资源简介

第 2 章 开源硬件项目剖析
2.4 项目开发流程剖析
教学设计
教学背景
信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。当代高速发展的信息科技对全球经济、社会和文化发展起着越来越重要的作用。
义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，为高中阶段信息技术课程的学习奠定基础。信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。
教材分析
本节课的教学内容选自人教/地图出版社选择性必修6 开源硬件项目设计　第 2 章 开源硬件项目剖析　2.4 项目开发流程剖析。
2011 年 12 月，一个名为“浙大 CCNT 实验室饮水机”的微博，开通才一天就吸引了上万粉丝，博主自称“浙大饮水机娘”，在水开和没热水的时候会发微博。“浙大饮水机娘”所引发的关注，反映了技术的呈现可以是多元的，有趣的数字化表达方式能吸引公众的关注。借助于便利的开源硬件，中学生也完全有能力完成创意作品。
技术创新与社会进步的协同发展催生了创新形式的不断演变。新时期，信息技术与生产技术进一步融合，重构了传统制造业与信息技术创新的边界。各种形式的“创客空间”在其中扮演着重要角色，并显示出以创新、开源和分享为特征的新型创新模式。在“大众创业、万众创新”的国家战略规划下，各地创客空间蓬勃发展。校园创客空间也随着这阵春雨进入中小学校园，在这里，同学们寻找志同道合的伙伴，把奇思妙想变成现实，并有机会展示自己的个性作品。
从国内外的发展来看，开源社区与创客文化互为共生、相互促进。校园创客空间不仅仅是制造的车间、开放的场所、共享的资源，更是基于开源硬件开展项目学习的理想场所，是培养协作、分享的开源精神的良好环境。同时，开源硬件以其开源与开放、分享与协作、模块化与可复用的鲜明特征，被誉为创客空间的“造物神器”和“创客利器”。
本章将以“走进创客空间”为主题，系统学习开源硬件的相关知识与技能，通过剖析使用开源硬件完成作品的实例，体验基于开源硬件完成项目的基本流程，感受创意物化的过程与乐趣。
教学目标
1.了解开源硬件的基本功能和特征，能解释具体的开源硬件在项目中起到的功能和作用。
2.了解具体开源硬件项目作品的设计过程，能说明基于开源硬件项目的基本流程。
教学重点与难点
教学重点:了解开源硬件的基本功能和特征，能解释具体的开源硬件在项目中起到的功能和作用。
教学难点:了解具体开源硬件项目作品的设计过程，能说明基于开源硬件项目的基本流程。
教学方法与教学手段
案例分析法、讲授法、任务驱动法。
教学过程
问题导入
体验探索
体验创客活动
创客嘉年华和 Maker Faire 活动是全世界最受欢迎的创客交流活动，它是一个展示创意、创新与创造的舞台，如图 2.4.1 所示。在这里，你可以与不同领域的创客欢聚一堂，尽情释放对科学和创造的热情；在这里，你可以参与各种有趣的工作坊，倾听大咖的论坛演讲，还可以现场动手创作属于自己的创客作品。
上网搜索并观看创客嘉年华、Maker Faire 等创客活动的相关视频，感受充满激情与惊艳的创客作品。
思考：
1. 创客活动中哪些项目作品给你留下了最深刻的印象？这些作品运用了哪些开源硬件？试举例说明。
2. 还有哪些与创客相关的国内或国际活动？以小组为单位交流讨论。
媒体艺术作品
