創客教育探索與實踐

馬良 楊芳

創客教育就是創客文化與教育的結合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題的能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育，其包括幾個核心要素：倡導以數字化工具作為創客教育基礎;鼓勵動手實踐，發現問題、探索問題并解決問題;項目制學習方式，將作品或產品作為產出。3D打印、開源硬件、傳感器、編程都是比較常見的創客教育工具和形式，借助創客工具實施創客教育，可以更好地培養創客人才。因此，筆者以實踐性為原則，考慮到高中學生的特點以及項目的可操作性，以智能垃圾桶項目為載體開展了創客教育探索與實踐。

● 項目緣起

日常生活中大多數家庭使用的是傳統垃圾桶，很多家庭選擇價格低廉材料不可回收的簡易垃圾桶，價格在10～80元之間，這種傳統垃圾桶在使用過程中，存在不方便和不衛生的問題，而智能垃圾桶因其使用方便逐漸走入人們的視野。智能垃圾桶大多采用紅外感應，以及自動開關蓋的設計，價格在59～189元之間，因價格略高，性能還不夠可靠等，很多家庭沒有選擇。我們設想基于學生的能力水平，以智能垃圾桶項目為載體開展創客教育實踐，力圖設計出功能更加可靠、價格更加親民的智能垃圾桶，更重要的是借助這個項目培養學生的創造思維與解決問題的綜合能力。

● 確定設計方案

筆者首先建議學生進行信息收集和分析，通過多家購物平臺中的智能垃圾桶進行篩選、排序，將銷量較大、用戶好評較多的垃圾桶的結構、外形、技術、價格等進行匯總，然后組織學生進行了問卷調查和面對面的訪談，了解了垃圾桶在使用過程中存在的“痛點”（主要是開關蓋的智能性和靈敏性），老年人因為身體原因使用起來需要更加人性化。問卷反饋顯示：有較多的人對垃圾桶的外觀也有較高的要求，特別是客廳使用的垃圾桶。在分析信息的基礎上，學生進行了充分的討論，結合已經接觸和學習的Arduino智能硬件，明確了設計的方向：選擇合適的傳感器，借助智能硬件對傳統垃圾桶進行改造。

構思方案的過程中產生的設計想法常常是模糊的，為了使其具體化，學生用草圖把它們轉化為視覺形象。當多個設計方案產生之后，筆者依據設計的一般原則（①實用性：是否能智能開關蓋，該開時開，該關時關;②易用性：舒適而衛生地使用;③美觀性：造型是否美觀;④經濟性：與現有產品相比是否具有市場潛力和經濟效益）對方案進行篩選，最終確定兩個方案：①衛生間用智能垃圾桶。窄身設計占用空間少，符合衛生間的特點，自動開關蓋有效隔絕氣味。根據多次場景模擬的結論發現，人們大多為坐著投放廁紙，因此，選用超聲波測距傳感器，在傳感器正上方60cm內感應開蓋，無觸發信號后延時3000毫秒關閉蓋子。②老年人用智能垃圾桶。老年人腿腳不方便，學生設計了不用任何觸發的智能開關蓋垃圾桶，依然選用超聲波測距傳感器，但將安裝位置和角度做了調整，正面45度角朝向使用者。算法經過多次優化，解決了誤觸發問題，人們從旁邊經過時不會觸發開蓋，真正做到了該開時打開，不該開時保持關閉狀態。

● 原型制作

原型制作是個難點，學生之前的動手機會較少，欠缺經驗，需要教師多一點指導。學生根據之前的信息收集匯總，選購了傳統手動開關蓋垃圾桶，以它為基礎進行智能化改造。

①控制系統調試。將Arduino開發板與傳感器進行硬件連接后，依據設計要求，設計合適的算法達到控制效果。

②整體布局。第一，垃圾桶的穩定性要著重考慮，電池組的安放位置會直接影響其重心位置，還要兼顧電池的防水要求;第二，自動開蓋的實現方式決定了舵機的安放位置，需要注意的是要考慮其后期的維修和更換的方便性;第三，整體布局要注意盡量將電路板和電子器件以及線路保護起來，以免損壞。

③連桿機構設計。利用舵機開關蓋子是結構設計的重點和難點，學生首先使用硬紙殼進行了多次模擬試驗，確定其基本樣態后借助3D打印機制作出了合適的連桿機構（如圖1）。

④連接方式的選擇。連接方式直接影響垃圾桶整體的強度和耐久性。學生采用了兩種連接方法：一是熱熔膠連接;二是螺絲連接。

⑤外觀優化。通過外觀優化提高智能垃圾桶的美觀性并賦予其一定的文化內涵（如圖2）。

● 測試、評價和優化

為確保設計方案可行，需要對產品進行測試和評價，依據評價的結果有針對性地進行優化，力求使其功能越來越完善。對智能垃圾桶這一實用型產品的評價，選擇的首要指標是功能性，還要兼顧可靠性、美觀性、經濟性、人機適用性、可持續發展等指標。

為評價智能垃圾桶的功能性需要進行的簡單技術測試有：穩定性測試、開關蓋靈敏度及可靠性測試等。整個測試過程要模擬真實使用場景，進行垃圾桶空置、垃圾投放、滿載垃圾等情境測試，準確記錄試驗數據，科學分析試驗結果，為優化打好基礎。垃圾桶的優化主要從三方面考慮：功能性的優化、美觀性的優化、人機適用性的優化等。

● 編寫作品說明書

技術作品說明書是設計者與使用者之間溝通的橋梁：一方面設計者能介紹產品的特點和使用方法;另一方面可以提醒使用者維護保養事項。在說明書中，要提醒使用者在使用智能垃圾桶這一設計作品時切勿在通電后手動開關蓋，以免損壞舵機，同時還應注意觀察提示燈以便及時充電。

在這次創客實踐中，學生們使用了數字化工具（包括開源硬件Arduino、三維打印、計算機），培養了動手實踐的能力，在發現問題、制訂方案、制作原型中將自己的想法從方案變成實物，提升了創造思維與解決問題的綜合能力。