創(chuàng)客教育視域下物理實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)與實(shí)踐

陳海深

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣西 桂林 541004)

在2016年的《地平線報(bào)告》當(dāng)中指出,創(chuàng)客將在3到5年之內(nèi)形成影響教育發(fā)展的關(guān)鍵趨勢(shì),并取得實(shí)際效果.創(chuàng)客教育是指以培養(yǎng)所有學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)所需的知識(shí)、能力、視野以及意志品質(zhì)方面的教育行為:活動(dòng)、課程和環(huán)境的總和.具體來說創(chuàng)客教育將會(huì)推動(dòng)中小學(xué)教育從普及教育階段的標(biāo)準(zhǔn)化課程到創(chuàng)客教育時(shí)代定制化課程.創(chuàng)客教育建立在體驗(yàn)教育(Experiential Education)、項(xiàng)目教學(xué)法(Project-Based Learning)、創(chuàng)新教育、DIY(Do It Yourself)等理念之上. “學(xué)生如果能夠有機(jī)會(huì)接觸一個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì),掌握相應(yīng)的基礎(chǔ)技能,將有助于他們更好地參與和有信心去解決在未來幾十年中將要面對(duì)的社會(huì)問題和能力挑戰(zhàn)”.

創(chuàng)客教育注重教育體驗(yàn)的整體性,學(xué)習(xí)過程本身代替學(xué)習(xí)成果成為最重要的部分.創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)行動(dòng)、分享與合作,并注重與新科技手段結(jié)合,逐漸發(fā)展成為跨學(xué)科創(chuàng)新力培養(yǎng)的新途徑.在創(chuàng)客教育實(shí)踐中,學(xué)生被看作是創(chuàng)作者而不是消費(fèi)者,學(xué)校正從知識(shí)傳授的中心,轉(zhuǎn)變成實(shí)踐應(yīng)用和創(chuàng)造為中心的場(chǎng)所.這些場(chǎng)所正以創(chuàng)新的形式展示出對(duì)教育的價(jià)值.目前創(chuàng)客教育已逐步應(yīng)用在基礎(chǔ)教育階段的科技教育課程中.

通過開發(fā)有創(chuàng)意的物理實(shí)驗(yàn),形成一系列的具有真實(shí)問題解決情境的基本技能,使參與者的創(chuàng)新潛質(zhì)得到有效的呵護(hù)和發(fā)展.基于創(chuàng)客教育的物理實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)與創(chuàng)制也完全可能成為新一代電子產(chǎn)品、人工智能、新型材料以及其他高科技產(chǎn)品的智慧源泉.

1 電動(dòng)小鴨(圖1)

圖1

1.1 創(chuàng)制目的

(1) 了解電動(dòng)小鴨翅膀扇動(dòng)的原理; (2) 通過動(dòng)手設(shè)計(jì)與創(chuàng)制,激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)制的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力.

1.2 工具及部件

(1) 工具:① 尖嘴鉗子;② 螺絲刀;③ 剪刀;④ 小型激光雕刻機(jī);⑤ 臺(tái)鉆;⑥ 熱彎器;⑦ 砂布.

(2) 部件:如圖1所示.① 鴨身;② 翅膀(左右各一只);③ 連桿;④ 線繩;⑤ 套管;⑥ 馬達(dá);⑦ 電池盒.

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 如圖2所示先把兩根連桿的小頭分別和翅膀下方的鐵絲連接;(2) 然后用線繩把左右翅膀系在鴨身上,如圖3所示;(3) 接著把鴨身用螺絲固定在電動(dòng)小車上面,如圖4所示;(4) 再將連桿大頭插在車輪的曲軸上,套上套管;(5) 最后將電池放入電池盒中,安裝電路部分和動(dòng)力裝置，如圖5所示;(6) 在地面啟動(dòng)裝置,小鴨扇動(dòng)翅膀向前行走,十分有趣;(7) 調(diào)整馬達(dá)方向,還可改變“小鴨”行走路線的半徑.

