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中學創(chuàng)客實驗室建設方案

?創(chuàng)客教育課程作為一種新形態(tài)的課程，目前還缺少成熟的設計理論和開發(fā)過程模型。本文基于對創(chuàng)客教育的認識以及相關課程的開發(fā)經(jīng)驗，提出了創(chuàng)客教育課程的通用設計框架。該框架共包括三層，分別是指導理論層、關鍵要素層以及學習過程層。 ??? 其中，指導理論層包括體驗式學習和建造主義兩大核心理論，兩者均是課程要素設計以及學習過程設計的“基點”。其設計重心應體現(xiàn)在二方面： ??? 1.創(chuàng)客教育課程要素設計 ??? 創(chuàng)客教育課程是由一系列要素組成的完整課程。其中，學習內容、活動項目、研創(chuàng)環(huán)境、網(wǎng)絡資源、展示平臺以及課程評價是創(chuàng)客教育課程不可或缺的關鍵要素。 ??? （1）學習內容：內容是課程的核心，不管是知識型課程還是活動型課程，都要承載一定的知識內容，只是表現(xiàn)形式不同。內容同樣是創(chuàng)客教育課程設計應當關注的第一要素。課程設計者與授課教師團隊需要在分析相關課程大綱的基礎上，精心、合理選編多學科知識，構成較為系統(tǒng)的課程內容體系。創(chuàng)客教育課程的內容設計絕不是脫離課程大綱，而是以一種新的形式進行學科知識交叉重組，其最終目的是要推進新課程改革。 ??? （2）活動項目：創(chuàng)客教育課程的組織與實施以“項目”為基本單元，將苦澀的、機械化的材料轉變?yōu)橛谢顒印⒂幸饬x的項目問題，可以拉近學習者與生活的距離。]課程設計者需要圍繞課程內容設計若干貼近生活、趣味化的研究項目，每個項目中再設計一系列活動，有序引導、支持學生開展全程浸入式的項目學習。項目設計的出發(fā)點不是“知識”而是“問題”，項目學習的過程便是解決問題的過程。 ??? （3）授課教師：創(chuàng)客教育課程的授課教師往往不是一個人，而是一個團隊，既有技術老師的參與，也有學科教師的參與，還可能有教育管理者以及校外專家的參與。授課教師既要參與課程的設計，又是課程的組織者和實施者。考慮到教學實際，創(chuàng)客教育課程教師團隊的組成建議采用“1名主持教師+幾名核心教師+多名外圍教師”的模式。主持教師負責統(tǒng)籌和團隊管理，核心教師全程參與學生指導，外圍教師可根據(jù)學生項目開展的需要靈活適時邀請。授課教師主要承擔“教練”和“項目導師”的角色，絕不“越俎代庖”，要為學生提供必要的架手架支持和及時的指導反饋。 ??? （4）研創(chuàng)環(huán)境：創(chuàng)客教育課程具有研創(chuàng)性，鼓勵學生像科學家一樣開展研究和創(chuàng)造活動。創(chuàng)客教育課程的開展需要研創(chuàng)環(huán)境的支撐，如，各種創(chuàng)客空間、探究實驗室、互動型教室等。研創(chuàng)環(huán)境的設計需要遵循人機工程學基本原則，給學習者提供舒適、自由、開放的創(chuàng)作空間；要能夠方便的接入互聯(lián)網(wǎng)，支持學習者通過網(wǎng)絡檢索資料、連接社群、在線研討、展示分享等；要根據(jù)需要提供必備的硬件、軟件、材料等資源，支持學習者通過動手操作將創(chuàng)意變成現(xiàn)實。 ??? （5）網(wǎng)絡資源：立體化的網(wǎng)絡學習資源可以有效促進創(chuàng)客教育課程的順利開展，為學生進行隨時隨地學習、研究和創(chuàng)造活動提供重要支撐。