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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網，支持學習者通過網絡檢索資料、連接社群、在線研討、展示分享等；要根據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)意變成現實。 ??? （5）網絡資源：立體化的網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。數字土著具有強烈的自我展現欲望，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，甚至可能實現作品的產業(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出的物化成果，倡導結果與過程相結合、老師與學生協同參與的評價模式。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據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?產品名稱?規(guī)格,探究課題?單位?數量 ??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 產品外型尺寸: 430×505×380mm，產品重量: 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）參數性能: 1、精密金屬結構件（投標公司須提供符合該技術參數的演示產品，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固定和連接。 2、電子模塊（投標公司須提供符合該技術參數的演示產品，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、關聯、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蠕動動作。?套?10 17?結構步行模型?該模型利用結構傳動實現步行動作，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前進、左轉、右轉動作。?套?10 19?前后聯動模型?該模型利用結構傳動實現前后聯動動作，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。認識數字電路和數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機械運動中常見的傳動原理，培養(yǎng)勤于動手、樂于發(fā)現科學奧秘的習慣。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 聯系人：王克芳網　　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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