4.2調控測試教學設計人教-中圖版高中信息技術選擇性必修6開源硬件項目設計

第4章開源硬件項目制作4.2調控測試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4章開源硬件項目制作4.2調控測試。技術的發(fā)展大大提升了人類改造自然的能力。大數(shù)據、物聯(lián)網和人工智能等信息技術的迅速發(fā)展在深刻改變著我們的生活方式、思維模式和行為習慣。2017年，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出，增加人工智能創(chuàng)新的源頭供給，促進開源共享，智能軟硬件被列為大力發(fā)展的人工智能新興產業(yè)之一。近年來，在中國國際高新技術成果交易會上，智能家居館集中展出從高端到通用的全系列物聯(lián)網、云計算、智能家居、安防產品和智能穿戴等應用方案，其中無線智能插座、智能燈、智能音箱、智能鬧鐘、健康監(jiān)測手環(huán)、家居溫控調節(jié)器和健康智能枕等創(chuàng)意產品，讓人親身感受到智能硬件產品給我們帶來的美好生活。在開源共享理念的倡導下，基于物聯(lián)網的智能硬件產品迎來新的發(fā)展機遇，時下越來越多的智能硬件產品采用開源硬件進行原型設計與開發(fā)。隨著開源硬件在中小學校園的普及和廣泛傳播，我們能方便、快捷地完成智能硬件作品的原型。本章將在第3章項目立項書的基礎上，以“智造美好生活”為背景，具體實現(xiàn)項目預設功能，調控測試各項指標參數(shù)，開展基于開源硬件的“互聯(lián)網智能鬧鐘”的項目制作與學習，親歷項目從創(chuàng)意到實現(xiàn)的完整過程，完善項目作品的設計方案，梳理項目關鍵過程與步驟，使用數(shù)字化的工具，規(guī)劃項目發(fā)布方案，踐行開源與分享精神，在實踐中理解開源知識產權保護的價值與意義。教學目標1.了解開源硬件項目測試環(huán)境搭建相關知識，能夠設計簡單項目的模擬測試環(huán)境。2.了解開源硬件項目作品制作過程中的調控測試方法，能夠進行硬件模塊測試和功能聯(lián)調測試。實現(xiàn)項目的數(shù)據采集、數(shù)據輸出和運算處理。教學重點與難點教學重點:了解開源硬件項目測試環(huán)境搭建相關知識，能夠設計簡單項目的模擬測試環(huán)境。教學難點:了解開源硬件項目作品制作過程中的調控測試方法，能夠進行硬件模塊測試和功能聯(lián)調測試。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神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功，標志著中國成功掌握空間飛行器交會對接技術（圖4.2.1）。交會對接是一項復雜工程，在對接之前，科研人員需要完成大量的調控測試工作。這項工作需要不斷地確認位置關系，調整飛行參數(shù)，使兩艘飛行器慢慢接近，同時需要檢測艙門快速檢漏儀、光學成像敏感器以及捕獲裝置等儀器設備狀態(tài)是否正常，以保證交會對接成功。思考：1.討論在神舟十一號飛船與天宮二號交會對接前，哪些操作屬于調控，哪些屬于測試。2.生活中還有哪些調控測試的例子？測試環(huán)境與儀器項目原型制作完成后，需要搭建必要的測試環(huán)境，以便進行項目各功能測試及整體聯(lián)調測試。測試環(huán)境指借助一些工具、儀器、設備，模擬項目作品應用時的真實環(huán)境。例如，測試“互聯(lián)網智能鬧鐘”的小夜燈功能時，需模擬小夜燈真實的工作環(huán)境。