开源硬件的发展与新媒体艺术家有着重要关联。艺术家们一直在尝试使用不同的工具或材料，寻找创作空间。不同的胶卷和冲洗药水、废旧的金属、各色的泥巴和不同材质的纸张等，都可以成为艺术家们使用的材料。随着电子技术和数字媒体的普及，2005年，一群意大利媒体艺术家在使用 Processing 创作新媒体作品时，终于找到了一种新的电子交互工具——Arduino。事实上，正是这些媒体艺术家们创造了 Arduino。Arduino 可以解决艺术创作过程中的数字媒体与传感器之间的交互需求，并以此展现更具创意的艺术创作。到 2010 年左右，Arduino 几乎成了“互动新媒体”的代名词。
互动装置艺术作品：最美丽的时候遇见你
“最美丽的时候遇见你”是国内一个多媒体工作室的作品，由一位纸艺师和一位多媒体艺术家合作完成。这个作品是一面由 8 把扇子组成的墙，墙上装饰着各种漂亮的叶子，如图 2.4.2 所示。每当有观众从作品旁走过，一把把纸扇缓缓展开，形成一朵朵红色的花。
随着观众的离开，纸扇缓缓闭合，回归原貌。当两人面对面走来时，花开，然后花谢，耐人寻味。
装置原理
“最美丽的时候遇见你”作为一个装置艺术作品，由 8 把纸艺扇子组成，通过扇子的开合变化与观众产生互动。每把扇子都由步进电机控制，用红外测障传感器判断是否有观众靠近，其核心控制器使用 Arduino。当观众接近装置时，触发感应装置，驱动电机争相正向转动，纸扇自动展开。当观众离开作品时，电机反向转动，纸扇自动闭合。8 把扇子通过 8 个传感器控制，每把扇子各自独立运行。
这个装置艺术作品将传统纸艺与数字媒体相结合，由开源硬件 Arduino 实现电子部分，用科技诠释了自然与生活，实现了艺术与科技的完美融合。
Arduino 为艺术家创作带来了新的设计灵感，也为创作提供了便利的工具。Arduino 等开源硬件出现前，要实现类似“最美丽的时候遇见你”的功能，需要有硬件工程师的配合，而在创作过程中因工程师难以理解艺术家的设计思维，最终导致创作“难产”的案例屡见不鲜。开源硬件 Arduino 出现后，这类问题有了更好的解决途径。艺术家有了最初的设计灵感之后，选用成本低、易操作的 Arduino 作为控制器，通过红外传感器模块和步进电机的组合，能够快速实现原型的搭建以及交互和控制功能，得以把更多精力放在艺术创作上。
思考活动
传感器与交互功能
“最美丽的时候遇见你”这个互动装置依靠红外测障传感器来感知是否有观众经过。
思考：
1. 还有哪些传感器可以实现类似的功能？
2. 还可以选用哪些不同的传感器用以实现各种奇妙的交互功能？
不断迭代的 3D 打印机
MakerBot 项目简介
MakerBot 是一台开源的桌面 3D 打印机（图 2.4.3），诞生于 2009 年，由布里·佩蒂斯（Bre Pettis）和他的朋友们创造。这款 3D 打印机从软件到硬件的各种资料（包括电路与机械部分，以及软件的源代码等）全部是免费和开源的。用户可通过 MakerBot 的网站下载设计资料，并在此基础上设计出符合自己需求的 3D 打印机。
MakerBot 是一款经典的盒子型 3D 打印机，目前，在很多创客空间中都还可以看到它的影子。很多人正是通过它认识和了解 3D 打印技术的，也有很多人通过它体验开源与分享的乐趣。从某种意义来说，MakerBot 促进了创客文化的传播与创客运动的进程。
装置原理
MakerBot 3D 打印机是用挤压的方式把耗材从加热头挤出来，被挤压出来的液态材料将模型的一层“画”出来，打印完一层后再打印下一层，直到把实体模型全部打印出来。
整个过程是通过打印机的各个组件相互配合完成的，这些组件包括电子部件、固件、控制软件和分层软件。
MakerBot 项目源自于布里·佩蒂斯和他的朋友们想买一台价格便宜的 3D 打印机，但当时市场上 3D 打印机价格较贵，于是他们萌生了自己造一台 3D 打印机的想法。其实，早在 2005 年，便有了第一个开源的 3D 打印项目——RepRap 项目，由英国巴斯大学机械学院的 Adrian Bowyer 等人设计制作，而后 RepRap 被广泛传播。