網(wǎng)絡資源的制作應盡可能豐富多樣，以滿足學習者的不同學習需求。一般來說，創(chuàng)客教育課程所用的網(wǎng)絡資源包括教材、教/學案、使用指南、微視頻、操作軟件、優(yōu)秀課程作品等。為低年級學生開設的創(chuàng)客教育課程，建議將網(wǎng)絡資源的使用時機和方式明確寫入項目的實施活動中。此外，還應鼓勵學生在項目實踐過程中自主生成個性化的創(chuàng)客教育課程資源，久而久之，將形成持續(xù)擴展并進化的創(chuàng)客教育課程資源庫。 ??? （6）展示平臺：創(chuàng)客教育非常注重成果的分享交流，分享的渠道可以是創(chuàng)客社區(qū)，也可以是小型的創(chuàng)客嘉年華，或者是課堂上的作品展示。數(shù)字土著具有強烈的自我展現(xiàn)欲望，他們需要多渠道的展示平臺向家長、老師、同學以及社會公開自己的創(chuàng)意作品。通過作品展示分享，學習者一方面可以獲得自我成就感和認同感，從而激發(fā)再創(chuàng)造的熱情；另一方面還可以獲得來自大眾用戶的反饋與建議，不斷優(yōu)化作品，甚至可能實現(xiàn)作品的產(chǎn)業(yè)化。 ??? （7）課程評價：如何評價學生的學習效果是創(chuàng)客教育課程設計的重點和難點。不同于傳統(tǒng)課程的紙筆測驗，創(chuàng)客教育課程更加注重學習產(chǎn)出的物化成果，倡導結果與過程相結合、老師與學生協(xié)同參與的評價模式。一方面，需要制定完備的、易操作的評價指標對學生的創(chuàng)意作品進行評量；另一方面，需要注重學習過程數(shù)據(jù)采集和階段性成果的搜集，以客觀評價學生的課程參與以及進步情況。創(chuàng)客教育課程不適合采用標準化評價，應考慮到不同學習者的知識基礎和興趣偏好，建議多采用增量式評價，以促進每位學習者的快樂成長。 ??? 2.學習過程設計 ??? 創(chuàng)客教育課程的學習過程可以概括為“一條主線，兩種形式”。所謂一條主線，即課程以項目活動為主脈絡有序推進；而兩種形式，是指采用線上與線下相結合的混合式學習方式。 ??? 創(chuàng)客教育課程開展的主線是一系列研究項目，課程設計者將學習內容劃分為一個個既相互關聯(lián)又適度松散的研究項目，學習者以小組形式開展基于項目的學習。每個項目圍繞一個核心問題展開，設計一系列學習活動（如，觀看演示、知識學習、練習模擬、資料檢索、方案設計、原型制作、同伴互評等），幫助學生步步為營、尋求破解問題之道。學習活動的數(shù)量和類型視項目難度和學習者基礎水平而定，活動的設計要遵循“探究、構造、體驗”的基本思想以及梅瑞爾的“首要教學原理”，避免空洞的說教和無目的的探究。為了綜合檢驗課程學習效果，每門創(chuàng)客教育課程都提供一個綜合性研究項目，讓學生協(xié)同設計創(chuàng)意解決方案，利用各種資源制作出最終的綜合課程作品。 ??? 創(chuàng)客教育課程采用混合式的學習模式，通過將線上線下活動以及線上線下資源有機整合，為學習者創(chuàng)設一體化的研創(chuàng)環(huán)境。線上活動以自學、交流、展示、分享為主，線下活動以考察、操作、咨詢、面授為主。學生利用在線社區(qū)或網(wǎng)絡學習平臺自主觀看教師錄制的微視頻，與同伴在線討論項目問題，自主分享項目開展過程中搜集的相關材料，同時，將項目作品發(fā)布到創(chuàng)客社區(qū)等展示平臺。學生還可以利用在線平臺開展項目管理（如，分配任務、監(jiān)督進展、制定計劃等），教師利用平臺實時掌握每個小組的項目進展，并及時給予反饋指導。