小学生如何攻克“硕士毕业设计”

周迎春

STEM教育与创客教育的差异在于，创客教育注重造物，STEM教育关注跨学科知识融合解决问题的过程中学生STEM 素养的提升。从一线教学实际看，那些能解决真实生活环境中的实际问题的STEM教学案例，往往更能吸引学生。这些造物的项目需要多种学科知识、多人协助、甚至穿越物理空间去寻求解决方案，解决的过程中大多会经历顺逆交替的起起伏伏。笔者查阅了一些硕士生毕业设计的案例，用于小学教学。下面以“雨水感应收衣装置”为例，层层剥茧，揭示小学生解决硕士生毕业设计的路径和策略。

针对“雨水自动感应晾衣架”，在百度学术中可以搜索到多篇硕士学术论文，有的甚至洋洋洒洒七八十页。解决方案中大多运用到单片机、运放等小学生甚至中学生都无法厘清的概念和内容。如何让这个项目“落地”成为小学生“跳”一下能够到的案例，一直是我脑中萦绕的问题。Arduino开源硬件与众多传感器的绝佳组合让这个“落地”问题迎刃而解。Arduino开源硬件不需要学生懂得单片机、运放的原理，只需大致了解传感器的种类用途即可。某硕士论文涉及的电源电路、时钟电路、复位电路、按键电路等可以一概忽略。当然，每个问题的解决都不会一帆风顺，期间曲曲折折在所难免。

曲折之一：方案如何优化细化

课堂上，我事先作了“翻转”设计，课前抛出问题让学生百度各种解决方案，包括淘宝上的成品自动雨水感应晾衣架，然后在课堂上集思广益，比一比谁的方案能在众多方案里胜出？还是需要优势组合？最终学生们形成的设计预案如下。

设计一个雨水感应自动收衣装置，当雨水感应器上滴到雨滴或者天色明显变暗时，启动机械臂把衣服收进阳台。如果雨水感应器上的水滴被晒干（雨转多云），光线又足够亮时，衣服再次晒出。主人可以设置预约收衣时间。并且对是否雨后重新晒出作出预设。S4A控制画面同步运行。

以上要求进一步分解后具体要达到以下控制：（1）有雨或者光线明显变暗时，收衣服。（2）当天空放晴、光线变亮，且传感器上雨水被晒干时，衣服重新晒出。（3）主人可以预设收衣时间。此时无论天气如何，衣服强制收回。（4）主人可以手动收衣或者定時收衣，此两种模式收好衣服后不再晾出。

此环节的产品技术设计思维训练得到了充分的体现，学生要针对在自己周围每天都要发生的问题模拟产品设计工程师进行设计及分解。

曲折之二：机械传动如何设计

学生在设计方案时碰到的第一个拦路虎，不是来自电子线路，而是机械传动部分。图1所示开窗器按供电模式分有24V直流、220V交流两种，其中按开窗器机械臂行程长短又有100mm到1500mm等不同种类。本例所有24V直流电，当正接时机械臂伸出，反之缩回。

图2看似简单的机械结构，是社团学生沟通、争论了很久才有的结果。首先，淘宝上对开窗器的介绍寥寥数字，很多具体问题需要直接跟淘宝店主沟通。比如，产品大都与配套的升降（或开合）控制盒一起销售，能否拆分购买等具体问题；没有控制盒，Arduino 又如何担当起智能控制的重任？

曲折之三：S4A控制的画面如何同步变化

下载3DMAX阳台模型（可直接使用软件包中模型）、衣架模型后，利用标准基本体构建衣架及开窗器机械臂模型。由于MAX模型中的元素较多，建议按图3所示对衣架进行“成组”操作。

按F10对衣架运动中的几个关键帧分别渲染，注意本例下载的模型须安装V-RAY插件，并在公用—指定渲染器中选择V-RAY渲染器。

曲折之四：如何实现开窗器机械手的伸缩

当了解到24V直流电机正负极倒置后伸缩方向即相反后，有学生搜索关键词“直流电机正反转 继电器”绘制出图4所示控制线路。经反复推演各种可能，均不会造成短路事故。

曲折之五：开窗机的电机本身没有到位后自动停止功能，如果开窗或者贯穿机械臂到位后继续加电，将对电机造成伤害，此问题如何破解

有学生称可以设置时间，但是马上又有学生质疑，当挂的衣服重量不同时，造成的阻力不同，时间不是一个定量。后来有学生询问淘宝商家后找到了解决办法，如图5在数字口2、3分别安装两个磁感应开关，相关的动臂上安装永磁铁。当检测到机械臂运作到位后，立即停止供电。

