实验方法与步骤

1. 实验方法描述：

开源硬件与STEAM教育虚拟仿真实验包括分析实验所需实验器材、提炼出本节实验的STEAM思想、硬件电路连接、图形化软件编程、结果记录及STEAM思想总结等六大部分。包含的实验方法有头脑风暴发挥想象、计算思维提升编程能力、创新思路优化实验结果等。

2. 学生交互性操作步骤说明：

进入实验页面并加载实验，点击开始实验按钮正式进入实验操作环节；

本项目分为学习模式和考核模式，完成学习模式的学习任务后方可进入考核模式，点击“学习模式”按钮进入实验操作界面。

点击“基础实验”按钮进入开源硬件与STEAM教育虚拟仿真实验平台，用户需首先阅读实验操作帮助，阅读完毕后使用鼠标单击操作帮助的关闭按钮；

步骤1：熟悉实验环境和实验工具

用户操作鼠标和WASD按键进入实验室内，实验老师开始讲解本实验课程，准备开始实验内容的学习和对设备的操作。

步骤2：学习开源硬件库

用户操作WASD键控制视角至上图的蓝色光圈内，进入实验工位，鼠标点击桌面上闪光的工具箱，进入开源硬件库界面；

在硬件库界面，用户可以查看各类控制器、传感器、显示器、执行器通信模块和逻辑电路，用鼠标点击界面下方的元器件图标即可学习每个相应元器件的原理知识、引脚介绍和使用说明，为后续的实验内容打下基础。

步骤3：选择实验课程

在上一界面点击“实验选择”按键，退回至实验室界面，在黑板上选择接下来要进行的实验题目，选中后呈黄色，点击进入实验按键即可进入该实验课程。（以下实验步骤以实验二：动态LED灯为例）

步骤4：进行所选择的基础实验（以实验二：动态LED灯为例）

进入实验界面后，可分别点击“背景知识”、“实验目标”、“原理学习”按钮，从这些不同方面学习实验所需的相关知识、明确实验的目的，左侧为元器件连接的三维示意图，用户可以任意旋转放缩，使电路知识更为直观的体现；原理学习界面分为了硬件知识和编程知识两部分，可分别学习电路连接知识和本实验所涉及到的图形化编程知识。同时，同学们分组讨论，集思广益，讨论本节实验的STEAM思想，即将艺术、科学、技术、工程和数学相结合，鼓励学生进行探索、实验和创新，以培养他们的逻辑思维技能。

在实验二：动态LED灯的基础上，结合STEAM教育方法，可以采取以下思路：

（1）引导学生提出问题：

在实验开始前，引导学生思考关于LED灯和闪烁效果的问题，例如：“为什么LED会闪烁？”，“如何控制LED的亮灭？”，“如何调整闪烁的速度？”等等。鼓励学生主动提出问题并激发他们的好奇心。

（2）探索电子元件：

在实验开始时，提供关于LED、Arduino开发板和电路连接的背景知识。通过展示LED的实物、演示元件的连接方法以及介绍相关术语，帮助学生建立起对电子元件的基本认识。

（3）学习编程概念：

在实验过程中，不仅仅局限于让学生复制和上传代码，还可以解释代码的基本结构和功能。介绍语句的作用，并讨论实验中涉及到相关的编程概念的含义。

（4）拓展实验：

按照设置的不同实验任务鼓励学生进行拓展和创新。例如，可以尝试修改代码，使LED按照不同的模式闪烁，或者添加更多的LED以创造更复杂的效果。这样的拓展可以激发学生的创造力，并培养他们的问题解决能力和实验设计能力。

通过以上思路，学生可以在实验中不仅仅学习到LED的控制和编程，还可以培养他们的探索精神、创新思维和团队合作能力。

步骤5：器材选择

点击“器材选择”按键，再次进入开源硬件库界面，根据在上一界面中学习的相关原理知识，用鼠标选择所需元器件，如果选择错误会有相关提示重新选择。

步骤6：实验操作

    器材选择无误后，点击“开始实验”按钮，进入实验操作界面，点击查看任务书，明确实验的任务分析，查看电路连接和图形化编程的示例图，学习详细的相关操作。

步骤7：搭建硬件电路

明确实验任务后，用户可根据任务分析中的电路连接图在实验台位上进行硬件电路的搭建，用鼠标拖动连接线，选择引脚将元器件与主控板进行连接（注意此处连接的引脚与下一步程序中定义的引脚应一致），点击左侧书状图标可再次唤出任务书来确认硬件电路是否搭建无误。

步骤8：编写图形化程序

硬件电路搭建完毕后点击右侧闪光的电脑，进入图形化编程界面。

根据导航来认识界面中的各部分功能区：

基础语句包括控制、运算符、变量和函数，一些应用于专门元器件的特殊语句需要点击拓展按钮来引入。

点击“拓展”按钮，选择主控板：Ardunio Uno（如果其他实验中需要用到传感器、显示器等模块，也要从拓展中引入该元件的调用语句）。

    选择后点击完成，进行本实验任务的编程。（在引脚定义语句中，引脚应与连接硬件时的引脚一致，否则会影响实验结果的呈现）。

程序编写完成，检查无误后，点击“上传到设备”按钮，将程序烧录进主控板。

步骤9：查看实验结果

程序底部出现绿色阴影便表示程序下载成功，点击“返回场景”按钮，观察实验现象。

观察到红色LED灯每隔一秒亮灭一次，实验现象与实验目标一致，该实验任务成功，如果实验中有多个实验任务，即可开始下一实验任务。

步骤10：填写实验结论

完成所有实验任务后，点击界面左侧的“实验结论”，根据实验过程来填写遇到的问题、解决的方法、运用到的STEAM理念和方法，在实验结论中总结实验中运用的STEAM理念和方法有助于强调学生的综合性学习、创造性思维、问题解决能力和团队合作能力。这样的总结能够突出实验的综合性特点，并有效地展示学生在实验中的成长和学习。填写完毕后点击提交。

步骤11：客观题考核与实验报告

点击界面左侧的“在线测验”按钮，可进入题目考核环节。在本环节中，可完成相应的题目，类型有单选题和多选题。完成后点击“提交”按钮可看到答题情况。

点击界面左侧的“实验报告”按钮，根据实验过程来书写整个实验的实验报告，完成后点击提交。

步骤12：实验成绩

在完成实验的所有流程后，点击“实验成绩”按钮查看自己本节实验课的得分情况，点击右下角结束实验按钮便可退出本次实验，等待进行下一次实验题目的选择。