教師還可以根據(jù)項目學習需求，進行集中面授指導，也可以每周提供固定的指導時間，有需要的小組可以當面請教老師。遇到一些專業(yè)性很強的問題或者項目開展遇到瓶頸時，可以通過教師聯(lián)系相關的學科專家，進行當面咨詢。學生還可以在教師的幫助下，到相關企業(yè)、科研機構、社會場所等進行實地考察，搜集資料，激發(fā)靈感。創(chuàng)客空間、探究實驗室、互動型教室等是創(chuàng)客教育課程開展的主陣地，學生可以充分利用這些空間提供的軟硬件資源以及專業(yè)指導力量，動手制作“獨一無二”的創(chuàng)意作品。創(chuàng)客空間需要配備的基本儀器設備 ??? 在創(chuàng)客空間中，學生必須學會的技能有三類：功能實現(xiàn)類，模型制作以及加工工具，這三項技能是學生通往創(chuàng)客之路上必須先掌握的基本技能。創(chuàng)客空間建設的內容包括手工與機械制作，引導參與者自己動手參與創(chuàng)新創(chuàng)作的過程；機器人組裝與控制，針對學生的機器人制作和編程控制，由興趣引導科技創(chuàng)新，啟發(fā)參與者靈活運用力學、結構、材料、電子、軟件、藝術等知識；3D建模與制作，充分發(fā)揮創(chuàng)造者的空間想象能力，實現(xiàn)邏輯思維訓練和實踐操作訓練；開源軟硬件，創(chuàng)作者通過對嵌入式開發(fā)、電子電路、運動學和工程理論等知識的理解和運用，踐行知行合一；多元溝通，通過創(chuàng)客空間的制作坊，分享會等活動，提高公開演講、集體項目合作、溝通以及辯論的能力。序號?產(chǎn)品名稱?規(guī)格,探究課題?單位?數(shù)量 ??一、基礎設備?? 1?設計工作臺?規(guī)格1400×1200×780mm，鋼木結構。?個?10 2?學生凳?鋼塑結構。?個?48 3?存列柜?1200×500×2000，板木結構。?個?2 4?計算機?臺式機電腦? 內存容量: 4GB? 內存類型: DDR3?? 硬盤容量: 500GB 硬盤接口: SATA3? 硬盤轉速: 7200轉? 顯卡接口: PCI-E 顯卡類型: 獨立顯卡? 顯卡型號: 其他/other? 顯存容量: 2GB 屏幕尺寸: 23英寸? 顯示器類型: 平板顯示器光驅類型: DVD-RW 聲卡類型: 5.1? 操作系統(tǒng): Windows 7 Home Basic或以上?臺?10 ??二、3D造型設計?? 1?3d打印機?規(guī)格：打印精度: 0.011mm? 成型方法: 熔融沉積成型? 打印尺寸: 300×200×200mm? 噴嘴直徑: 0.4mm?? 層厚: 0.1-0.4mm?? 噴頭流速: 30cc/h，定位精度: 0.011mm?? 加熱板溫度: 50? 噴頭溫度: 220 運動速度: 0-150，實際功率: 300W? 輸入電壓: 110~220 產(chǎn)品外型尺寸: 430×505×380mm，產(chǎn)品重量: 12KG?臺?10 2?PLA耗材?材料直徑：1.75mm?卷?20 ??三、智能模型創(chuàng)意設計與搭建?? 1?數(shù)字住宅智能家居模型搭建 ?制模塊功能：通過手機app進行智能家居的藍牙控制；控制對象：智能電視模型，窗戶，排氣扇等能進行模擬互動操作。展示內容：展示服務機器人模型與智能家居模型，主要構成部分有客廳、廚房、臥室中高新科技的應用。游客可以通過APP控制系統(tǒng)對家庭里燈、電視、空調、門磁安防警報、窗簾、可燃氣體檢測、排風扇等設備進行遠程控制，體驗智能家居生活。