MakerBot 项目团队决定在开源的 RepRap 基础之上研发自己的 3D 打印机。他们把RepRap 三角形设计改成更稳定的立方盒子设计，并改进早期只能通过计算机串口才能打印的不便性，在打印机的机身上增加了液晶显示、旋钮、按键和 SD 卡槽等模块，使用时通过这些按键直接进行打印操作。就这样，MakerBot 横空出世了，其创作团队继承发扬开源的精神，将所有硬件和软件全部开源，使任何人都可以在此基础上创造自己的 3D 打印机。
阅读拓展
3D 打印机
2015 年，国务院印发的《中国制造 2025》行动纲要中多次提及 3D 打印技术。作为具有代表性的新兴技术，3D 打印技术从概念模型构建到数字化制造的过程都符合现代数字化构造的理念，因此它在传统工业转型升级的过程中扮演着越发重要的角色。
计算机端的打印控制软件控制 3D 打印机完成工作。例如，启动分层软件，控制打印头在三维坐标系内的移动，设置并监控打印头、打印托盘的温度，以及控制打印任务的开始、暂停和取消等。
3D 打印机上的控制系统
需要多部分协同工作，包括核心板、扩展板、电机驱动、步进 电机、加 热头、打 印托盘、末端限位开关和温度传感器等，如图 2.4.4 所示。核心板中运行的控制程序被称为“固件”（Firmware）。核心板在 3D 打印固件的调度下获取传感器信息、控制电机驱动实现打印头的运动以及控制加热头或可加热托盘的开关等。目前，常见教学用3D 打印机的核心板一般采用开源硬件，所用固件也以开源固件为主。
3D 打印技术可以实现虚拟世界与实体世界的有机结合，这使得 3D 打印机进校园成为一件非常有意义的事情。
3D 打印机可以快速将概念转化为实体模型，使学生的个性化创意得以实现，有助于激发学生的创意兴趣，提升实践创新能力。3D 打印机具有快速成型的特点，可以用于各学科教具制作，例如，打印身体各器官的组织结构、复杂的分子结构、古代的文物和重要事件的器具、独特的地貌等，如图 2.4.5 所示。
3D 打印机派生出很多类似的开源设备。例如，一种在蛋壳上绘画的设备——画蛋机，画蛋机的结构和 3D 打印机的结构相比有所变化，该设备通过一个旋转的机构将打印机中 Y 方向的移动变成了旋转，而对于加热头位置送料的控制变成了对马克笔的控制。
3D 打印的流程从一个完整的 3D 模型开始。3D 模型可以从网上下载，也可使用建模程序，如 Blender 或 OpensCAD 进行设计，只要保证模型的文件格式是“.STL”即可。准备好模型，下一步就是利用分层软件把模型分层，并生成路径文件。3D 打印机能识别对应的路径文件，并“告诉”打印头该如何运动和吐料。
实践活动
打印实体 3D 模型
1. 上网下载或者利用 3D 建模软件自己构建 3D 模型。
2. 为 B 型板设计一个外壳 3D 模型，并使用 3D 打印机打印出来。
快速原型
作品：智能鸟蛋
“智能鸟蛋”开源硬件项目是国际猛禽中心的秃鹫保护公益项目，旨在获取秃鹫孵化过程的数据信息。研究人员把一个能够以假乱真的“智能鸟蛋”放在秃鹫巢里，如图 2.4.6 所示，然后“智能鸟蛋”就可以自动采集秃鹫蛋孵化时周围环境的温度、湿度以及秃鹫蛋孵化时的姿态数据，并将数据实时保存到云端，供研究人员研究并采取行动，以确保秃鹫圈养繁殖时处于最佳的孵化环境中，从而保障秃鹫的安全繁殖。
装置原理
“智能鸟蛋”的外壳由 3D 打印完成。整个项目由蛋内采集端、数据中继端及服务器云端三部分组成，如图 2.4.7 所示。蛋内采集端使用了 Microduino 控制板，连接了温度传感器、湿度传感器以及姿态传感器来采集秃鹫蛋孵化时的温度、湿度和姿态数据，并将这些数据通过蓝牙通信方式发送到数据中继器——手机端。数据中继端作为数据处理、存储以及连接网络的管理单元，将采集到的数据存储到云端，并以网页的形式显示出来，如图 2.4.8 所示。
