剖析 項目創意與來源
項目制作
項目測試與運行
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二、項目檢查
完成開源硬件項目的剖析，總結出開源硬件項目設計的基本流程，并在全班交流。
總結評價
1. 請同學們總結本章的核心概念與關鍵能力。
2.根據自己的掌握情況填寫下表。
學習內容 掌握程度
數字化設計及加工工具 　　　□不了解 □了解 □理解
編程語言及開發環境 　　　□不了解 □了解 □理解
輸入輸出引腳及控制 □不了解 □了解 □理解
輸入輸出模塊 □不了解 □了解 □理解
傳感器的種類 □不了解 □了解 □理解
串口及 I2C 通信方式 □不了解 □了解 □理解
大功率驅動模塊 □不了解 □了解 □理解
擴展模塊 □不了解 □了解 □理解
開源硬件項目開發的基本流程 □不了解 □了解 □理解
課后作業
以小組為單位，上網搜索周邊的創客空間，然后實地考察。收集創客空間中有趣的開源硬件作品，并與作品的創作者進行交流溝通，了解作品完成的基本流程，完成《開源硬件項目分析報告》。
板書設計
第 2 章 開源硬件項目剖析　
2.3 通信模塊與擴展板
1.媒體藝術作品
2.不斷迭代的 3D 打印機
3.快速原型
4.項目開發基本流程
普通高中教科書
信息技術　選擇性必修 6 開源硬件項目設計
編著
人民教育出版襯課程教材研究所信息技術課程教材研究開發中心
中國地圖出版社教材出版分社
總 主 編 ：祝智庭 樊 磊
副總主編 ：高淑印 郭 芳 李 鋒
本冊主編：張 金 周茂華
編寫人員 ：于旭珩 吳俊杰 李 琦 管雪沨 張敬云

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