操作方式：觀眾通過手機對電燈、電視等進行遠程控制，體驗服務機器人與智能家居生活。?套?1 2?棚室溫度控制模型?該模型可以模擬棚室控制工作原理，模型裝有溫度傳感器，采集模型內溫度，在一定范圍內，模型會做模擬開窗散熱、關窗保溫動作。?套?10 ??四、電子創(chuàng)意模型設計與搭建?? 1?Mbot Ranger?1、工作電壓：9v~12v??????????????????? 2、控制方式：藍牙手機控制 3、編程方式：兼容Arduino編程和mBlock圖形化編程?? 4、模型種類：a)四輪履帶車? b)三輪車 c) 自平衡鳥 5、特點：可以在各個復雜的環(huán)境運行 6、材料：主要結構件材料使用高強度2mm航空鋁板沖壓成型，結合CNC精密加工，結構堅固，配合緊密；耐高溫度達到500攝氏度。抗拉強度大于250MPa；耐力大于172MPa；延伸率小余1.7%；硬度大于70HB；?套?10 2?mBot 1.1?1、工作電壓：3.7v~6v??????????????????? 2、控制方式：紅外控制和2.4G控制 3、編程方式：兼容Arduino編程和mBlock圖形化編程?? 4、教程：配有教材書一本和入門視頻教程 5、充電方式：電腦USB可充電，2~3個小時可以充電完畢 6、鋰電池電量：1800mAh 7、可以結合各個擴展包進行擴展?套?10 3?音樂套件?1、可用3種不同方式來操作該音樂機器人。a)通過手勢控制（使用超音速模塊檢測位置）b)可以播放預先設定好的樂曲（或編程播放）c)通過PC軟件控制 2、材料：主要結構件材料使用高強度2mm航空鋁板沖壓成型，結合CNC精密加工，結構堅固，配合緊密；耐高溫度達到500攝氏度。抗拉強度大于250MPa；耐力大于172MPa；延伸率小余1.7%；硬度大于70HB； 3、電子模塊：使用國標RJ25通信接口進行通訊，在行業(yè)中，驅動模塊體積小，驅動能力大，穩(wěn)定性強 4、編程平臺：基于Arduino開源平臺開發(fā)，★兼容mBlock(Scratch)軟件，兼容Arduino IDE軟件?套?10 4?創(chuàng)客空間套裝（高級版）?組成：雙孔梁結構件（6件）單孔梁結構件（6件）連接件（6件）基本傳動部件（7件）軸類傳動部件（7件）電子模塊（ 6件）電機模塊（7件）運動部件（5件）高級傳動部件（6件）大型零件擴展包（6件）五金（6件）參數(shù)性能: 1、精密金屬結構件（投標公司須提供符合該技術參數(shù)的演示產(chǎn)品，否則視為無效投標人）（1）材質：使用高強度鋁型材材料，結合CNC精密加工，結構堅固，配合緊密；（2）兼容性：兼容大量工業(yè)標準件，完美實現(xiàn)工業(yè)應用場景；（3）連接方式：螺紋槽設計須讓連接多樣化，在不需要螺母的情況下也可以實現(xiàn)固定和連接。 2、電子模塊（投標公司須提供符合該技術參數(shù)的演示產(chǎn)品，否則視為無效投標人）（1）通訊接口：主控制板與配套電子模塊須使用國標RJ25通信接口進行通訊；（2）電子模塊：包含各類傳感器和驅動器模塊，演示的傳感器至少包含以下模塊中的兩種：超聲測距、光線和灰度、人體紅外、音量、溫度、電機驅動、電機模塊、藍牙模塊、紅外接收模塊、彩色LED模塊、數(shù)碼管模塊、舵機、限位器等；（3）主控制板：兼容Arduino開源硬件開發(fā)平臺，可使用Arduino IDE軟件進行編程，兼容mBlock(Scratch)圖形化編程軟件，配套封裝庫。（4）兼容性：動力部分，兼容大量市面上常見的直流電機，舵機，步進電機，在動力裝置方面選擇范圍廣 3、電子模塊編程平臺：支持Arduino IDE、mBlock(Scratch)、ArduBlock等圖形化編程環(huán)境。?