基于仿真的深度主題探索課程劉昭孟延豹伙樂魅客基于仿真的深度主題探索課程，是基于工業(yè)場(chǎng)景的創(chuàng)客課程，在討論之前，不妨退回到創(chuàng)客教育這一更大的范疇，分析一下深度主題探索的產(chǎn)生背景?！皠?chuàng)客活動(dòng)”也稱“創(chuàng)客行動(dòng)”，其具體內(nèi)涵是指人們利用身邊的各種材料和計(jì)算機(jī)等相關(guān)設(shè)備（如3D打印機(jī)）、程序及其他技術(shù)性資源（如互聯(lián)網(wǎng)上的開源軟件），通過自己動(dòng)手或與他人合作制造出獨(dú)創(chuàng)性產(chǎn)品的一種活動(dòng)。率先提出“創(chuàng)客行動(dòng)”口號(hào)的克理斯·安德森認(rèn)為，創(chuàng)客行動(dòng)有三大特征——使用多種數(shù)字桌面工具；遵循共享設(shè)計(jì)和在線協(xié)作的文化規(guī)范；使用共同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以促進(jìn)分享和產(chǎn)品的快速迭代。就我們前一段時(shí)間調(diào)研的結(jié)果來看，目前的創(chuàng)客課程，比較缺乏這樣的團(tuán)隊(duì)工業(yè)仿真課程。即由若干人組成一個(gè)大的工業(yè)生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，共同完成某個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。開發(fā)這種仿真課程有其必要性，原因在于：首先，隨著人類文明的發(fā)展，以及各類企業(yè)規(guī)模的逐漸壯大，集體協(xié)作的工業(yè)生產(chǎn)，將來會(huì)越來越有重要的地位。信息技術(shù)和創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的發(fā)展不是削弱了這種大規(guī)模協(xié)同，相反，它們給大規(guī)模協(xié)同提供了更好的支持。其次，分布式大規(guī)模協(xié)同仿真更接近于真實(shí)社會(huì)。學(xué)生們?cè)谕瓿煞抡嬗?xùn)練的過程中，習(xí)得的不僅僅是科學(xué)知識(shí)和操作技能，還有社會(huì)經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，他們將能更好地理解社會(huì)生產(chǎn)的本質(zhì)。宇航任務(wù)規(guī)劃適合作為STEAM課程，是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：（1）學(xué)科融合。宇航任務(wù)融合了數(shù)學(xué)、物理、幾何、化學(xué)、生物等多學(xué)科，而且結(jié)局開放，符合STEAM教育的基本理念。（2）宇航任務(wù)的結(jié)局開放，富有趣味性和挑戰(zhàn)性，適合作為創(chuàng)客課程。（3）體現(xiàn)了工程技術(shù)活動(dòng)的思維習(xí)慣。本課程強(qiáng)調(diào)反向遞推的認(rèn)知過程，讓學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)既能接觸某個(gè)大工程的全過程又能有所側(cè)重，讓學(xué)生既看樹木又見森林，使得他們的眼界、理解力、自學(xué)能力都會(huì)有極大的提升。（4）進(jìn)行角色扮演，從而對(duì)某一專業(yè)領(lǐng)域的工程組織、工程實(shí)踐和相應(yīng)科學(xué)問題有一個(gè)比較深入的了解和思考。各個(gè)團(tuán)隊(duì)深度合作反復(fù)迭代，對(duì)學(xué)生的組織能力、表達(dá)能力、規(guī)劃能力、工程能力會(huì)有很大促進(jìn)。我國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展新階段，對(duì)下一代人才的創(chuàng)新能力提出了前所未有的挑戰(zhàn)。教學(xué)內(nèi)容與形式需要和科技發(fā)展趨勢(shì)接軌?？萍紕?chuàng)新能力來源于工匠精神、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和創(chuàng)新欲望，應(yīng)該盡量要從小培養(yǎng)?；飿拂瓤偷暮教熘黝}課程愿景是：（1）全方位立體了解項(xiàng)目探究。探索大主題探究中的策劃因素、組織因素、技術(shù)因素、社會(huì)因素、行為因素。（2）培養(yǎng)技術(shù)思維習(xí)慣。對(duì)科研活動(dòng)進(jìn)行深度體驗(yàn)，為未來的創(chuàng)造活動(dòng)打好基礎(chǔ)。（3）引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)探究式學(xué)習(xí)過程，在創(chuàng)造中學(xué)習(xí)。（4）基礎(chǔ)和前沿教育相結(jié)合。引導(dǎo)學(xué)生接觸科技發(fā)展最新動(dòng)態(tài)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工具軟件，嘗試探究和完善學(xué)科基礎(chǔ)理論，修補(bǔ)邊角理論。（5）為學(xué)校做好點(diǎn)面結(jié)合的人才培養(yǎng)。為學(xué)校建立探究生態(tài)環(huán)境，形成探究氛圍，為學(xué)校的科研活動(dòng)做好技術(shù)儲(chǔ)備，為尖端人才脫穎而出做好鋪墊。（6）培養(yǎng)學(xué)生科技觀。幫助學(xué)生理解人類知識(shí)體系，把握創(chuàng)新全局，培養(yǎng)創(chuàng)新領(lǐng)袖。所謂航天任務(wù)或航天使命（spacemission），即賦予航天活動(dòng)的使命，也即為航天活動(dòng)確定的工作內(nèi)容、方法和要求，或利用航天器實(shí)現(xiàn)的軍事、民用或商業(yè)目標(biāo)。航天任務(wù)具有投資多、風(fēng)險(xiǎn)大、回報(bào)高的特點(diǎn)，因此在編制和實(shí)施航天任務(wù)時(shí)，除千方百計(jì)降低成本外，還要非常重視提高可靠性，保證成功率。如今，從學(xué)校到培訓(xùn)班，STEAM教育不可否認(rèn)是一個(gè)熱點(diǎn)。目前的STEAM教育呈現(xiàn)出了百花齊放的特點(diǎn)，如有的學(xué)校側(cè)重機(jī)器人教育，有的側(cè)重樂高、Vex等場(chǎng)景搭建課程，有的側(cè)重金鵬論壇等科技創(chuàng)新類課程。目前基于實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景的課程還比較少見，但工業(yè)場(chǎng)景更加接近于實(shí)際研究和創(chuàng)新的本源。課程中我們利用學(xué)生們普遍喜歡的“硬科幻”場(chǎng)景，來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)晦澀的宇航知識(shí)、創(chuàng)客知識(shí)。在探討課程設(shè)計(jì)之前，我們先看看需要講授的都有哪些知識(shí)與技能、過程與方法。對(duì)于過程與方法，我們關(guān)注的應(yīng)該是人類社會(huì)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的規(guī)范、慣例和習(xí)慣。比如管理中的層級(jí)組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)中的研討、傳承、辯論、仲裁，以及企業(yè)文化等工作習(xí)慣。因此工業(yè)仿真的終極場(chǎng)景可以設(shè)計(jì)為：工欲善其事必先利其器。為了達(dá)到參與工業(yè)場(chǎng)景的基本要求，學(xué)生不可避免要學(xué)習(xí)一些基本技能。一個(gè)合格的創(chuàng)客，應(yīng)該具有以下四方面的能力。（1）硬件學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)能力，包括：

