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1、7 6 日 创 新 课程 、 小学 生如何攻克 “ 硕 士毕业设计 以S T E M课程 “ 雨水感应收衣装置”为例 STEM教 育 与 创 客 教 育 的 差 异 在 于 ，创 客 教 育 注 重 造 物 ，STEM 教 育 关 注 跨 学 科 知 识 融 合 解 决 问题 的 过程 中学生STEM 素养的提升 。从一线教学实 际看 ， 那些 能解 决 真 实生 活 环境 中 的实 际 问题 的 STEM教 学 案例 ，往 往更能 吸引学生 。这些造物 的项 目需要 多 种 学 科 知 识 、多 人 协 助 、甚 至 穿 越 物 理 空 间 去 寻 求 解 决 方 案 ，解 决 的 过 程
2、中 大 多 会 经 历 顺 逆 交 替 的 起 起 伏 伏 。笔 者 查 阅 了 一 些 硕 士 生 毕 业 设 计 的 案 例 ，用 于 小 学教 学 。下 面以“ 雨 水感应收 衣装置 ”为例 ，层层剥 茧 ，揭示小 学生解决硕士生毕业设计的路径和策略 。 - I- Y ,-# “ 雨 水 自动 感 应 晾 衣架 ” ，在 百度 学 术 中 可 以搜 索 到 多篇硕 士 学 术论 文 ，有 的甚 至 洋洋 洒洒 七 八 十 页 。 解 决 方 案 中 大 多 运 用 到 单 片机 、运 放 等 小 学 生 甚 至 中 学 生 都 无 法 厘 清 的 概 念 和 内 容 。如 何 让 这 个
3、 项 目 “ 落地 ”成 为小 学生“ 跳 ”一 下 能够 到 的 案 例 ，一直 是我脑 中萦绕 的问题 。Ar du i n o 开 源硬件与 众 多 传 感 器的 绝佳 组合 让这 个“ 落地 ”问题 迎 刀 而 解 。Ar d ui n o开源硬 件不 需要学生懂 得单 片机 、运放 的原理 ，只需大致 了解传感器 的种类用途 即可 。某硕 士 论文涉及 的电源 电路 、时钟 电路 、复位 电路 、按键 电 路 等 可 以一 概 忽 略 。当 然 ，每 个 问 题 的解 决 都 不 会 一帆风顺 ，期间曲曲折折在所难免 。 曲折之一 ：方案如何优化细化 课堂上 ，我事先作 了 “ 翻转
4、 ”设计 ，课 前抛 出问 题 让 学 生 百 度 各 种 解 决 方 案 ，包 括 淘 宝 上 的 成 品 自动 雨 水 感 应 晾 衣 架 ，然 后 在 课 堂 上 集 思 广 益 ，比 一 比谁 的方案能在 众多方案 里胜 出? 还是需要优 势组合?最 终学生们形成的设计预案如下 。 设 计 一 个雨 水感 应 自动 收衣 装 置 ，当雨 水 感应 器上 滴到雨 滴或者天 色明显变 暗时 ，启动机 械臂把衣 服 收进阳 台 。如果雨 水感应器 上的水滴被 晒干 ( 雨转 多云 )，光 线又足够 亮时 ，衣 服再次晒 出 。主人可 以 设 置 预 约 收 衣 时 间 。 并 且 对 是 否
5、 雨 后 重 新 晒 出 作 出预 设 。S4 A控制画面同步运行 。 口周 迎春 图 1 以上 要 求 进一 步 分 解后 具 体 要达 到 以 下控 制 ： (1)有雨或者光 线明显变暗时 ，收衣服 。 ( 2)当天 空放 晴、光线变亮 ，且 传感器上雨 水被晒干时 ，衣服 重新晒出 。 ( 3)主人可以预设收衣 时间。此时无论天 气如何 ，衣服强制收回 。 ( 4)主人可以手动收衣或者 定 时 收 衣 ，此 两 种 模 式 收 好 衣 服后 不再 晾 出 。 此环节 的产 品技术设 计思维训练得 到了充分 的体 现 ，学 生 要 针 对 在 自 己 周 围 每 天 都 要 发 生 的 问
