小學生如何攻克“碩士畢業設計”

周迎春

STEM教育與創客教育的差異在于，創客教育注重造物，STEM教育關注跨學科知識融合解決問題的過程中學生STEM 素養的提升。從一線教學實際看，那些能解決真實生活環境中的實際問題的STEM教學案例，往往更能吸引學生。這些造物的項目需要多種學科知識、多人協助、甚至穿越物理空間去尋求解決方案，解決的過程中大多會經歷順逆交替的起起伏伏。筆者查閱了一些碩士生畢業設計的案例，用于小學教學。下面以“雨水感應收衣裝置”為例，層層剝繭，揭示小學生解決碩士生畢業設計的路徑和策略。

針對“雨水自動感應晾衣架”，在百度學術中可以搜索到多篇碩士學術論文，有的甚至洋洋灑灑七八十頁。解決方案中大多運用到單片機、運放等小學生甚至中學生都無法厘清的概念和內容。如何讓這個項目“落地”成為小學生“跳”一下能夠到的案例，一直是我腦中縈繞的問題。Arduino開源硬件與眾多傳感器的絕佳組合讓這個“落地”問題迎刃而解。Arduino開源硬件不需要學生懂得單片機、運放的原理，只需大致了解傳感器的種類用途即可。某碩士論文涉及的電源電路、時鐘電路、復位電路、按鍵電路等可以一概忽略。當然，每個問題的解決都不會一帆風順，期間曲曲折折在所難免。

曲折之一：方案如何優化細化

課堂上，我事先作了“翻轉”設計，課前拋出問題讓學生百度各種解決方案，包括淘寶上的成品自動雨水感應晾衣架，然后在課堂上集思廣益，比一比誰的方案能在眾多方案里勝出？還是需要優勢組合？最終學生們形成的設計預案如下。

設計一個雨水感應自動收衣裝置，當雨水感應器上滴到雨滴或者天色明顯變暗時，啟動機械臂把衣服收進陽臺。如果雨水感應器上的水滴被曬干（雨轉多云），光線又足夠亮時，衣服再次曬出。主人可以設置預約收衣時間。并且對是否雨后重新曬出作出預設。S4A控制畫面同步運行。

以上要求進一步分解后具體要達到以下控制：（1）有雨或者光線明顯變暗時，收衣服。（2）當天空放晴、光線變亮，且傳感器上雨水被曬干時，衣服重新曬出。（3）主人可以預設收衣時間。此時無論天氣如何，衣服強制收回。（4）主人可以手動收衣或者定時收衣，此兩種模式收好衣服后不再晾出。

此環節的產品技術設計思維訓練得到了充分的體現，學生要針對在自己周圍每天都要發生的問題模擬產品設計工程師進行設計及分解。

曲折之二：機械傳動如何設計

學生在設計方案時碰到的第一個攔路虎，不是來自電子線路，而是機械傳動部分。圖1所示開窗器按供電模式分有24V直流、220V交流兩種，其中按開窗器機械臂行程長短又有100mm到1500mm等不同種類。本例所有24V直流電，當正接時機械臂伸出，反之縮回。

圖2看似簡單的機械結構，是社團學生溝通、爭論了很久才有的結果。首先，淘寶上對開窗器的介紹寥寥數字，很多具體問題需要直接跟淘寶店主溝通。比如，產品大都與配套的升降（或開合）控制盒一起銷售，能否拆分購買等具體問題；沒有控制盒，Arduino 又如何擔當起智能控制的重任？

曲折之三：S4A控制的畫面如何同步變化

下載3DMAX陽臺模型（可直接使用軟件包中模型）、衣架模型后，利用標準基本體構建衣架及開窗器機械臂模型。由于MAX模型中的元素較多，建議按圖3所示對衣架進行“成組”操作。

按F10對衣架運動中的幾個關鍵幀分別渲染，注意本例下載的模型須安裝V-RAY插件，并在公用—指定渲染器中選擇V-RAY渲染器。

曲折之四：如何實現開窗器機械手的伸縮

當了解到24V直流電機正負極倒置后伸縮方向即相反后，有學生搜索關鍵詞“直流電機正反轉 繼電器”繪制出圖4所示控制線路。經反復推演各種可能，均不會造成短路事故。

曲折之五：開窗機的電機本身沒有到位后自動停止功能，如果開窗或者貫穿機械臂到位后繼續加電，將對電機造成傷害，此問題如何破解

有學生稱可以設置時間，但是馬上又有學生質疑，當掛的衣服重量不同時，造成的阻力不同，時間不是一個定量。后來有學生詢問淘寶商家后找到了解決辦法，如圖5在數字口2、3分別安裝兩個磁感應開關，相關的動臂上安裝永磁鐵。當檢測到機械臂運作到位后，立即停止供電。