創(chuàng)意能力：能夠提出自己的創(chuàng)意，對(duì)工程實(shí)踐邊緣有感性認(rèn)識(shí)（能初步分析工程可行性）。

自學(xué)、自培養(yǎng)、自完善能力：通過實(shí)驗(yàn)序列設(shè)計(jì)，研究硬件模塊的功能和接口的能力；完善自我知識(shí)體系樹的能力。

EDA軟件使用能力：通過實(shí)驗(yàn)，熟悉硬件設(shè)計(jì)流程和經(jīng)典設(shè)計(jì)軟件（altium、solid、arduino等）的能力。

調(diào)試能力：包括能讀懂基本電路圖，能通過查資料弄清楚如何調(diào)整電路元件使其能正常工作。

設(shè)備使用能力：會(huì)使用硬件設(shè)計(jì)的基本設(shè)備，如電烙鐵、洞洞板、松香等。

元件使用能力：會(huì)選型并使用基本元件完成創(chuàng)客作品，如會(huì)使用元件盒、基本直插元件、基本貼片元件、開關(guān)等基本元件，能夠讀懂簡(jiǎn)單電路圖，并按照?qǐng)D中方法進(jìn)行元件安裝。

設(shè)計(jì)和調(diào)試技巧：知道調(diào)試中的安全問題如何解決；對(duì)元件成本有基本概念，知道該如何避免不必要的損失；了解短路等嚴(yán)重電路故障該如何避免；了解基本的電工操作規(guī)范等。（2）軟件設(shè)計(jì)能力，包括：

軟件庫(kù)的開發(fā)和調(diào)試能力：根據(jù)工程需要和團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃生成軟件庫(kù)，并用軟件工程運(yùn)維此軟件庫(kù)。

文檔能力：軟件設(shè)計(jì)手冊(cè)的編寫能力。

軟件工具使用能力：IDE（如arduinoIDE）和命令行編譯工具（如gcc）和調(diào)試工具（如python-mpdb）的使用能力。

軟件調(diào)試能力：用軟件調(diào)試工具調(diào)試庫(kù)函數(shù)和應(yīng)用函數(shù)的能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法：能根據(jù)實(shí)際問題提出合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能根據(jù)實(shí)際問題提出擬采用的排序等基本算法。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，包括：

