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中小學物聯網STEAM創客空間解決方案
發布日期:2017-04-24   點擊次數:15365

一、概述
(一)什么是創客
“創客”一詞來源于英文單詞“Maker”,是指出于興趣與愛好,熱衷實踐和創造,善于挖掘新技術和跨界合作,倡導創新和行動,樂于知識分享和思想交流的人群。創客們樂于在現有的資源下利用新技術以及數字化工具創造出新的物品,并在其中融入技術或藝術元素。
創客文化是一種生活方式,不滿足現狀,想要動手去改變,愿意把自己的想法身體力行實現出來,很多東西都是從興趣入手,會去探究,發現不好的地方,把解決方法做出來,這個過程中可能會有很多的創新。隨著2015年政府工作報告首次提到“創客”一詞,創客文化在國內迅速傳播,2016年政府報告再提“工匠精神”更是對創客運動在中國的發展起到推波助瀾的作用。

(二)校園創客空間
校園創客空間是一種開放式創新實驗室,用于培養學生的創新能力和自我管理能力,把新奇的創意想法變為現實,創造出來,并分享新鮮富有創意的技術和理念,普及創客思想的新型實驗室。
(三)中小學物聯網分析
  1.物聯網產業鏈的需求
  1.1 目前中小學教育現狀分析
物聯網現在已經走入千家萬戶,數據顯示,2017年全球物聯網市場規模將達到4500億美元,物聯網產業發展前景廣闊。未來十年,隨著物聯網技術的逐步成熟與廣泛應用,社會生產、生活的智能化程度將得到不斷提高。如智能家居、智能安防、智慧交通、智慧醫療、智能電網、智慧物流、智慧環保、智慧農業等。孩子們作為祖國的未來,普及物聯網知識是勢在必行的事情。
中小學物聯網課程是以培養學生科學素養為宗旨的科學啟蒙課程。要把中小學生培養成具有科學素養的國民,是一個長期的任務。然而,早期的科學教育將對一個人的科學素養的形成具有決定性的作用。但是中小學教育以學科知識為結構,以內在知識點為主線進行教學。那就涉及很多抽象的理論知識,中小學生普遍難以理解。并且在實驗教學過程中老師往往設定統一實驗項目,進行實驗方法的也是固定不變的模式。評價實驗的標準是能否正確操作實驗,實驗是否獲得設定的目的,在這樣的教學下,學生實驗方法的科學性能得到基本的保證,但是也使學生形成了固定的思維和想法,讓孩子失去了思維的創造多變性,并且孩子的興趣和探索精神也沒有得到開發。

  1.2中小學物聯網教育的意義
在現代信息社會,培養學生的信息素養和技術素養已經成為國家教育改革的主流取向,而中小學的物聯網教育綜合了計算機、機械、電子、通訊、控制、聲、光、電、磁等多個學科領域的知識和技能,學生通過查閱并學習物聯網知識、親手組裝機器人、調試傳感器、設計并編寫程序、完成任務等活動,可以進行大量的信息活動和技術鍛煉,從而有效的提高了信息素養和技術素養。中小學物聯網教育對激發學生的創造欲望,培養學生的創新精神,強化學生的手腦并用,發展學生的實踐能力,改善學生的學習方式,促進學生的終身學習有著重要意義。

  2. 中小學物聯網教育理念
以美國工程院士、麻省理工學院教授 Eward Crawley 創立的CDIO培養模式為基礎,以產品研發到產品運行的生命周期為載體,以誘導的方式,讓學生由被動的學習,轉化為主動的學習。
課程結構體系分為:認知篇-基礎學習篇-基礎作品制作篇—進階作品制作篇-知識拓展篇
課程內容體系:背景引入(引發興趣)—基礎項目學習(思維接受)—深入講解(原理理解)—擴散思維(發揮想象)—同類項目制作學習(模仿)—總結(知識加深)

  3. 中小學物聯網教育特點
領引全國物聯網教育在中小學及普教領域的普及,讓孩子的學習插上智慧和快樂的翅膀,動起手來,實現夢想,創造未來。

二、建設目標
(一)建設目標
1.玩中培養的能力
?在玩中培養孩子的思維和專注能力。
?在玩中培養孩子的模仿與創造能力。
?在玩中培養孩子融入團隊和積極人際關系。
?在玩中培養孩子運用物聯網最新科技能力
?在玩中培養孩子快速獲取知識和信息能力
?在玩中培養孩子的自主學習能力