曲折之六：脚本如何设计

晒衣部分脚本：当绿旗被点击时，当系统检测到接在模拟口0的光线传感器数值大于800，光线充足，并且接在模拟口5的雨水传感器上无水滴，数值小于50，则广播晒衣服。

收衣部分脚本：分三个条件语句，第一是检测光线数值小于150则收衣。第二是检测雨水传感器数值大于100则收衣。第三是按钮传感器大于1000即接通状态则自动收衣。

预约收衣部分脚本：当绿旗被点击时，先询问预约多少小时后收衣，然后将输入值赋予变量t，计时器归零。计时器单位为秒，因此变量t须乘3600。当计时器数值大于预设时间，广播收衣服。

曲折之七：学生开始编制脚本时发现继电器反复被触发，“哒哒”声不断，这对继电器及控制终端都不是好事，如何解决

为了防止继电器反复被触发，损伤电机及其他器件，分别设置变量k、m，当条件已符合时分别设定为1。然后将相关变量不等于1，即等于1不成立，作为条件语句的必备条件之一。

当晒衣触发时，变量K为1，当收衣触发时变量M为1。如果系统对两个事件依次触发一遍。如果不对相关变量清零，则造成太阳出来后或者下雨了系统不再有响应。所以要对K赋值1的同时，要对M清零。反之也一样。

由于手动收衣及定时收衣要求之后即使符合晒衣条件时也不再触发，所以不再对M清零操作。为保险起见，建议在对K赋值1的同时，添加给变量M赋值1的语句。

美国机器人协会给机器人下的定义是：一种可以重新设定程序、多功能的机械手，经由事先设计好的各种可变动作，搬运材料、零件、工具或其他特殊装置，以执行不同的工作任务。机器人在面对变化与不确定的工作环境与程序时，具有一定的判断能力。从这个机器人的定义上看，“雨水感应收衣装置”也可以视为一个机器人项目。学生在这个项目的学习过程中遇到的问题事实上远不止以上所列，但是在教学一线将会感受到学生的潜力远超你的想象：没有短接线，学生将废旧网络线“开膛破肚”，开窗器没有电源，学生搬来家里的锂电池，机械手没人愿意接手加工，学生找到亲戚帮忙。有的学生在家里是“专业”负责淘宝的，因此跟店家的“旺旺”交流使问题“豁然开朗”，比如，磁感应装置就是学生从“店小二”那里问来的。当然，在“工作坊”教学模式下，教师必要的协助与引导，也会如及时雨般解决问题。

有效的STEM教育课程能通过跨界整合，为学生提供与生活实际零距离且富有现实意义的学习情境，以利于学生高阶思维的培养与积极情感的投入。受学生欢迎的STEM实验课程往往让学生通过参加基于问题、项目和活动的学习，来体验开源合作分享的创客精神，激发学生好奇心及参与积极性，从而能有效地促进知识内化迁移，培养和提升学生创新思维能力。在类似“雨水感应收衣装置”这种复杂问题的解决过程中，学生体验了发明创造或者“造物”的全过程，期间要了解机械传动的知识、Arduino各传感器的功能用途、继电器的内部构造、3DMAX動画生成的办法等。在学生社团开展此项目学习时，每个组会对较为复杂的项目有一些分解，针对其中的几个难题，分别根据自己的专长认领。有时他们会为找到了解决之道而欣喜，有时也会因为一时的逆境而愁眉不展。真正的科学发明何尝不是如此，把焦距拉长，人生又何尝不是如此？学生最终解决的问题或许对于人类社会来说本已不是问题，但是相信这种解决问题的曲折经历、小学生攻克硕士毕业设计的成功体验，却将始终伴随学生，令其终身受益。

（作者单位：江苏苏州市吴江区鲈乡实验小学）