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本流程：熟悉solidworks等經(jīng)典建模軟件進(jìn)行3D設(shè)計(jì)的思路。

經(jīng)典結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力：能夠設(shè)計(jì)立方體、榫孔等基本結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)合理性分析能力：能夠使用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理性分析，排除碰撞等基本設(shè)計(jì)失誤。（4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能力，包括：

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)基本知識(shí)：了解什么是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、什么是應(yīng)用層程序、什么是拓?fù)?，網(wǎng)頁(yè)和網(wǎng)絡(luò)編程的概念，以及路由器、調(diào)制解調(diào)器等基本概念。

網(wǎng)絡(luò)編程能力：socket程序設(shè)計(jì)能力。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)能力：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，簡(jiǎn)單分布式系統(tǒng)協(xié)議的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力。因此我們的課程設(shè)計(jì)思路為從基本技能入手，反復(fù)習(xí)得，在此過程中，逐步引入工程管理的方法和架構(gòu)。我們提出的總體設(shè)計(jì)思路為：課程分為兩部分進(jìn)行。前半部分是創(chuàng)客基礎(chǔ)和造物課程。根據(jù)我們上面講過的內(nèi)容，首先講述arduino、C、python等軟硬件知識(shí)；這個(gè)過程也會(huì)講述一些計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識(shí)，以及電子電路的基礎(chǔ)知識(shí)。無論具體課程如何設(shè)計(jì)，總之是講述創(chuàng)客的“必殺技”。然后會(huì)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的創(chuàng)客作品。后半部分，會(huì)通過引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一些比較復(fù)雜的創(chuàng)客作品來鞏固和深化創(chuàng)客基本知識(shí)。最后，綜合學(xué)到的創(chuàng)客知識(shí)，我們會(huì)帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)比較綜合的航天任務(wù)仿真。何謂航天任務(wù)仿真項(xiàng)目？一言以蔽之，就是帶領(lǐng)學(xué)生利用創(chuàng)客手段，克服重重困難完成一次宇航任務(wù)。這些困難可能是系統(tǒng)內(nèi)部的電源失效、通信中斷，也包括來自系統(tǒng)外部的通信干擾，甚至是導(dǎo)彈襲擊。下頁(yè)圖1給出了一次仿真場(chǎng)景示例。這里稍作解釋：最初，衛(wèi)星從地球被發(fā)射，在發(fā)射的過程中，有一枚火箭被從地球發(fā)射，來追擊這顆衛(wèi)星，并且，火箭在衛(wèi)星附近爆炸，造成衛(wèi)星溫度升高，從而，恒溫系統(tǒng)被啟動(dòng)，衛(wèi)星溫度開始降低，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)正常。然后，電池組A失效，衛(wèi)星系統(tǒng)啟動(dòng)備份電池組B，于是，電池組A恢復(fù)正常工作，衛(wèi)星系統(tǒng)從電池組B切換回電池組A，接著，發(fā)生干擾，遙控失效，啟動(dòng)星務(wù)自主管理，電池再次失效，星務(wù)系統(tǒng)自主啟動(dòng)備份電池，干擾解除，衛(wèi)星重新受到遙控。最后，完成拍攝，回傳，完成地面站處理。當(dāng)然，我們這里使用的是仿真衛(wèi)星來參與實(shí)驗(yàn)。所謂仿真衛(wèi)星，是指此衛(wèi)星的功能類比于真實(shí)衛(wèi)星，但是其外形和布局和真實(shí)衛(wèi)星有差別。通過基于仿真衛(wèi)星的使命仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以習(xí)得以下知識(shí)、能力和過程：（1）工程探索能力：資料調(diào)研、實(shí)驗(yàn)品采購(gòu)、知識(shí)梳理、方案提出和磨合、仿真和調(diào)試方案和實(shí)施；（2）協(xié)同創(chuàng)新能力：方案的提出、論證、研討、調(diào)研、辯論；工程的組織。由圖1可以看出，此仿真系統(tǒng)部分由實(shí)物仿真完成，部分由軟件仿真完成。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮的因素包括：（1）軌道仿真：很難用硬件仿真，建議用軟件仿真實(shí)現(xiàn)；（2）姿軌控系統(tǒng)仿真：涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和物理計(jì)算，超出了中學(xué)生知識(shí)范圍，可以簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)問題，用硬件實(shí)現(xiàn)；（3）熱控系統(tǒng)仿真：可以用實(shí)物簡(jiǎn)單仿真實(shí)現(xiàn)。我們的仿真系統(tǒng)其實(shí)包括兩個(gè)軟件，即仿真系統(tǒng)和遙測(cè)遙控系統(tǒng)（如圖2）。以上表格給出了這部分的課程設(shè)計(jì)，以供參考。通過以上課程，