套?10 5?電路搭建盒?31個組件，可以建構串聯(lián)、關聯(lián)、導電性、摩斯密碼等7種實驗模型。?盒?10 6?液壓機械創(chuàng)意實驗箱?提供330個電子控制搭建部件，搭建液壓挖土機，液壓機械手，液壓起重機，液壓推土機等5種機械。?套?10 8?自動導航車?規(guī)格：210個組件，模型制作完成后,自動導航系統(tǒng)將根據(jù)即時的交通狀況調整路徑;使用最新的藍牙搖控技術，搭配iPad或iPhone做為智能控制中心，只要簡單的動動手指，就能使車朝任意方向前進.?套?10 9?常見電子元件應用試驗套件?該套件提供一套電子控制搭建平臺，通過搭建電子電路，了解晶體管三極管、二極管，電阻、電容、電位器、發(fā)光二極管、直流繼電器/電磁繼電器、磁敏傳感器、溫度計、晶閘管、邏輯門芯片、555芯片、小型集成芯片等常用電子元器件的使用方法。?套?10 10?常見電子電路應用試驗套件?該套件提供一套電子控制搭建平臺，結合套件中提供的電子元器件，可以搭建出三極管開關、放大、電平轉換，恒溫控制，繼電器控制，智力搶答，三人表決，單穩(wěn)延時，光敏報警，可控硅控制等常見電子電路，并了解這些電路的應用。?套?10 11?太陽能實驗套件? 194件，可組裝成17種模型：太陽能風帆車、水陸兩用船、賽車、摩托車、重型機車、壓路機、水泥攪拌車、油罐車、挖土機、街道清掃車、工程車、直升機、起重機、電梯、纜車、鏟車、大卡車。?套?10 12?技術與設計1試驗套件?通過該套件可搭建出一些模型，在搭建過程中讓學生了解什么是設計，設計有哪些特點，在套件提供的零件器材基礎上搭建一些結構模型，在設計搭建的過程中了解設計的基本原則，對設計進行實踐，并了解設計怎樣進行優(yōu)化。?套?10 13?懸崖避障模型?該模型在動作的過程中，能避開前方障礙物或懸空的地方，有智能識別功能。?套?10 14?循軌跡模型?該模型在動作過程中，能沿著設定的路線前進，在前進方向偏離時，能自動更改方向。?套?10 15?力的轉化演示器?規(guī)格：126件，將水的壓力轉化為動力能源，帶動挖斗來模擬挖土機工作的全過程。?套?10 16?結構蠕動模型?該模型利用主板控制與結構傳動實現(xiàn)蠕動動作。?套?10 17?結構步行模型?該模型利用結構傳動實現(xiàn)步行動作，在步行過程中能播放音樂。?套?10 18?控制牽引模型?該模型可以在光束的控制下實現(xiàn)前進、左轉、右轉動作。?套?10 19?前后聯(lián)動模型?該模型利用結構傳動實現(xiàn)前后聯(lián)動動作，在動作過程中可以識別障礙物。?套?10 20?遙控模型?該模型可以利用一個小的遙控模塊控制該模型的動作。?套?10 21?簡易分揀機模型?該模型可以識別黑白兩種顏色的物體，對物體進行快速的分揀。?套?10 22?交通燈模型?該模型可以模擬實體交通燈，可以對交通燈進行預設，設置交通燈控制模式，交通燈點亮延長時間。?套?10 23?氣動系統(tǒng)控制模型?該模型可以模擬氣壓傳動裝置，整套模型中有氣壓泵、儲壓罐、減壓閥、換向閥、氣缸等部件組成，通過了解各部件的原理，就可以了解氣動的基本原理。?套?10 24?奇妙的無線電實驗箱?規(guī)格：400×200×100，鋁合金箱包裝。探究問題：1、什么是電磁波，無線電，調制，解調。 2、電磁波產(chǎn)生，發(fā)射，接收的過程。 3、無線發(fā)射接收模塊的使用。 ?套?10 25?激光傳聲與光纖通訊實驗箱實驗箱?規(guī)格：400×200×100，鋁合金箱包裝。