圖2

圖3

圖4

圖5

1.4 創(chuàng)意設(shè)計(jì)

(1) 直接利用馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸做為動(dòng)力來源,省掉動(dòng)力傳動(dòng)部分; (2) 利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)巧妙地把輪子的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為翅膀的往復(fù)“扇動(dòng)”并展翅前進(jìn).

1.5 問題探究

(1) “電動(dòng)小鴨”電路部分的原理是什么?(2) “電動(dòng)小鴨”的機(jī)械部分是如何工作?(3) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸為什么要套上套管?(4) 想一想還可以如何改進(jìn)?

1.6 實(shí)驗(yàn)耗材清單

(1) 提供紅、黃、白亞克力板各1塊; (2) 連桿2根、彩線2根;(3)Φ21,3V馬達(dá)1個(gè)、合金鋅片1塊;(4) 5號(hào)電池1節(jié),M3螺桿、螺帽若干.

2 螺旋槳?jiǎng)恿π〈?圖6)

2.1 創(chuàng)制目的

(1) 通過“螺旋槳?jiǎng)恿π〈钡闹谱?掌握基本電路的連接及原理; (2) 了解和掌握螺旋槳?jiǎng)恿π〈窘Y(jié)構(gòu)及原理; (3) 通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)制的興趣,培養(yǎng)動(dòng)手能力.

2.2 工具及材料

(1) 工具:① 尖嘴鉗;② 螺絲刀;③ 美工刀;④ 剪刀;⑤ 臺(tái)鉆;⑥ 砂布.

(2) 步驟:① 首先將電池盒和馬達(dá)并排的固定在亞克力板上,將電池盒的紅、黑線分別接入馬達(dá)的兩極,然后將動(dòng)力裝置部分放入船體(如圖7).

圖6

圖7

② 固定動(dòng)力裝置:將螺絲從外側(cè)插入船體,把馬達(dá)插入合金鋅片的孔中(如圖8),用尖嘴鉗子夾住螺帽(如圖9),用螺絲刀將螺絲與螺帽旋緊,保證動(dòng)力裝置的底板與船體底面平行;用同樣的方法,將對(duì)側(cè)進(jìn)行固定.

圖8

圖9

③ 將螺旋槳從船體后側(cè)的塑料管插入,并繼續(xù)插入動(dòng)力裝置的彈簧中(如圖10、11).

圖10

圖11

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 將電池放入電池盒中; (2) 將小船放入水中; (3) 打開動(dòng)力裝置開關(guān); (4) 觀察小船在水中的運(yùn)動(dòng)情況.

2.4 創(chuàng)意設(shè)計(jì)

將一根直徑與馬達(dá)轉(zhuǎn)軸和螺旋槳連桿相同的彈簧分別連接馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸與螺旋槳連桿之間,從而形成軟軸.或?qū)⒅睆铰孕〉碾娋€抽取出其中的銅芯,把空心電線皮套的兩端分別連接馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸與螺旋槳連桿之間(連桿可用自行車的輻條,輻條的直徑與馬達(dá)相同)也能形成軟軸.這樣馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)后就能帶動(dòng)螺旋槳連桿的旋轉(zhuǎn).此實(shí)驗(yàn)非常巧妙地利用了軟軸實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞.

2.5 問題探究

(1) 水為什么不通過塑料管流入船中?(2) 動(dòng)力裝置是水平的,螺旋槳是傾斜的,為什么馬達(dá)上的動(dòng)力會(huì)傳遞到螺旋槳上?(3) 螺旋槳船工作啟動(dòng)后,能提出哪些科學(xué)問題?(4) 想一想還可以如何改進(jìn)?

2.6 實(shí)驗(yàn)耗材清單

(1) 提供550 ml礦泉水空瓶1個(gè); (2) 長(zhǎng)8 cm、寬5.5 cm亞克力板1塊; (3)Φ21,3 V馬達(dá)1個(gè); (4) 合金鋅片1塊; (5) 電池盒1個(gè)、5號(hào)電池1節(jié); (6) 螺旋槳1個(gè),M3螺桿、螺帽若干.

3 “自動(dòng)掃地”機(jī)器蟲(圖12)

3.1 創(chuàng)制目的

(1) 通過“自動(dòng)掃地機(jī)器蟲”的制作,使學(xué)生掌握基本電路的連接及原理.(2) 了解“自動(dòng)掃地”機(jī)器蟲的工作原理.(3) 通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)制的興趣,培養(yǎng)動(dòng)手能力.