2.玩中培養的興趣愛好
?愛學習、愛思考、愛發明、愛合作

孩子們在積極快樂的探索

(二)建成后達到的技術水平
建成的物聯網專業實驗室的技術水平將在中小學同類領域、同類研究條件下處于領先地位。
(1)具有傳感器采樣、設備控制、嵌入式開發、無線傳感器網絡組網等基本應用開發培養的能力,可進行物聯網應用模擬實驗;
(2)具有支撐學生自己動手,搭建物聯網應用環境的能力,激發創新精神;
(3)具有培養學生對實際物聯網應用項目的整體把握的能力;
(4)并為學生以后的大學生活和工作打下了堅實的基礎,成為工程師世界的敲門磚。

(三)建成后的預期效果
  1.基礎教學與課程實驗的支持
?學習可持續性:Arduino應用范圍廣泛,資料開源,全球有大量愛好者和發燒友,以及大量的制作實例,為學生以后的大學生活和工作打下了堅實的基礎。
?通過基于無線zigbee的物聯網感知系統可以組建無線傳感網絡,可以形成物物相連,相互感知的物聯網系統。
  2.項目實踐與學科競賽的支持
支撐學科競賽:每個人都有成為發明家、科學家、藝術家和演說家的夢想,為讓每一個有夢想的人提供一個展示自己的機會,讓每一個有夢想的人能在“挑戰中成長”,為此無錫泛太科技有限公司利用自己的科技平臺,做學生們參加各種大賽的堅強后盾,成就他們的夢想,放飛他們的希望。

三、創客空間建設方案
(一)創客空間總體布局

   1.創客空間總覽圖
完整的創客空間實驗室主要由教學區、操作區、作品展示區、加工臺、電子元器件儲存區、儲物柜和交流討論區組成。
根據學校實驗室大小以及實際規劃的不同面積和大小對創客空間進行了不同的設計和規劃。

泛太創客實驗室效果圖一(參考)

泛太創客實驗室效果圖二(參考)

2. 功能區設置
  2.1操作區

      學生活動操作平臺,配置桌椅,可以定制,也可以使用普通的課桌。寬闊的課桌和舒適的座椅,將會有更好的制作體驗。

2.2作品展示區

    創客實驗室會產生非常多優秀的學生作品,我們要讓跟多的人看到他們的成果,鼓勵和激發學生創造的思維。所以我們需要一個很酷的展示區。展示區的職能不僅可以存放學生的作品,還可以存放一些有趣味性,較高技術含量的作品,來引導學生發散思維,激發興趣。

2.3器材收納區

     創客實驗室的器材管理,將會是學校面臨的一大難題。我們要制定一套合理的管理辦法,來解決我們硬件資源在使用時出現的問題。所以,我們需要一個合理的收納區域,來幫助我們解決這樣的問題。