6、题 模 拟 产品设计工程师进行设计及分解 。 曲折之二 ：机械传动如何设计 学 生 在 设 计 方 案 时碰 到 的 第 一 个 拦 路 虎 ，不 是 来 自电 子 线 路 ，而 是 机 械 传 动 部 分 。图 1 所 示 开 窗 器 按 供电模 =- X ； 分有2 4 V直流 、2 2 0 V交流两种 ，其中按开窗 器机械臂 行程长短 又有 1 0 0mm U 1 5 0 0mm等不 同种 类 。本例所 有2 4 V直流 电 ，当正接 时机 械臂伸 出 ，反 之 缩 回 。 图2 看 似简单 的机 械结 构 ，是社 团学生 沟通 、争 论 了 很 久 才 有 的 结 果 。 首 先 ，淘
7、 宝 上 Y , F F 窗 器 的 介 绍 寥寥数字 ，很多具体 问题 需要直接跟 淘宝店主沟 通 。 比如 ，产 品大 都与 配 套 的升 降 (或 开合 )控 制 盒 一 起 销 售 ，能 否 拆 分 购 买 等 具 体 问 题 ；没 有 控 制 盒 Ar du i n o又如 何 担 当起 智 能 控 制 的 重 任 ? 曲折之三 ：S4A控制 的画面如何同步变化 下 载 3DMAX阳 台 模 型( 可 直 接 使 用 软 件 包 中模 型 )、衣 架 模 型 后 ，利 用 标 准 基 本 休 构 建 衣 架 及 开 窗 器机械臂模型 。由于MAX模型中的元素较多 ，建议按 图 3 所
8、 示 对 衣 架 进 行“ 成 组 ” 操作 。 按 F1 0 对 衣 架 运 动 中 的 几 个 关 键 帧 分 别 渲 染 ，注 意 本 例 下 载 的 模 型 须 安 装 VRAY插 件 ，并 在 公 用 一 指 定 渲 染 器 中 选 择 VRAY渲 染 器 。 曲 折 之 四 ：如 何 实 现 开窗 器机 械 手 的伸 缩 当 了 解 到 2 4V直 流 电 机 正 负 极 倒 置 后 伸 缩 方 向 即 相 反 后 ，有 学 生 搜 索 关 键 词“ 直 流 电机 正 反 转继 电 器 ” 绘 制 出 图 4 所 示 控 制 线 路 。经 反 复推 演各 种 可 能 ， 均 不 会
9、 造 成 短 路 事 故 。 曲 折 之 五 ：开 窗 机 的 电机 本 身 没 有 到 位 后 自 动 停 止 功 能 ，如 果开窗或 者贯穿机械 臂到位后 继续加 电 ，将对 电 机 造 成 伤 害 ，此 问 题如 何 破解 有 学 生 称 可 以 设 置 时 I 司， 但 是 马 上 又 有 学 生 质 疑 ， 当 挂 的 衣 服 重 量 不 同 时 ，造 成 的 阻 力 不 同 ，时 间 不 是 一 个 定 量 。后 来 有 学 生 询 问淘 宝 商 家 后 找 到 了 解 决 办 法 ，如 图 5 在 数 字 口 2、3分 别 安 装 两 个 磁 感 应 开 关 ，相 关的动臂 上安
10、装 永磁铁 。当检测到机 械臂运作 到位后 ，立即停止供电。 曲折之六 ：脚本如何设计 晒衣 部分脚本 ：当绿旗 被点击 时 ，当系 统检测到 接 在 模 拟 口0的 光线 传 感 器 数 值 大 于 8 0 0，光 线 充足 ， 并 且 接 在 模 拟 口 5的 雨 水 传 感 器 上 无 水 滴 ，数 值 小 于 5 0，则 广 播 晒 衣 服 。 收 衣 部 分 脚 本 ：分 三 个 条 件 语 句 ，第 一 是 检 测 光 线 数 值 小 于 1 5 0 J J 收 衣 。第 二 是 检 测 雨 水 传 感 器 数 值 大 于 1 0 0 J J 收 衣 。第 三 是 按 钮 传 感
11、器 大 于 1 0 0 0即接 通 状 态 则 自动 收 衣 。 预 约 收 衣 部 分 脚 本 ：当 绿 旗 被 点 击 时 ，先 询 问 预 约多 少小时后收衣 ，然后将 输入值赋予变量t ，计 时器 归零 。计 时器单位 为秒 ，因此变量 t须乘3 6 0 0。当计 时器 数 值 大 于 预 设 时间 ，广 播 收 衣 服 。 创新课程 日 图 2 图 5 图4 图 5 IN w w i t e d u 。 o r g c r t 7 7 78 日 创 新 课 程 曲折 之七 ：学 生开始编制 脚本 时发 现继电器 反复被触 发 。 “ 哒哒 ”声不断 ，这 对继 电器 及控制终端 都不