3.2 工具及材料

(1) 工具: ① 螺絲刀;② 剪刀;③ 臺(tái)鉆;④ 砂布.

(2) 步驟: ① 將電池部分插入毛刷手柄下方空槽,然后向前推,使毛刷的柄插入電池底板的卡槽內(nèi)(如圖13).

圖12

圖13

② 分別用兩個(gè)螺絲在毛刷尾部和頭部將電池底板與毛刷進(jìn)行固定(如圖14、圖15).

圖14

圖15

圖16

③ 將馬達(dá)用螺絲固定在毛刷的前尖部,注意不要擰緊(如圖15),將馬達(dá)插入馬達(dá)架(如圖16),然后將馬達(dá)架擰緊,保證馬達(dá)架位于其中間.

④ 將馬達(dá)上的導(dǎo)線插頭插入電池底板上的插孔(如圖12).

3.3 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 將電池放入電池盒,打開開關(guān),觀察毛刷的運(yùn)動(dòng)情況; (2) 調(diào)整開關(guān),觀察毛刷的運(yùn)動(dòng)情況; (3) 調(diào)整插頭的插入方向,觀察毛刷的運(yùn)動(dòng)情況.

3.4 創(chuàng)意設(shè)計(jì)

巧妙地利用毛刷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器蟲的自動(dòng)清掃和行走.

3.5 問題探究

(1) 不同毛刷的形狀和毛刷材料對(duì)機(jī)器蟲的行走是否會(huì)產(chǎn)生影響?(2) 馬達(dá)上偏心輪質(zhì)量的大小會(huì)對(duì)機(jī)器蟲的行走產(chǎn)生什么影響?(3) 毛刷振動(dòng)機(jī)器蟲啟動(dòng)后,還能提出哪些科學(xué)問題?(4) 想一想還可以如何改進(jìn)?

3.6 實(shí)驗(yàn)耗材清單

(1) 毛刷1個(gè); (2)Φ21,3 V馬達(dá)1個(gè); (3) 長(zhǎng)7 cm、寬5 cm亞克力板1塊; (4) 5號(hào)電池1節(jié); (5) M3螺桿、螺帽若干.

4 獨(dú)臂爬行機(jī)器蟲(圖17)

4.1 創(chuàng)制目的

(1) 通過“蠕動(dòng)機(jī)器蟲”的制作,使學(xué)生掌握基本電路的連接及原理; (2) 使學(xué)生了解蠕動(dòng)機(jī)器蟲的動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu); (3) 通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)制的興趣,培養(yǎng)動(dòng)手能力.

4.2 工具及材料

(1) 工具: ① 螺絲刀;② 熱彎器;③ 小型激光雕刻機(jī);④ 臺(tái)鉆;⑤ 砂布.

4.3 實(shí)驗(yàn)操作

① 將電器部分通過螺絲與底座相連,注意螺絲不要擰得太緊(如圖17、18).

圖17

圖18

圖19

② 將帶黑色橡膠圈的主動(dòng)輪的長(zhǎng)軸從靠近馬達(dá)的一側(cè)插入底座側(cè)面的軸孔,從另一側(cè)伸出來(如圖19),將從動(dòng)輪插入長(zhǎng)軸的另一端,并用套管固定.

③ 將后輪的方向軸從底座后側(cè)下面通過軸孔旋轉(zhuǎn)插入,至此機(jī)器蟲的電動(dòng)組裝完成,再將電池放入電池盒,打開開關(guān),放在水平地面進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

④ 安裝蟲腿.把紅色長(zhǎng)腿(B)的軸孔套在底座側(cè)面的上部短軸上,并套上膠管(如圖20);把紅色短腿(C)的軸孔套在底座中間的短軸上,再套上膠管(如圖21).把藍(lán)色腿(C)的軸孔套在主動(dòng)輪的短軸上,再套上膠管(如圖21).注意腿上的短軸方向一律朝外.