2.4多媒體交流區

     創客實驗室的網絡功能,是我們加入網絡共享平臺的窗口。我們不僅可以完成自身的基本需求,如課堂教學,編程,查閱資料等;還可以與其他創客分享作品和交流經驗。

(二)創客空間課程體系
  1.理論學習
創客空間理論學習主要是以泛太團隊根據自身切實的經驗和體會編寫的核心理論教材,通過核心理論為綱串聯起基礎理論課程以及專業知識課程功能構成了創客空間的理論基礎。同時泛太團隊也通過實際經驗和實際動手操作來配合理論讓創客和創新愛好者能夠從基礎到系統到實際工程產品的全面學習。
泛太創客理論學習和課程主要分為核心課程、基礎課程、拔高課程、產品設計知識課程、項目管理課程以及創業相關課程等。
  2.基礎入門
  2.1圖形化編程
初級入門和接觸智能硬件的同學和創客們對智能硬件和軟件編程不懂,導致了學習的畏難情緒,泛太根據這個特點編寫了可視化編程軟件和智能硬件,學習者不用懂軟件和硬件也可以進行編程,讓小車或者其他硬件平臺跑起來起來。
  2.2 Arduino 編程及硬件基礎
Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺,包含硬件(各種型號的 Arduino 板)和軟件(Arduino IDE)。由一個歐洲開發團隊最早于 2005 年冬季開發。
它構建于開放原始碼 simple I/O 介面版,并且具有使用類似 Java、C語言的 Processing/Wiring 開發環境。主要包含兩個主要的部分:硬件部分是可以用來做電路連接的 Arduino 電路板;另外一個則是 Arduino IDE,你的計算機中的程序開發環境。你只要在 IDE 中編寫程序代碼,將程序上傳到 Arduino 電路板后,程序便會告訴 Arduino 電路板要做些什么了。
Arduino 能通過各種各樣的傳感器來感知環境,通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過 Arduino 的編程語言來編寫程序,編譯成二進制文件,燒錄進微控制器。對 Arduino 的編程是利用 Arduino 編程語言 (基于 Wiring)和 Arduino 開發環境(基于Processing)來實現的。基于 Arduino 的項目,可以只包含 Arduino,也可以包含 Arduino 和其他一些在 PC 上運行的軟件,他們之間進行通信(比如Flash, Processing, MaxMSP)來實現。通過可視化編程將你迅速拉入到智能控制的世界,通過 Arduino 將你拉入到通過 C 代碼編程的世界里,快速入門。對于有一定 C 語言編程基礎的,Arduino 是入門的不二選擇,可以通過Arduino 來搭建很多的智能硬件和方案,樂趣橫生。
  2.3函數庫及硬件應用
對眾多學習愛好者而言,大家都知道一個芯片底層函數庫的作用,對于一個新的芯片,如果沒有封裝好的底層函數庫,我們就必須參考芯片的技術手冊,一步步的來配置相應的寄存器,而這些寄存器的配置都是相當晦澀難懂與枯燥無味的。如果讓一個初學者從這里開始學習程序的編寫,是相當艱難的,不是有相當大毅力的學習者可能在這步就停止了,大浪淘沙這里就濾掉了一大批。為了降低學習的臺階,使更多學習者能迅速入門和使用單片機和芯片,我們耗費心力封裝各種底層函數庫,讓零基礎也能很快的熟悉使用這款芯片。
  2.4底層程序構建及 MCU 硬件知識
對程序和單片機有一點了解后就要開始深入到底層,進行單片機硬件接口和端口的設置。真正懂單片機,會智能控制,成為嵌入式及智能控制的高手。
  3. 綜合應用
  3.1機構組裝及設計
  3.1.1機構組裝及機械認知
學習系統構成,對提供的綜合學習平臺進行機構的構成了解,包括每個機構的原理,結構形狀。對平臺系統進行拆解和組裝,鍛煉動手能力的同時,讓學習者迅速對平臺進行熟知和了解。
  3.1.2機構設計
通過認知和學習基本的原理和結構,然后開始具體的學習機構的設計和加工。泛太提供學習平臺的部分結構的設計樣例和學習視頻以及各種學習資料幫助學習者和創客愛好者學習相關的機構和結構設計,主要是通過相關設計軟件來達到設計的意圖。
  3.1.3機構改進及機構調教
機械和結構設計出來后,進行裝配后然后 進行相關的參數測試,記錄下相關參數,然后進行結構的再優化和再設計,一直設計出符合要求的產品結構和機構。設計完成后,裝配到平臺后,利用平臺本身結構特性進行性能調教,包括機械參數進行調整,比如小車的各種車輛參數,車輪參數,前束等參數的調整。