“智能鸟蛋”团队试图设计一个记录数据的装置，在人工饲养秃鹫的过程中监视鸟巢的环境条件。那么，通过何种方式来观察秃鹫的孵蛋过程呢？“智能鸟蛋”团队想到了可以做一个假鸟蛋，放在猛禽窝里，借此获取孵化鸟蛋所需的温度、湿度以及姿态等信息。
想法确定后，便开始考虑器材选择问题，考虑到假鸟蛋中的空间狭小，最终选择了体积较小的开源硬件 Microduino。
“智能鸟蛋”是一个复杂的项目，凭借几个人的力量很难完成，于是“智能鸟蛋”团队把这个项目变成了一个社区项目，试图让更多的人参加进来，共同完成这个项目。项目发布后，全球范围的很多志愿者加入到项目开发中，有电子硬件电路设计爱好者，有专注于蓝牙产品的设计人员，有 Web 开发爱好者，有喜欢树莓派和编程的高中生，有喜欢 Microduino 的电子爱好者，有富于开源精神的资深工程师，有专注智能硬件、大数据分析的老程序员，这些志愿者通过互联网分工合作。
项目研发过程中，很多不了解技术但对项目很感兴趣的人也积极参与项目的开发，他们希望为公益项目作出贡献，提出了很多有价值的意见。例如：鸟蛋孵化大概需要 70天，如何保证电池能够续航至少 70 天；为了不被秃鹫识破假蛋，智能鸟蛋的重量必须和其他秃鹫蛋一样，等等。
众多志愿者的分工协作使这个项目得以顺利完成。开源硬件、开源社区的优势就在于开放式的协作与分享，它能够将一个项目不断地迭代优化，直至获得问题的最优解。开源硬件为我们解决现实生活中的问题提供了一条便捷途径。
思考活动
“智能鸟蛋”扩展
“智能鸟蛋”的数据记录装置系统能否扩展成一个大平台系统，服务于全世界的濒危猛禽的保护工作？试分析其可能性。
项目开发基本流程
创客空间中的有些开源硬件项目比较复杂，为保证复杂项目的顺利完成，有必要规划设计一个完整的项目方案。通过体验与剖析“最美丽的时候遇见你”“3D 打印机”“智能鸟蛋”三个开源硬件项目，不难发现：开源硬件项目开发一般要经历创意与项目来源、项目设计与制作、项目测试与运行、分享等流程。
创意与项目来源
有价值的创作活动都需要围绕创意点展开，那么创意又从何而来呢？
创意可能依托于个人对生活或周围环境的感悟，或是满足自己的好奇和需求等。“最美丽的时候遇见你”也许就是艺术家脑海中灵光一现、诗一样的梦幻想法。
开源硬件项目的来源，可以是工作和生活需求。像 MakerBot 的发明者一样，因为想要一台价格比较适合的 3D 打印机而不可得，索性自己制造符合自己要求的 3D 打印机。
开源硬件项目的创意，还可以来源于社会公益责任。像“智能鸟蛋”的发起者一样，看到鸟类重要物种濒临灭绝，想要做点什么以避免悲剧的发生。
简而言之，开源硬件的丰富和发展，为创意的实现提供了便利的物质基础。不要让问题和困难限制了我们的想象，多见、多闻、多思，勤于观察、大胆思考、勇于尝试，做个生活的有心人。
项目设计与制作
有了创意之后，有必要制订详细、周密的实施方案。梳理项目的实施思路，有助于将创意一步步变为现实。这个阶段是项目进行的具体计划环节，直接决定了项目的可执行性。在这一阶段，我们需要考虑整个项目过程中，需要采集什么样的信息数据、使用何种开源硬件及软件，以及如何处理采集的数据等。
在“最美丽的时候遇见你”作品中，需要考虑：用何种方式判断人是否经过，选取什么硬件采集相应的信息，设计何种形式，采用哪种技术方法创造出令人惊艳的作品表现效果。
在 MakerBot 开源 3D 打印机项目中，想要制造一台自己的 3D 打印机，首要需要了解3D 打印机的组成，然后考虑设计最佳的打印机外壳，还需进一步对电子电路和控制算法进行改造。
