3.4審查并優(yōu)化方案教學設計人教-中圖版高中信息技術選擇性必修6開源硬件項目設計

第3章開源硬件創(chuàng)意設計3.4審查并優(yōu)化方案教學設計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，主要研究以數(shù)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(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟、社會和文化發(fā)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(yǎng)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(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學內(nèi)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3章開源硬件創(chuàng)意設計3.4審查并優(yōu)化方案。創(chuàng)新驅動發(fā)展是國家戰(zhàn)略和全民共識。2015年，國務院印發(fā)《關于大力推進大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新若干政策措施的意見》，要求各地改革完善相關體制機制，構建“雙創(chuàng)”氛圍。每年十月，全國“大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新活動周”都會在神州各地拉開帷幕。得益于開源硬件近些年來的蓬勃發(fā)展和廣泛傳播，每年的“雙創(chuàng)周”上都能看到基于開源硬件開發(fā)設計的各類創(chuàng)意十足的展品和項目。自由開放的交流氛圍像是一片肥沃的土壤，滋養(yǎng)觀眾心中創(chuàng)新的種子，促進創(chuàng)新與合作。創(chuàng)意是人類獨有的高級思維活動，是創(chuàng)新的意識與思想，也是人們?nèi)粘Ｋf的“點子”“主意”“想法”等。其實，創(chuàng)意并沒有那么高深莫測，它是一個“人人可為”的大眾化行為。設計是人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)創(chuàng)意、想法、意圖的創(chuàng)造性活動。通過合理的設計，可以把創(chuàng)意、設想通過合理的規(guī)劃和周密的計劃，以多種感覺形式表達出來。開源硬件的開源與開放、模塊化設計等特征大大降低了人們學習、使用硬件進行創(chuàng)意設計的門檻。通信與半導體技術的飛速發(fā)展促使我們進入到一個全新的萬物互聯(lián)的世界，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的創(chuàng)新、創(chuàng)意設備將成為我們生活、學習和工作的重要伴侶。在本章的學習中，我們從創(chuàng)意引導開始，尋找創(chuàng)意項目來源，通過需求分析，合理選用恰當?shù)拈_源硬件及配套模塊，以“創(chuàng)想未來生活”為主題，設計一款屬于自己的創(chuàng)意作品，開啟從創(chuàng)意到實現(xiàn)的精彩旅程。教學目標1.了解開源硬件項目硬件審查和外觀審查的方法，能夠對小組項目方案進行審查。2.了解開源硬件項目優(yōu)化原則及優(yōu)化依據(jù)來源，認識到從設計到完成最終作品是一個漫長的過程，能夠在項目開發(fā)過程中保持平穩(wěn)心態(tài)。教學重點與難點教學重點:了解開源硬件項目硬件審查和外觀審查的方法，能夠對小組項目方案進行審查。教學難點:了解開源硬件項目優(yōu)化原則及優(yōu)化依據(jù)來源。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3D打印機的優(yōu)化與迭代第2章介紹的MakerBot3D打印機，如圖3.4.1所示，是當前比較穩(wěn)定的3D打印機版本。它的穩(wěn)定性是逐漸發(fā)展形成的，歷經(jīng)不同版本的優(yōu)化設計與迭代改進，其穩(wěn)定性才得以不斷提升。例如，為了減小加熱頭部分的重量，將送料機構和加熱頭部分分離；將加熱頭部分的十字型滑桿改為兩個平行的滑桿等。而這種更新與改進將會不斷進行下去，例如，將來的MakerBot3D打印機可能設計聯(lián)網(wǎng)功能，能夠通過網(wǎng)絡傳遞打印文件并執(zhí)行打印操作，再如為3D打印機增加遠程攝像頭監(jiān)控功能。