  3.2硬件搭建及設計
  3.2.1硬件的接口使用及參數的驗證
泛太提供詳盡的產品電路接口電路示意圖,使用者同時使用綜合平臺對電路系統進行認知,包括電源電路、傳感器接口電路,單片機最小系統電路以及電機驅動電路等等。使用者,學習者和創客們對綜合平臺進行應用,學會如果連接電路和傳感器,伺服系統,執行機構等等。同時也能利用示波器對各個端口的信號進行測試和驗證,輔助進行調試軟件程序以及系統驗證等等。
  3.2.2手工搭建電路及學習原理
利用面包板和萬用板進行電路的搭建,實現電路的構建以及運行。在搭建的過程中,學習電路的基本知識,實現對電路的原理型設計和了解。
  3.2.3設計電路及樣品試制
利用設計軟件對電路進行設計的學習,設計出電路原理圖和 PCB,并且利用制版設備進行 PCB 的腐蝕刻板,制作出 PCB 樣品,同時手工焊接將元器件進行焊接并且對電路進行調試,從而實現電路功能,真正意義上的實現自主的設計電路。
  3.3軟件控制以及系統構建
  3.3.1平臺的熟悉及運行
利用泛太提供的例程庫,逐步理解和看懂程序,對平臺進行進行的控制和運營,讓平臺能夠運行起來,實現例程指定的功能,并且在指定的功能上進行優化改進。
  3.3.2自主編程程序
自己能獨立的編寫程序,實現端口的應用,同時對被控系統和部分進行控制,比如對舵機,電機進行控制 。
  3.3.3調試程序并進行算法的編寫
對編寫的程序進行編譯,調試,準備培養尋找問題并解決問題的能力。同時能在學習自動控制理論的情況下進行算法的編寫,包括對 PID 算法,棒棒算法,模糊控制及簡單神經網絡算法的學習和編寫。
  3.3.4策略算法
在程序編寫非常熟練的情況下,進行頂層程序的構建,能夠將個人想法進行數學建模,編寫算法實現控制意圖。
  3.3.5基于模型的控制算法
利用模型構建軟件(simlink 或 dsbase)對算法進行直接的可視化構建和編譯,實現基于模式的構建方式和方法,縮短開發周期,提高開發效率。
  4.產品創新
  4.1想法提煉
提出一個概念或者一個產品的想法,并且對產品的幾要素進行提煉
什么東西?確定想做的產品的定義
做什么用的?確定想做的產品的產品功能
給誰用的?確定想做的產品的用戶群體
怎么用?確定想做的產品的易用性
產品怎么構成?拆解產品的具體功能轉換為具體研發類別
如何實現?制定初步研發計劃和任務
  4.2產品立項
項目團隊確定,項目目標,產品的周期和范圍,市場基礎,競爭的優勢和關鍵技術,主要性能,要設計的元素,項目邊界條件,項目生產綱領等。
  4.3項目開展整個過程
P0 階段:確定項目,項目預啟動階段,項目預研發。分析項目可行性、項目風險評估
P1 階段:項目正式啟動,完成項目的規劃,任務分工。
P2 階段:啟動產品設計開發,開始產品的框架的搭建。
P3 階段:具體的產品設計,完成基本功能的實現。
P4 階段:完成產品的調試,實現基本功能,并進行第一次聯機調試。
P5 階段:完成產品的小批量生產,檢測,進一步的修復。
P6 階段:生產試制批量完成。
P7 階段:元器件和其他材料訂貨確認。
P8-P10 階段:批量化完成,且開始進行市場導入直到產品穩定供貨。
  5. 技術體系
無錫泛太科技的物聯網機器人教學平臺產品全面覆蓋了三層體系結構的知識,具有完善的技術體系。
傳感層:傳感系統即機器人的感覺器官。傳感系統通過傳感器檢測環境、獲取信息。傳感器能夠將溫度、聲音等轉變成機器人能識別的電信號。
控制系統:控制系統即機器人的大腦。一般由專用的計算機或單片機組成,內含控制機器人的程序、命令和各種信息處理器件。在這里,我們用的是完全開源的Arduino控制板。
執行系統:執行系統即機器人的四肢和嘴。執行系統一般由驅動機器人行走的電機、喇叭、燈光、機器手組成,其中機械裝占很大比重。3D積木套件能讓學生們自由發揮,自己設計。自己去動手、去設計、去創新。
  6. 產品體系
無錫泛太科技圍繞物聯網實驗室的建設思路,按照循序漸進、逐步深入、貼近現實的思想,設計了面向基礎教學、實驗、實訓的產品。產品依照物聯網的三層技術體系結構設計,層次分明、種類全面、形式多樣,可服務于不同教學需求、人才培養需求。

  7.課程體系



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