在“智能鸟蛋”项目中，需确定要获取鸟蛋孵化过程中的哪些信息，需考虑如何制造出秃鹫能够接受的鸟蛋外壳，还需考虑如何将获取的信息向外传送以及信息发布的技术和途径。由于该项目规模较大，还需考虑以何种方式组织项目的研发。
有了较为详尽的设计后，就要进入具体的项目制作环节。这个过程，一定要按照事前设计好的项目方案进行实践操作，包括外观的设计、硬件的连接、作品的组装以及代码的编辑等，只有这样才能保证项目的顺利实施。
项目测试与运行
项目原型制作完成后，就需要搭建必要的测试环境，做好项目功能调试准备工作。
在“最美丽的时候遇见你”项目中，可以先将一片扇叶与步进电机进行连接，然后上传代码进行测试，如果满足预期的效果，就可以把其他步进电机全部装配好与扇叶一起联合测试，然后进行艺术绘画和装饰创作，完成一个完整的艺术作品，展示出来供大家体验与分享。
在 MakerBot 开源 3D 打印项目中，将打印机改造成立方盒子结构后，要对电路、机械结构等各个功能进行测试。例如，喷头及打印平台能否正常移动，出丝是否正常，然后测试并改进打印的精度。3D 打印长时间工作的稳定性测试是一个漫长的过程，工程技术的进步是一步一个脚印走过来的。
在“智能鸟蛋”项目中，要对鸟蛋的外壳尺寸和重量进行反复调试，直到两者都符合项目要求。要测试鸟蛋采集端与手机中继端的通信，以保障系统能在户外长期稳定工作。要测试手机中继端与云端服务器的通信，如果测试结果没有问题，便可在真实的环境中实施项目。
项目结束后，需向大家展示作品。另外，还可以继承发扬开源精神，将项目作品的全部资料（包括硬件、软件和代码等）全部开源。
需要注意的是，每个项目的完成不都是一蹴而就的，经常需要经过反复的改进才能完成。并且，待作品与用户见面后，根据用户体验实际情况，还可能需要进一步修改和完善作品。
项目实施
剖析一个开源硬件项目
一、项目活动
通过对本节三个开源硬件项目的剖析，深入了解开源硬件项目开发的基本流程。
1. 收集创客空间中开源硬件项目，并以开源硬件项目开发的基本流程为标准，对项目进行剖析。
2. 以小组为单位，交流讨论，并完成表2.4.1的内容。
表 2.4.1 开源硬件项目剖析
小组名称
开源硬件项目名称
开源硬件项目剖析 项目创意与来源
项目制作
项目测试与运行
分享
二、项目检查
完成开源硬件项目的剖析，总结出开源硬件项目设计的基本流程，并在全班交流。
总结评价
1. 请同学们总结本章的核心概念与关键能力。
2.根据自己的掌握情况填写下表。
学习内容 掌握程度
数字化设计及加工工具 　　　□不了解 □了解 □理解
编程语言及开发环境 　　　□不了解 □了解 □理解
输入输出引脚及控制 □不了解 □了解 □理解
输入输出模块 □不了解 □了解 □理解
传感器的种类 □不了解 □了解 □理解
串口及 I2C 通信方式 □不了解 □了解 □理解
大功率驱动模块 □不了解 □了解 □理解
扩展模块 □不了解 □了解 □理解
开源硬件项目开发的基本流程 □不了解 □了解 □理解
课后作业
以小组为单位，上网搜索周边的创客空间，然后实地考察。收集创客空间中有趣的开源硬件作品，并与作品的创作者进行交流沟通，了解作品完成的基本流程，完成《开源硬件项目分析报告》。
板书设计
第 2 章 开源硬件项目剖析　
2.3 通信模块与扩展板
1.媒体艺术作品
2.不断迭代的 3D 打印机
3.快速原型
4.项目开发基本流程
普通高中教科书
信息技术　选择性必修 6 开源硬件项目设计
编著
人民教育出版衬课程教材研究所信息技术课程教材研究开发中心
中国地图出版社教材出版分社
总 主 编 ：祝智庭 樊 磊
副总主编 ：高淑印 郭 芳 李 锋
本册主编：张 金 周茂华
编写人员 ：于旭珩 吴俊杰 李 琦 管雪沨 张敬云

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