查看本章上節(jié)搜索的3D打印機項目，了解它們具體的結構方案以及交互方式。思考：1.這些結構方案是否有改進的可能？2.對應的交互方式是否有改進的可能？方案審查在經(jīng)歷需求分析、方案設計和硬件選擇之后，已基本形成了項目方案。在方案實際實施之前，還需要對項目方案的硬件選型、外觀設計等方面進行審查，確保方案沒有遺漏，以減少在實施階段發(fā)現(xiàn)設計方案不合理的可能性，保障項目順利進行。如果作品的設計功能因前期疏忽而無法實現(xiàn)，這時只能回到方案設計階段對產(chǎn)品各方面進行調整，會造成時間和人力的浪費，甚至會影響開發(fā)團隊的士氣。例如，某小組的項目方案是制作一個定時提醒藥盒，他們計劃從網(wǎng)絡獲取時間信息并提醒老人吃藥，但卻忽略了一些老人可能不具備上網(wǎng)條件這一關鍵因素，使得作品測試時出現(xiàn)無法獲取時間的情況。發(fā)現(xiàn)這個問題后，小組通過查找資料，添加時鐘模塊解決了這個問題。硬件審查開源硬件項目的核心功能由核心板及周邊模塊共同實現(xiàn)。硬件的選擇決定了作品最終能否實現(xiàn)既定功能。因此，需要審查核心板及周邊模塊的技術參數(shù)是否能夠滿足整個產(chǎn)品的設計需求。硬件審查可以采用兩種方式：一是從功能到硬件清單；二是從硬件清單倒推功能。從功能到硬件清單的審查方式，即重新梳理設計方案，從作品的既定功能出發(fā)，畫出實現(xiàn)該功能所需的模塊連接圖。根據(jù)連接圖中涉及的硬件模塊，比對確定的硬件清單。就像考試時，完成所有題目后，要檢查每道題目的解題思路，確保答案正確。從硬件清單倒推功能的審查方式，即根據(jù)設計方案選用的硬件材料，逆向檢查，思考這些硬件能夠實現(xiàn)的功能，然后將設計方案中的功能與硬件功能進行比對，檢查是否有功能被遺漏。逆向檢查的工作最好交由設計小組外的人員，這樣可以避免受到設計人員固有思維的限制。逆向檢查常常會有意想不到的收獲。通過逆向檢查，在開源硬件模塊不變的前提下，有時能讓作品開發(fā)出更多有效的功能。以控制電源通斷裝置項目為例，原設計方案中選用了繼電器模塊和藍牙模塊。在逆向檢查時，有審查人員提出使用核心板本身具有的運算功能，還可以實現(xiàn)定時遙控電源通斷的功能，這無疑擴大了作品的應用領域。例如，將其用在電飯煲的供電電源上，就可以在睡覺前設定幾個小時后電源自動接通。實踐活動硬件方案審查1.對項目進行組內(nèi)審查：畫出實現(xiàn)項目功能所需的硬件連接圖，對照所選硬件清單，審查是否有遺漏，檢查無誤后簽字確認。2.對項目進行組間審查：組間互換硬件清單，寫出使用該硬件清單可實現(xiàn)的功能，然后與原方案的功能列表進行比對，相互給予反饋。外觀審查在完成硬件方案的審查后，我們還需要對外觀設計進行審查。開源硬件項目外觀審查，主要檢查產(chǎn)品內(nèi)部是否為硬件模塊預留足夠的空間。因為在項目方案設計階段，外觀設計可能從外形、圖案和顏色三方面考慮的較多，對于內(nèi)部結構以及內(nèi)部結構與外觀材料的結合、外觀設計中的交互體驗等方面并未進行細化考量。外觀審查還需考慮以下幾方面：外觀材料厚度是否適合；作品外部是否留有接口，用于開源硬件模塊與外界的連接；作品外觀中是否有足夠交互設備（如按鍵、顯示屏和指示燈等），滿足既定的交互要求。實踐活動內(nèi)部結構審查將本組項目所使用的電子模塊連接起來（包括電源、智能硬件模塊和連接線），思考在最終產(chǎn)品中，開源硬件模塊以什么樣的排列方式安裝在產(chǎn)品內(nèi)部。確定排列方式后，測量內(nèi)部電子結構所占用空間大小，并記錄在表3.4.1中。確定作品內(nèi)部尺寸后，再進行更為細致的設計。例如，在三維繪圖軟件中創(chuàng)建核心板和周邊模塊的3D圖紙，并嘗試在軟件中模擬組裝各個部件。表3.4.1內(nèi)部電子結構尺寸長寬高方案優(yōu)化經(jīng)過項目審查，我們已經(jīng)形成了較為具體且合理的方案。在最終開始制作前，還需要對項目進一步優(yōu)化提升，以得到最佳的方案。優(yōu)化原則開源硬件作品的交互設計要從可用性和用戶體驗兩方面著手。相應地，方案的優(yōu)化也可從這兩方面入手。優(yōu)化時一般遵循簡化和易用的原則。簡化指綜合考慮方案中的各種功能，確認是否有整合的可能，其中也包括讓交互的界面更簡潔。例如，在開源硬件項目中通常會用幾個不同顏色的LED表示不同的狀態(tài)，這時可以對LED燈進行優(yōu)化，采用一個全彩LED燈來代替這些LED，通過全彩LED顯示不同顏色同樣可以表示作品的不同狀態(tài)。如果這個作品中有發(fā)聲模塊，甚至可以考慮棄用LED燈，采用聲音的方式表示作品狀態(tài)的切換。