思考活動如何搭建模擬測試環(huán)境在本章4.1節(jié)中已經初步實現(xiàn)了項目作品的基本功能。如何搭建一個合適的環(huán)境，以方便對各功能進行測試呢？思考:1.以表格的形式整理項目中需要進行測試的功能。2.針對不同功能，思考應搭建怎樣的測試環(huán)境。搭建模擬測試環(huán)境根據項目作品的功能類型、技術指標等要求，需搭建模擬測試環(huán)境，以便于對項目作品進行測試。例如，利用加濕器搭建潮濕的環(huán)境，或利用手電筒、臺燈搭建強弱變化的光線環(huán)境。搭建測試環(huán)境需盡可能模擬真實環(huán)境。搭建模擬測試環(huán)境時需注意以下問題。搭建測試環(huán)境前，需確定測試目的如要測試項目作品功能，則需根據作品可能被應用的各種環(huán)境，搭建多種測試環(huán)境。例如,測試案例作品的小夜燈功能，則需搭建多個強弱不同的光線環(huán)境，以檢測小夜燈隨光線變化的情況。如要測試項目作品的穩(wěn)定性，則需在同一個測試環(huán)境進行多次測試，獲取大量測試數(shù)據，以此檢測項目作品的穩(wěn)定性。測試環(huán)境需穩(wěn)定和可控測試環(huán)境需要穩(wěn)定和可控，這樣可以減少測試環(huán)境的變動對測試結果的影響。在搭建檢測環(huán)境時要確保測試環(huán)境獨立，避免測試環(huán)境受其他因素影響。搭建可反復使用的測試環(huán)境測試環(huán)境可再次使用，能減少重新搭建測試環(huán)境花費的時間和成本，當測試環(huán)境遭到破壞時，也便于恢復測試環(huán)境。測試儀器搭建好模擬環(huán)境后，還需借助一些標定后的專業(yè)測試儀器，對模擬環(huán)境進行檢查驗證。在項目測試中常用的專業(yè)測試儀器有萬用表、示波器和照度計等。萬用表是電子測量中最常用的工具，如圖4.2.2所示，具有用途多、量程廣和使用方便等優(yōu)點，可測量直流電流、直流電壓、交流電壓、電阻和音頻電平等，還可測量交流電流、電容、電感、溫度及半導體（二極管、三極管）的一些參數(shù)。示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器，如圖4.2.3所示。它能將電信號的變化規(guī)律轉換成可看得見的波形圖像，并且根據信號的波形可對電信號的多種參量進行測量，如信號的電壓幅度、周期、頻率、相位差、脈沖寬度等，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。照度計（或稱勒克斯計）是一種專門測量照度的儀器儀表，如圖4.2.4所示。照度，全稱光照強度，指單位面積上所接受可見光的光通量。照度的單位為勒克斯（lx）。照度計常用于對室內場所（如辦公室、實驗室等環(huán)境）的照度測量。實踐活動搭建小組模擬測試環(huán)境參考“互聯(lián)網智能鬧鐘”案例，尋找合適的材料，設計并搭建用于測試本小組作品各項功能的模擬環(huán)境。選用相關的檢測儀器，測試搭建的環(huán)境是否合適，完成項目模擬測試環(huán)境的設計，并填寫表4.2.1。表4.2.1測試環(huán)境搭建項目名稱測試功能環(huán)境類型如何搭建檢測儀器測試操作互聯(lián)網智能鬧鐘光線強弱控制燈的亮度光線環(huán)境手電筒（多擋）照度計利用照度計測試手電筒不同擋位時的光線強度小組項目項目測試項目作品原型制作完成后，需要對作品進行測試，以確保作品能夠實現(xiàn)既定功能。