创客教育探索与实践
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作者:马良 杨芳
创客教育就是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题的能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育，其包括几个核心要素：倡导以数字化工具作为创客教育基础;鼓励动手实践，发现问题、探索问题并解决问题;项目制学习方式，将作品或产品作为产出。3D打印、开源硬件、传感器、编程都是比较常见的创客教育工具和形式，借助创客工具实施创客教育，可以更好地培养创客人才。因此，笔者以实践性为原则，考虑到高中学生的特点以及项目的可操作性，以智能垃圾桶项目为载体开展了创客教育探索与实践。
● 项目缘起
日常生活中大多数家庭使用的是传统垃圾桶，很多家庭选择价格低廉材料不可回收的简易垃圾桶，价格在10～80元之间，这种传统垃圾桶在使用过程中，存在不方便和不卫生的问题，而智能垃圾桶因其使用方便逐渐走入人们的视野。智能垃圾桶大多采用红外感应，以及自动开关盖的设计，价格在59～189元之间，因价格略高，性能还不够可靠等，很多家庭没有选择。我们设想基于学生的能力水平，以智能垃圾桶项目为载体开展创客教育实践，力图设计出功能更加可靠、价格更加亲民的智能垃圾桶，更重要的是借助这个项目培养学生的创造思维与解决问题的综合能力。
● 确定设计方案
笔者首先建议学生进行信息收集和分析，通过多家购物平台中的智能垃圾桶进行筛选、排序，将销量较大、用户好评较多的垃圾桶的结构、外形、技术、价格等进行汇总，然后组织学生进行了问卷调查和面对面的访谈，了解了垃圾桶在使用过程中存在的“痛点”（主要是开关盖的智能性和灵敏性），老年人因为身体原因使用起来需要更加人性化。问卷反馈显示：有较多的人对垃圾桶的外观也有较高的要求，特别是客厅使用的垃圾桶。在分析信息的基础上，学生进行了充分的讨论，结合已经接触和学习的Arduino智能硬件，明确了设计的方向：选择合适的传感器，借助智能硬件对传统垃圾桶进行改造。
构思方案的过程中产生的设计想法常常是模糊的，为了使其具体化，学生用草图把它们转化为视觉形象。当多个设计方案产生之后，笔者依据设计的一般原则（①实用性：是否能智能开关盖，该开时开，该关时关;②易用性：舒适而卫生地使用;③美观性：造型是否美观;④经济性：与现有产品相比是否具有市场潜力和经济效益）对方案进行筛选，最终确定两个方案：①卫生间用智能垃圾桶。窄身设计占用空间少，符合卫生间的特点，自动开关盖有效隔绝气味。根据多次场景模拟的结论发现，人们大多为坐着投放厕纸，因此，选用超声波测距传感器，在传感器正上方60cm内感应开盖，无触发信号后延时3000毫秒关闭盖子。②老年人用智能垃圾桶。老年人腿脚不方便，学生设计了不用任何触发的智能开关盖垃圾桶，依然选用超声波测距传感器，但将安装位置和角度做了调整，正面45度角朝向使用者。算法经过多次优化，解决了误触发问题，人们从旁边经过时不会触发开盖，真正做到了该开时打开，不该开时保持关闭状态。
● 原型制作
原型制作是个难点，学生之前的动手机会较少，欠缺经验，需要教师多一点指导。学生根据之前的信息收集汇总，选购了传统手动开关盖垃圾桶，以它为基础进行智能化改造。
①控制系统调试。将Arduino开发板与传感器进行硬件连接后，依据设计要求，设计合适的算法达到控制效果。
②整体布局。第一，垃圾桶的稳定性要着重考虑，电池组的安放位置会直接影响其重心位置，还要兼顾电池的防水要求;第二，自动开盖的实现方式决定了舵机的安放位置，需要注意的是要考虑其后期的维修和更换的方便性;第三，整体布局要注意尽量将电路板和电子器件以及线路保护起来，以免损坏。
③连杆机构设计。利用舵机开关盖子是结构设计的重点和难点，学生首先使用硬纸壳进行了多次模拟试验，确定其基本样态后借助3D打印机制作出了合适的连杆机构（如图1）。
④连接方式的选择。连接方式直接影响垃圾桶整体的强度和耐久性。学生采用了两种连接方法：一是热熔胶连接;二是螺丝连接。
⑤外观优化。通过外观优化提高智能垃圾桶的美观性并赋予其一定的文化内涵（如图2）。
● 测试、评价和优化
为确保设计方案可行，需要对产品进行测试和评价，依据评价的结果有针对性地进行优化，力求使其功能越来越完善。对智能垃圾桶这一实用型产品的评价，选择的首要指标是功能性，还要兼顾可靠性、美观性、经济性、人机适用性、可持续发展等指标。
为评价智能垃圾桶的功能性需要进行的简单技术测试有：稳定性测试、开关盖灵敏度及可靠性测试等。整个测试过程要模拟真实使用場景，进行垃圾桶空置、垃圾投放、满载垃圾等情境测试，准确记录试验数据，科学分析试验结果，为优化打好基础。垃圾桶的优化主要从三方面考虑：功能性的优化、美观性的优化、人机适用性的优化等。
● 编写作品说明书
技术作品说明书是设计者与使用者之间沟通的桥梁：一方面设计者能介绍产品的特点和使用方法;另一方面可以提醒使用者维护保养事项。在说明书中，要提醒使用者在使用智能垃圾桶这一设计作品时切勿在通电后手动开关盖，以免损坏舵机，同时还应注意观察提示灯以便及时充电。
在这次创客实践中，学生们使用了数字化工具（包括开源硬件Arduino、三维打印、计算机），培养了动手实践的能力，在发现问题、制订方案、制作原型中将自己的想法从方案变成实物，提升了创造思维与解决问题的综合能力。
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