曲折之六：腳本如何設計

曬衣部分腳本：當綠旗被點擊時，當系統檢測到接在模擬口0的光線傳感器數值大于800，光線充足，并且接在模擬口5的雨水傳感器上無水滴，數值小于50，則廣播曬衣服。

收衣部分腳本：分三個條件語句，第一是檢測光線數值小于150則收衣。第二是檢測雨水傳感器數值大于100則收衣。第三是按鈕傳感器大于1000即接通狀態則自動收衣。

預約收衣部分腳本：當綠旗被點擊時，先詢問預約多少小時后收衣，然后將輸入值賦予變量t，計時器歸零。計時器單位為秒，因此變量t須乘3600。當計時器數值大于預設時間，廣播收衣服。

曲折之七：學生開始編制腳本時發現繼電器反復被觸發，“噠噠”聲不斷，這對繼電器及控制終端都不是好事，如何解決

為了防止繼電器反復被觸發，損傷電機及其他器件，分別設置變量k、m，當條件已符合時分別設定為1。然后將相關變量不等于1，即等于1不成立，作為條件語句的必備條件之一。

當曬衣觸發時，變量K為1，當收衣觸發時變量M為1。如果系統對兩個事件依次觸發一遍。如果不對相關變量清零，則造成太陽出來后或者下雨了系統不再有響應。所以要對K賦值1的同時，要對M清零。反之也一樣。

由于手動收衣及定時收衣要求之后即使符合曬衣條件時也不再觸發，所以不再對M清零操作。為保險起見，建議在對K賦值1的同時，添加給變量M賦值1的語句。

美國機器人協會給機器人下的定義是：一種可以重新設定程序、多功能的機械手，經由事先設計好的各種可變動作，搬運材料、零件、工具或其他特殊裝置，以執行不同的工作任務。機器人在面對變化與不確定的工作環境與程序時，具有一定的判斷能力。從這個機器人的定義上看，“雨水感應收衣裝置”也可以視為一個機器人項目。學生在這個項目的學習過程中遇到的問題事實上遠不止以上所列，但是在教學一線將會感受到學生的潛力遠超你的想象：沒有短接線，學生將廢舊網絡線“開膛破肚”，開窗器沒有電源，學生搬來家里的鋰電池，機械手沒人愿意接手加工，學生找到親戚幫忙。有的學生在家里是“專業”負責淘寶的，因此跟店家的“旺旺”交流使問題“豁然開朗”，比如，磁感應裝置就是學生從“店小二”那里問來的。當然，在“工作坊”教學模式下，教師必要的協助與引導，也會如及時雨般解決問題。

有效的STEM教育課程能通過跨界整合，為學生提供與生活實際零距離且富有現實意義的學習情境，以利于學生高階思維的培養與積極情感的投入。受學生歡迎的STEM實驗課程往往讓學生通過參加基于問題、項目和活動的學習，來體驗開源合作分享的創客精神，激發學生好奇心及參與積極性，從而能有效地促進知識內化遷移，培養和提升學生創新思維能力。在類似“雨水感應收衣裝置”這種復雜問題的解決過程中，學生體驗了發明創造或者“造物”的全過程，期間要了解機械傳動的知識、Arduino各傳感器的功能用途、繼電器的內部構造、3DMAX動畫生成的辦法等。在學生社團開展此項目學習時，每個組會對較為復雜的項目有一些分解，針對其中的幾個難題，分別根據自己的專長認領。有時他們會為找到了解決之道而欣喜，有時也會因為一時的逆境而愁眉不展。真正的科學發明何嘗不是如此，把焦距拉長，人生又何嘗不是如此？學生最終解決的問題或許對于人類社會來說本已不是問題，但是相信這種解決問題的曲折經歷、小學生攻克碩士畢業設計的成功體驗，卻將始終伴隨學生，令其終身受益。

（作者單位：江蘇蘇州市吳江區鱸鄉實驗小學）