12、是 好 事 。如 何 解 决 图 6 为了防止继 电器反 复被触 发 ，损伤 电机及其 他器 件 ，分 别 设 置 变 量 k、m ，当 条 件 已 符 合 时 分 别 设 定 为 1。然 后将相 关变量 不等于 1，即等 于 1 不 成立 ，作 为条件语 句的必备条件 之一 。 当晒 衣触发 时 ，变 量K为 1，当收衣触发时变量 M 为 1 。如果系统对两个事件依次触发一遍 。如果不 对相 关变 量清零 ，则 造成 太阳 出来后 或者下雨 了系统不再 有 响应 。所以要对 K赋值 1 的 同时 ，要对M清零 。反之 也 一 样 。 由于手动 收衣及定时收衣 要求之后 即使 符合晒衣 条 件
13、 B ,l t b_ , 不 再 触 发 ，所 以 不 再 对 M清 零 操 作 。 为 保 险 起 见 ，建 议 在 Y ,- J - K赋 值 1 的 同 时 ，添 加 给 变 量 M赋 值 1 的语 句 。 美 国 机 器人 协 会 给机 器 人下 的 定 义是 ：一种 可 以重 新设 定 程序 、多功 能 的机 械手 ，经 由事 先设 计 好 的 各种 可 变动 作 ，搬 运 材料 、零件 、工具 或 其他 特 殊 装置 ，以执 行 不 同的 工作 任 务 。机 器人 在 面对 变 化 与 不 确 定 的 工 作 环 境 与 程 序 时 ， 具 有 一 定 的 判 断 能 力 。 从
14、这 个 机 器 人 的 定 义 上 看 ， “ 雨 水 感 应 收 衣 装 置 ” 也 可 以 视 为 一 个 机 器 人 项 目 。 学 生 在 这 个 项 目的学 习 过程 中 遇到 的 问题 事 实上 远 不止 以上 所 列 ，但 是 在教 学 一 线将 会 感受 到学 生 的潜 力 远超 你 的想 象 ：没 有短 接 线 ，学 生将 废 旧 网络 线“ 开 膛破 肚 ” ，开 窗 器 没 有 电 源 ，学 生 搬 来 家 里 的 锂 电 池 ， 机 械 手 没 人 愿 意 接 手 加 工 ，学 生 找 到 亲 戚 帮 忙 。 有 的 学 生 在 家 里 是“ 专 业 ” 负 责 淘 宝
15、 的 ， 因 此 跟 店 家 的“ 旺 旺 ” 交 流 使 问 题“ 豁 然 开 朗 ” ， 比 如 ，磁 感 应 装置 就 是 学生 从“ 店 小 二 ”那 里问 来 的 。当然 ， 在“ 工 作 坊 ” 教 学 模 式 下 ，教 师 必 要 的 协 助 与 引 导 ，也 会如及 时雨般 解决 问题 。 有 效 的 STEM 教 育 课 程 能 通 过 跨 界 整 合 ， 为 学 生提 供 与生 活 实 际零 距离 且 富有 现 实意 义 的学 习 情 境 ，以 利于 学生 高 阶 思维 的 培养 与积 极 情 感的 投 入 。 受 学 生 欢 迎 的 STEM 实 验 课 程 往 往 让
16、学 生 通 过参 加 基于 问题 、项 目和 活 动 的学 习 ，来 体验 开 源 合作 分 享 的创 客精 神 ，激 发 学生 好 奇心 及 参与 积 极 性 ，从 而能 有 效地 促 进知 识 内化 迁 移 ，培 养和 提 升 学生 创 新思 维能 力 。在类 似“ 雨 水 感应 收 衣装 置 ” 这 种 复 杂 问 题 的 解 决 过 程 中 ， 学 生 体 验 了 发 明 创 造 或 者“ 造 物 ” 的 全 过 程 ，期 间 要 了 解 机 械 传 动 的 知 识 、Ar d ui n o各传感 器的功能 用途 、继 电器的 内部 构 造 、3DMAX动 画生成 的办法等 。在学生社 团开展 此 项 目 学 习 时 ， 每 个 组 会 对 较 为 复 杂 的 项 目 有 一 些 分 解 ，针 对其 中 的几 个 难题 ，分别 根据 自 己的专 长 认 领 。有 时他 们会 为 找 到了 解 决之 道而 欣 喜 ，有 时 也 会