探究問題：1、激光傳聲原理，光電轉換過程。2、了解光纖通訊的特點。 3、了解警報喇叭的制作，工作原理。?套?10 26?無線電臺?規(guī)格：無線電臺，發(fā)射裝置：可以發(fā)射歌曲等，接收裝置：可接收發(fā)射裝置發(fā)射的歌曲等，收發(fā)射有效范圍：10米?套?10 27?傳感器應用實驗箱?包含光敏傳感器、熱敏傳感器、聲敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、力敏傳感器、位移傳感器、條形磁鐵等。認識溫度傳感器、光傳感器、聲傳感器、磁傳感器、力傳感器和濕度傳感器等傳感器，可開展傳感器功能演示電路實驗、萬用表測多種傳感器、溫控燈實驗、聲控燈實驗、磁控燈實驗等。?套?10 28?數(shù)字電路實驗箱 ?包含D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、編碼器、發(fā)光二極管、七段譯碼器、石英晶體、數(shù)碼管、譯碼器、與非門、非門、四輸入與非門、與門、或門、整流二極管、光電二極管、TTL集成電路、COMS集成電路、EWB電子工作平臺等。認識數(shù)字電路和數(shù)字電路實驗器電子元器件，可開展高低電平檢測實驗、三極管管腳判別實驗、三極管開關電路實驗、三極管放大電路實驗、繼電器鎖存器實驗、開關電路模擬“與”邏輯實驗、開關電路模擬“或”邏輯實驗、開關電路模擬“非”邏輯實驗、車門報警電路實驗、簡易密碼鎖電路實驗、與門電路實驗、或門電路實驗、三人表決器實驗、單穩(wěn)延時電路實驗、定時電路實驗、單鍵雙穩(wěn)開關實驗、定時電路實驗、密碼電路實驗和可變調電子門鈴實驗?套?10 29?電磁繼電器?包含直流繼電器、交流繼電器、干黃繼電器、延時繼電器、直流接觸器、交流接觸器、保險絲、熱繼電器、微型直流電機等。認識電磁繼電器和電磁繼電器實驗器電子元器件，可開展電磁繼電器功能演示實驗、電磁繼電器控制電路實驗、單向可控硅特性實驗、雙向可控硅管腳判別實驗、晶閘管控制電路實驗和調光臺燈實驗。?套?10 30?電子控制系統(tǒng)?包含直流繼電器、交流繼電器、干黃繼電器、延時繼電器、直流接觸器、交流接觸器、保險絲、熱繼電器、微型直流電機、磁彈簧、單晶晶體管、電感、光敏二極管、熱敏二極管、微型直流電機、穩(wěn)壓管、線圈、音樂集成、音頻變壓器、運放集成等。 ?套?10 31?奔跑吧，火柴人?多媒體觸摸屏：32寸多點觸控顯示器；10個分解的人物跑步動作，拖到動畫框中組成跑步過程，系統(tǒng)處理后播放，如果先后順序擺錯，跑步動畫會顯得奇怪和滑稽。?套?1 32?機械組合?傳動方式組成：蝸輪蝸桿傳動，齒輪齒條傳動，鏈傳動。展示內容：本展項通過三組傳動模型的操作演示，用簡單的原理向觀眾展現(xiàn)機械運動中常見的傳動原理，培養(yǎng)勤于動手、樂于發(fā)現(xiàn)科學奧秘的習慣。操作方式：轉動手輪，觀察和感受不同的機械運動機構。?套?10 ? 南京師范大學課程資源研究所郵政編碼： 210097 地　　址：南京市寧海路122號南京師范大學信息技術樓公司電話： 025-83204284 83302681 83301983 公司傳真： 025-83302681轉8028 手　　機：13405879778 聯(lián) 系人：王克芳網(wǎng)　　址：http://www.kczyyjs.com 電子郵件：wangkefang@163.com QQ號碼：306824063

南京師范大學課程資源研究所 2021-08-23

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