例如，在“互聯(lián)網智能鬧鐘”案例作品中，我們通過中國天氣網站獲取天氣信息，并利用B型板的OLED屏幕來顯示氣象信息。在項目測試時，就需要比對OLED屏幕顯示的信息和中國天氣網站的天氣信息是否一致。思考活動如何制訂測試計劃通常一個項目作品功能由多個部分組成。項目完成后，作品能否實現(xiàn)既定功能，主要取決于構成作品的各個單元功能是否正常。思考：1.分析本小組項目作品功能分別由哪些部分組成。2.為保證作品的整體功能實現(xiàn)，需要對哪些功能組成部分進行測試？3.得出需要測試的內容后，討論應采用什么方法來進行測試。項目測試可分為硬件模塊測試和功能聯(lián)調測試。測試的一般流程為：首先，分析項目的功能組成。例如，“互聯(lián)網智能鬧鐘”的功能由鬧鐘功能、夜燈功能、天氣預報功能組成。其次，分別測試各個功能是否能夠單獨實現(xiàn)。例如，“互聯(lián)網智能鬧鐘”中，單獨編寫利用重力加速度傳感器控制小夜燈開和關的程序，連接硬件模塊，燒錄程序，檢查是否能夠實現(xiàn)搖晃鬧鐘開燈和關燈的功能。最后，完成各個功能的單獨測試后，將整個項目作品的所有功能整合在一起進行功能聯(lián)調測試。硬件模塊測試許多硬件連接錯誤或設備故障是在程序測試中被發(fā)現(xiàn)并糾正的。通常要先排除明顯的硬件模塊故障，再和程序結合起來測試，進一步排除故障。這是因為硬件模塊的測試是基礎，如果硬件模塊測試未通過，程序測試則無從做起。硬件模塊測試一般包括：輸入模塊測試。編寫程序，通過對應的接口接收輸入模塊發(fā)出的數(shù)據，并將數(shù)據顯示出來。輸出模塊測試。編寫程序，通過對應的接口將數(shù)據發(fā)送到輸出模塊，測試發(fā)送的數(shù)據與實際展示效果是否相匹配。通信模塊的測試。例如，藍牙模塊、紅外接收模塊等，由于這些模塊都是雙向通信，所以一方面要檢測通信模塊能否正確接收到發(fā)送端發(fā)送過來的數(shù)據，另一方面還需測試通信模塊能否正常發(fā)送數(shù)據。以案例作品“互聯(lián)網智能鬧鐘”為例制訂詳細的硬件模塊測試計劃，如表4.2.2所示。表4.2.2硬件模塊測試計劃測試內容測試方法測量結果通過/未通過輸輸入測試光線傳感器改變環(huán)境光線強弱，觀察LED燈的亮度是否隨之改變加速度傳感器調整B型板的姿態(tài)，利用計算機串口查看加速度傳感器的數(shù)據輸出變化是否正常網絡數(shù)據采集（時間、天氣）對比網絡數(shù)據信息與OLED屏顯示信息是否一致輸出測試LED燈測試方法同光線傳感器的測試OLED屏測試方法同網絡數(shù)據采集的測試蜂鳴器設置不同時間段的鬧鐘，檢查蜂鳴器是否正常發(fā)聲功能聯(lián)調測試功能聯(lián)調是項目測試中的重要環(huán)節(jié)。一般項目作品的功能很難做到一次成功，所以單項功能實現(xiàn)后，還需要進行功能聯(lián)調測試。功能聯(lián)調時不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤，做到及時修改，還可以對作品整體功能進行分析和驗證。對各硬件模塊單項功能測試后，進行作品整體功能聯(lián)調?？梢越柚喾N軟硬件工具一起進行測試，在測試中設置多組變量，檢查功能實現(xiàn)是否與預期一致，這樣可以較為快捷地發(fā)現(xiàn)問題。例如，在“互聯(lián)網智能鬧鐘”中設置多組鬧鐘時間，檢查蜂鳴器是否能夠按時響起。實踐活動項目測試計劃及實施以小組為單位，參照“互聯(lián)網智能鬧鐘”案例，制訂本小組的項目測試計劃并實施，并完成如表4.2.3所示測試總表的填寫。