易用指要提升開源硬件作品的用戶體驗，產(chǎn)品的易用性更加關注用戶的交互使用流程。例如，在開源硬件中，對于屏幕上菜單的操作，可以選用多個按鍵，每個按鍵對應一個菜單項。為了使操作變得更加順暢，可以用一個撥盤電位器模塊替代這些按鍵，實現(xiàn)菜單間的切換。除此之外，優(yōu)化方案的時候也需要考慮成本控制。開始動手進行制作之前，需要確定有多少資金可以使用，并評估現(xiàn)有方案所需的資金和材料能否被滿足。如果在資金緊張的情況下，可以考慮使用可復用材料來減少成本，也可以利用成本較低的廢舊物品作為制作材料，例如礦泉水瓶、卷紙芯等。除了資金成本外，還有許多其他隱形的成本需要考慮，如時間成本、精力成本和學習成本等。反饋信息（優(yōu)化依據(jù)來源）項目進行到方案優(yōu)化階段，對項目方案各方面細節(jié)已經(jīng)十分熟悉了。這時往往難以發(fā)現(xiàn)可以改善的地方，一定程度上限制了作品進一步優(yōu)化提升的空間。因此需要設計小組外的人員以不同的視角提出優(yōu)化建議。通常我們會從兩個途徑獲取反饋信息：一是專家；二是用戶。專家擁有大量的項目開發(fā)經(jīng)驗，熟悉項目各階段可能面臨的問題，因而對方案的最終形態(tài)和使用體驗有比較正確的預判，可以給項目開發(fā)組提出比較中肯且實際的優(yōu)化方向和建議。用戶是項目產(chǎn)品的最終使用者，他們的需求和使用體驗是產(chǎn)品需要關注的核心。通過問卷調查、訪談等方式可以獲取用戶對項目方案的反饋意見。但需要注意的是，用戶往往會從自身出發(fā)，不同用戶給予項目組的反饋信息也不盡相同，甚至是相反的。所以，對于收集到的所有信息，設計組必須經(jīng)過仔細分析和思考，有選擇性地使用。否則，不經(jīng)思考將收集的意見全部加入方案設計中，往往會導致產(chǎn)品的用戶體驗效果變差。優(yōu)化迭代開源硬件項目設計方案在優(yōu)化后，將進入方案制作階段。需要注意的是，盡管我們前期做了充足的準備，預想了各種可能發(fā)生的情況，但在后面的制作階段仍然有可能會發(fā)現(xiàn)新的問題，需要再次修改項目設計方案，甚至是推翻重來。從表面上看，項目出現(xiàn)反復，我們似乎做了無用功，但事實上，每一次優(yōu)化都是項目的進步，都是團隊和個人的成長。經(jīng)過多次迭代，項目作品逐步完善，個人也會在這個過程中得到鍛煉，獲得寶貴的經(jīng)驗。項目實施完成項目立項書一、項目活動1.審查并優(yōu)化小組項目方案，填寫表3.4.2，完成項目立項書。表3.4.2項目立項書團隊名稱項目名稱宣傳口號團隊成員分工領隊外觀設計編程設計宣傳與演講電子技術產(chǎn)品目標用戶群體是__________________，該產(chǎn)品用于滿足該用戶______________的核心需求_______________和_______________________的附加需求。產(chǎn)品描述作品類型外觀及尺寸產(chǎn)品外觀圖（二維圖或立體圖）：尺寸：______cm×______cm×______cm作品功能開源硬件清單平臺周邊模塊其他材料工具清單耗材：木板、膠棒、502膠水、卡紙......工具：3D打印機、激光切割機、機床、烙鐵、膠槍、剪刀、刻刀、切割墊......2.項目設計方案的管理采用版本方式，方案每次優(yōu)化后都視為一個新的版本，以前的方案需留存。版本間使用主版本號和副版本號加以區(qū)分，如方案只有較少修改，則主版本號不變，副版本號加1；如方案有較大修改或修改內(nèi)容較多，則主版本號加1，副版本號設為“001”。記錄本組項目方案迭代優(yōu)化過程，填寫表3.4.3。表3.4.3版本更新記錄序號主版本號副版本號更改前的內(nèi)容更改后的內(nèi)容更改時間1000123二、項目檢查1.在班級內(nèi)組織討論、研討小組項目立項書。2.根據(jù)老師和同學的反饋信息進行方案優(yōu)化?？偨Y評價1.請同學們總結本章的核心概念與關鍵能力。2.根據(jù)自己的掌握情況填寫下表。學習內(nèi)容掌握程度需求分析的方法□不了解□了解□應用頭腦風暴的技巧□不了解□了解□理解項目功能設計的方法□不了解□了解□理解外觀設計的方法□不了解□了解□掌握交互設計的方法□不了解□了解□掌握核心板的功能和性能□不了解□了解□掌握常用的周邊模塊功能□不了解□了解□理解項目方案審查方法□不了解□了解□掌握項目方案優(yōu)化方法□不了解□了解□理解課后作業(yè)1.完成方案以后，對照開源硬件在線商店的價格，對開源硬件作品的預期性價比做一個評估。2.很多軟件在正式發(fā)布之前會有很多內(nèi)部測試版本和公共測試版本，請舉例說明這種測試版本