圖20

圖21

將5號(hào)電池插入電池盒中,圓輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)蟲腿蠕動(dòng); 再將機(jī)器蟲放在水平地板上便可以象蟲子一樣蠕動(dòng)前進(jìn).

4.4 創(chuàng)意設(shè)計(jì)

(1) 巧妙地利用平行四邊形的力學(xué)結(jié)構(gòu)來模擬機(jī)器蟲的爬行; (2) 摩擦變速傳動(dòng).

4.5 問題探究

(1) 能設(shè)法讓機(jī)器蟲轉(zhuǎn)圈爬行嗎? (2) 設(shè)計(jì)一個(gè)電子遙控裝置來控制蟲的前進(jìn)、后退和停止; (3) 能否創(chuàng)制一個(gè)雙臂爬行的機(jī)器蟲?(4) 機(jī)器蟲爬行時(shí),還能提出哪些科學(xué)問題?(5) 想一想還可以如何改進(jìn)?

4.6 實(shí)驗(yàn)耗材清單

(1) 亞克力板底座1個(gè); (2) 電池盒和Φ21,3 V馬達(dá)各1個(gè); (3) 輪子兩個(gè); (4) 紅、黃亞克力板各1塊; (5) 紅、藍(lán)長(zhǎng)臂亞克力條板若干; (6) 5號(hào)電池1節(jié); (7) 線套若干、連桿若干和M3螺桿、螺帽若干.

5 盤旋的蜻蜓(如圖22)

5.1 創(chuàng)制目的

(1) 通過對(duì)“盤旋的蜻蜓”的制作,激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)制的興趣; (2) 了解穩(wěn)定平衡; (3) 了解加法創(chuàng)意的思維方法.

5.2 工具及材料

(1) 實(shí)驗(yàn)工具: ① 螺絲刀; ② 臺(tái)鉆; ③ 砂布.

5.3 實(shí)驗(yàn)操作

圖22

① 將“花”插入底座上一個(gè)槽孔處(如圖23),在其反面固定.

② 將部分電動(dòng)裝置用螺絲固定在底座的3個(gè)槽孔處(如圖24-圖26).

圖23

圖24

③ 將馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸插入風(fēng)扇插孔(圖25),并將蜻蜓放在“花蕊”上(圖26).

圖25

圖26

把蜻蜓模型的嘴放在“花蕊”上; 開啟電風(fēng)扇的電源開關(guān),調(diào)整電風(fēng)扇的方向及仰角,觀察蜻蜓的盤旋的方向和速度.

5.4 創(chuàng)意設(shè)計(jì)

“盤旋的蜻蜓”是利用穩(wěn)定平衡原理而研制的,根據(jù)蜻蜓的造型使整個(gè)重心在支點(diǎn)的下方而保持穩(wěn)定與平衡.

5.5 問題探究

(1) 蜻蜓為何能夠盤旋而不掉落?(2) 風(fēng)扇的方向及仰角對(duì)蜻蜓的旋轉(zhuǎn)方向和速度是否產(chǎn)生影響?(3) 電風(fēng)扇吹蜻蜓啟動(dòng)后,還能提出哪些科學(xué)問題?(4) 想一想還可以如何改進(jìn)?

5.6 實(shí)驗(yàn)耗材清單

(1) 亞克力板底座1個(gè)和風(fēng)扇葉1個(gè); (2) 亞力克板大小各1塊和亞克力板蜻蜓1只; (3) 電池盒1個(gè)和Φ21,3 V馬達(dá)1個(gè); (4) 合金鋅片1塊和5號(hào)電池1節(jié); (5) 自行車輻條一根和線套1個(gè); (6) 連桿和M3螺桿、螺帽若干.

6 結(jié)語

以馬達(dá)和電池盒為核心部件,以亞克力板和自行車輻條等為基本材料,通過尖嘴鉗、螺絲刀、激光雕刻機(jī)、臺(tái)鉆等系列工具的使用,激發(fā)學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)作品開發(fā)與創(chuàng)制的興趣,有效地滿足了有創(chuàng)新想法并且愛好動(dòng)手的學(xué)生的需求,引導(dǎo)學(xué)生從物理課程資源消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)檎n程課程資源的創(chuàng)造者．