表4.2.3“互聯(lián)網智能鬧鐘”硬件測試計劃項目名稱測試內容測試方法及儀器設定變量測試結果測試人員互聯(lián)網智能鬧鐘鬧鐘功能設定不同時間段的鬧鐘，檢測蜂鳴器是否按時響起儀器設備：標準比對計時器鬧鐘時間08:0008:1008:20夜燈功能給定不同強度光照，檢查LED燈是否能夠實現(xiàn)隨著環(huán)境光線的強弱，調整發(fā)光亮度儀器設備：照度計光照強度0lx5lx10lx調控執(zhí)行調控執(zhí)行就是改變系統(tǒng)所涉及的各項參數(shù)，運行測試系統(tǒng)各項功能的過程。不同參數(shù)的系統(tǒng)運行結果可能是不同的，在調控過程中，需要不斷改變這些參數(shù)，根據系統(tǒng)運行的狀態(tài)和情況，結合各組成硬件間的邏輯關系進行分析，最終得到最優(yōu)的參數(shù)值，使得系統(tǒng)功能得以最理想的實現(xiàn)。調控執(zhí)行的一般流程如下。首先，完成系統(tǒng)每個組成硬件的調控執(zhí)行。例如，通過調節(jié)光線傳感器上的旋鈕，來調節(jié)光線傳感器對光強的靈敏度，如圖4.2.5所示。其次，完成各項功能所涉及的硬件，聯(lián)合起來調控執(zhí)行。例如，案例作品中通過調節(jié)加速度傳感器的觸發(fā)值，選擇最優(yōu)的加速度觸發(fā)值，控制LED小夜燈的開啟和關閉。最后，整個系統(tǒng)各項功能聯(lián)合起來進行調控執(zhí)行。例如，運行循線避障小車時，需要查看傳感器是否會占用同一個引腳，傳感器之間是否會相互影響，從而調整參數(shù)。完善項目完成項目作品測試后，通常需要根據測試后的結果進行一次項目完善，在完善過程中會提出新的改進方案，這也就是在項目制作中經常說到的迭代。完善項目一般可以分為以下兩個步驟。第一步，審查完成的作品是否能夠實現(xiàn)初始設計的功能，如果沒有實現(xiàn)，要分析具體原因。第二步，考慮當前作品是否還有可以優(yōu)化提升和擴展的空間。表4.2.4的內容是“互聯(lián)網智能鬧鐘”項目的評價記錄，除了包括對完成項目的評價，還記錄了關于項目完善的思考。表4.2.4“互聯(lián)網智能鬧鐘”項目評價記錄評價內容評價記錄是否滿足初始設定的需求初始需求：鬧鐘功能、夜燈功能、天氣預報功能最終實現(xiàn)功能：鬧鐘功能、夜燈功能、天氣預報功能、氛圍燈功能可優(yōu)化的功能及其目標可優(yōu)化的功能：設置鬧鐘的操作初始實現(xiàn)技術：在程序中更改鬧鐘時間，再將程序上傳至B型板優(yōu)化實現(xiàn)技術：通過網絡協(xié)議實現(xiàn)鬧鐘設置目標：使設定鬧鐘的操作更簡便可擴展增加的功能及其目標擴展功能：增加室內溫度顯示功能目標：提高作品的用戶體驗實踐活動小組項目優(yōu)化參考“互聯(lián)網智能鬧鐘”的優(yōu)化，完成本小組項目作品的優(yōu)化工作。項目實施小組項目調試一、項目活動1.各小組根據項目作品應用場景，搭建相應的測試環(huán)境。2.小組成員進行分工合作，利用搭建的模擬測試環(huán)境，完成作品的功能測試。3.思考并嘗試小組項目作品的功能優(yōu)化。4.完成項目作品測試優(yōu)化報告，填寫表4.2.5。表4.2.5作品測試優(yōu)化報告項目名稱測試內容搭建測試環(huán)境測試方法及儀器測試結果優(yōu)化措施優(yōu)化結果二、項目檢查1.依據項目作品優(yōu)化測試報告表，完成項目作品測試及優(yōu)化，并完成各小組互評。2.項目作品完成后，分析作品的應用前景，并在班級進行交