基于仿真的深度主題探索課程

劉昭 孟延豹

前言：

基于仿真軟件和創(chuàng)客硬件的半實(shí)物項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課程，是伙樂魅客的劉昭博士非常有特色的課程，他作為曾經(jīng)在航天五院“錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室”有過十年工作經(jīng)驗(yàn)的工程師，對航天任務(wù)規(guī)劃非常鐘愛，他的課程有著他在清華的博士學(xué)習(xí)過程和航天的項(xiàng)目研究過程的深深的烙印，而這反而給了我們一種深度學(xué)習(xí)的樣例，這樣的課程已經(jīng)在北京的幾所中學(xué)不同程度地進(jìn)行，其設(shè)計(jì)以及執(zhí)行過程都能夠給我們很多啟發(fā)。

● 創(chuàng)客活動(dòng)及創(chuàng)客課程

伙樂魅客基于仿真的深度主題探索課程，是基于工業(yè)場景的創(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。

關(guān)于“創(chuàng)客活動(dòng)”（Maker Movement），一般認(rèn)為最早源于美國麻省理工學(xué)院（MIT）的比特及原子研究中心在2001年發(fā)起的Fab Lab（Fabrication Laboratory，制作實(shí)驗(yàn)室）創(chuàng)新項(xiàng)目。Fab Lab以個(gè)人創(chuàng)意、個(gè)人設(shè)計(jì)、個(gè)人制作為核心理念，旨在構(gòu)建以用戶為中心，融合設(shè)計(jì)、制作、裝配、調(diào)試、分析以及文檔管理的全流程創(chuàng)新制作環(huán)境。

“創(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。學(xué)生們在完成仿真訓(xùn)練的過程中，習(xí)得的不僅僅是科學(xué)知識和操作技能，還有社會經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，他們將能更好地理解社會生產(chǎn)的本質(zhì)。

● 航天課程與STEAM課程

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)能力都會有極大的提升。

（4）進(jìn)行角色扮演，從而對某一專業(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，對學(xué)生的組織能力、表達(dá)能力、規(guī)劃能力、工程能力會有很大促進(jìn)。

我國進(jìn)入經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展新階段，對下一代人才的創(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)展趨勢接軌?？萍紕?chuàng)新能力來源于工匠精神、團(tuán)隊(duì)意識和創(chuàng)新欲望，應(yīng)該盡量要從小培養(yǎng)。

伙樂魅客航天課程引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐自己童年渴望，整合自己所學(xué)知識，嘗試設(shè)計(jì)宇航任務(wù)規(guī)劃方案，進(jìn)行半實(shí)物仿真和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，解決航天衛(wèi)星實(shí)踐活動(dòng)中所面臨的工業(yè)實(shí)踐、系統(tǒng)工程、人際關(guān)系、組織管理、審美優(yōu)化等方面的問題。

伙樂魅客的航天主題課程愿景是：

（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、社會因素、行為因素。

（2）培養(yǎng)技術(shù)思維習(xí)慣。對科研活動(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（space mission），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)場景的課程還比較少見，但工業(yè)場景更加接近于實(shí)際研究和創(chuàng)新的本源。

以上是我們的愿景。在這一年多來的教學(xué)實(shí)踐過程中，我們利用了劉慈欣的《三體》作為任務(wù)情境，學(xué)生利用所學(xué)創(chuàng)客技能完成《三體》中的一些任務(wù)的設(shè)計(jì)。

● 航天課程設(shè)計(jì)

課程中我們利用學(xué)生們普遍喜歡的“硬科幻”場景，來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)晦澀的宇航知識、創(chuàng)客知識。

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與技能、過程與方法。對于過程與方法，我們關(guān)注的應(yīng)該是人類社會現(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)仿真的終極場景可以設(shè)計(jì)為：

（1）課程設(shè)計(jì)源于但不囿于現(xiàn)有工程方案。問題提煉于實(shí)際的航天工程，結(jié)合學(xué)生的年齡和知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有所調(diào)整。有工程訓(xùn)練，也有虛擬想定和仿真。學(xué)科交叉，高度原創(chuàng)。

（2）每個(gè)項(xiàng)目都有一個(gè)完整的工程組織結(jié)構(gòu)。模仿人類工程實(shí)踐層級，設(shè)立層級組織機(jī)構(gòu)。包括工程指揮、項(xiàng)目經(jīng)理以及各子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。強(qiáng)調(diào)反向遞推的認(rèn)知過程，讓學(xué)生既見樹木又見森林，期望學(xué)生的眼界、理解力、自學(xué)能力有所提升。

工欲善其事必先利其器。為了達(dá)到參與工業(yè)場景的基本要求，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，對工程實(shí)踐邊緣有感性認(rèn)識（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：會選型并使用基本元件完成創(chuàng)客作品，如會使用元件盒、基本直插元件、基本貼片元件、開關(guān)等基本元件，能夠讀懂簡單電路圖，并按照圖中方法進(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：

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

◇文檔能力：軟件設(shè)計(jì)手冊的編寫能力。

◇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：

◇3D設(shè)計(jì)和數(shù)字加工意識：了解創(chuàng)客作品加工的基本流程，讓對工業(yè)的理解進(jìn)入4.0年代。

◇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：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)洌W(wǎng)頁和網(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)對點(diǎn)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，簡單分布式系統(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；這個(gè)過程也會講述一些計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識，以及電子電路的基礎(chǔ)知識。無論具體課程如何設(shè)計(jì)，總之是講述創(chuàng)客的“必殺技”。然后會引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一些簡單的創(chuàng)客作品。后半部分，會通過引導(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。最后，綜合學(xué)到的創(chuàng)客知識，我們會帶領(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。

下頁圖1給出了一次仿真場景示例。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、能力和過程：（1）工程探索能力：資料調(diào)研、實(shí)驗(yàn)品采購、知識梳理、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)生知識范圍，可以簡化為旋轉(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，我們認(rèn)為，學(xué)生從深度探索創(chuàng)客活動(dòng)中獲得的將不僅僅是知識。從過程與方法的角度看，其習(xí)得包括自我知識體系構(gòu)建能力、實(shí)驗(yàn)和知識拓展能力、協(xié)作能力、表達(dá)力、組織力、宣傳力。

后記

航天主題課程筆者也見過一些，但是像劉昭博士這樣的設(shè)計(jì)還是很少見的，課程主要的特點(diǎn)就在于課程深度，當(dāng)然課程主要難點(diǎn)也在于此，這樣的課程是否能推廣呢？或者說，這樣的課程適合于什么樣的學(xué)生和學(xué)校？這也是需要我們好好思考的問題。