创客教育视域下物理实验资源的开发与实践

陈海深

(广西师范大学物理科学与技术学院,广西 桂林 541004)

在2016年的《地平线报告》当中指出,创客将在3到5年之内形成影响教育发展的关键趋势,并取得实际效果.创客教育是指以培养所有学生的创新、创业所需的知识、能力、视野以及意志品质方面的教育行为:活动、课程和环境的总和.具体来说创客教育将会推动中小学教育从普及教育阶段的标准化课程到创客教育时代定制化课程.创客教育建立在体验教育(Experiential Education)、项目教学法(Project-Based Learning)、创新教育、DIY(Do It Yourself)等理念之上. “学生如果能够有机会接触一个项目设计,掌握相应的基础技能,将有助于他们更好地参与和有信心去解决在未来几十年中将要面对的社会问题和能力挑战”.

创客教育注重教育体验的整体性,学习过程本身代替学习成果成为最重要的部分.创客教育强调行动、分享与合作,并注重与新科技手段结合,逐渐发展成为跨学科创新力培养的新途径.在创客教育实践中,学生被看作是创作者而不是消费者,学校正从知识传授的中心,转变成实践应用和创造为中心的场所.这些场所正以创新的形式展示出对教育的价值.目前创客教育已逐步应用在基础教育阶段的科技教育课程中.

通过开发有创意的物理实验,形成一系列的具有真实问题解决情境的基本技能,使参与者的创新潜质得到有效的呵护和发展.基于创客教育的物理实验资源开发与创制也完全可能成为新一代电子产品、人工智能、新型材料以及其他高科技产品的智慧源泉.

1 电动小鸭(图1)

图1

1.1 创制目的

(1) 了解电动小鸭翅膀扇动的原理; (2) 通过动手设计与创制,激发学生科技创制的兴趣,培养学生的动手实践能力.

1.2 工具及部件

(1) 工具:① 尖嘴钳子;② 螺丝刀;③ 剪刀;④ 小型激光雕刻机;⑤ 台钻;⑥ 热弯器;⑦ 砂布.

(2) 部件:如图1所示.① 鸭身;② 翅膀(左右各一只);③ 连杆;④ 线绳;⑤ 套管;⑥ 马达;⑦ 电池盒.

1.3 实验操作

(1) 如图2所示先把两根连杆的小头分别和翅膀下方的铁丝连接;(2) 然后用线绳把左右翅膀系在鸭身上,如图3所示;(3) 接着把鸭身用螺丝固定在电动小车上面,如图4所示;(4) 再将连杆大头插在车轮的曲轴上,套上套管;(5) 最后将电池放入电池盒中,安装电路部分和动力装置，如图5所示;(6) 在地面启动装置,小鸭扇动翅膀向前行走,十分有趣;(7) 调整马达方向,还可改变“小鸭”行走路线的半径.

图2

图3

图4

图5

1.4 创意设计

(1) 直接利用马达的转轴做为动力来源,省掉动力传动部分; (2) 利用曲柄连杆机构巧妙地把轮子的圆周运动转化为翅膀的往复“扇动”并展翅前进.

1.5 问题探究

(1) “电动小鸭”电路部分的原理是什么?(2) “电动小鸭”的机械部分是如何工作?(3) 电动机的转轴为什么要套上套管?(4) 想一想还可以如何改进?

1.6 实验耗材清单

(1) 提供红、黄、白亚克力板各1块; (2) 连杆2根、彩线2根;(3)Φ21,3V马达1个、合金锌片1块;(4) 5号电池1节,M3螺杆、螺帽若干.

2 螺旋桨动力小船(图6)

2.1 创制目的

(1) 通过“螺旋桨动力小船”的制作,掌握基本电路的连接及原理; (2) 了解和掌握螺旋桨动力小船基本结构及原理; (3) 通过实验激发学生科技创制的兴趣,培养动手能力.

2.2 工具及材料

(1) 工具:① 尖嘴钳;② 螺丝刀;③ 美工刀;④ 剪刀;⑤ 台钻;⑥ 砂布.

(2) 步骤:① 首先将电池盒和马达并排的固定在亚克力板上,将电池盒的红、黑线分别接入马达的两极,然后将动力装置部分放入船体(如图7).

图6

图7

② 固定动力装置:将螺丝从外侧插入船体,把马达插入合金锌片的孔中(如图8),用尖嘴钳子夹住螺帽(如图9),用螺丝刀将螺丝与螺帽旋紧,保证动力装置的底板与船体底面平行;用同样的方法,将对侧进行固定.

图8

图9

③ 将螺旋桨从船体后侧的塑料管插入,并继续插入动力装置的弹簧中(如图10、11).

图10

图11

2.3 实验操作

(1) 将电池放入电池盒中; (2) 将小船放入水中; (3) 打开动力装置开关; (4) 观察小船在水中的运动情况.

2.4 创意设计

将一根直径与马达转轴和螺旋桨连杆相同的弹簧分别连接马达的转轴与螺旋桨连杆之间,从而形成软轴.或将直径略小的电线抽取出其中的铜芯,把空心电线皮套的两端分别连接马达的转轴与螺旋桨连杆之间(连杆可用自行车的辐条,辐条的直径与马达相同)也能形成软轴.这样马达转动后就能带动螺旋桨连杆的旋转.此实验非常巧妙地利用了软轴实现动力的传递.

2.5 问题探究

(1) 水为什么不通过塑料管流入船中?(2) 动力装置是水平的,螺旋桨是倾斜的,为什么马达上的动力会传递到螺旋桨上?(3) 螺旋桨船工作启动后,能提出哪些科学问题?(4) 想一想还可以如何改进?

2.6 实验耗材清单

(1) 提供550 ml矿泉水空瓶1个; (2) 长8 cm、宽5.5 cm亚克力板1块; (3)Φ21,3 V马达1个; (4) 合金锌片1块; (5) 电池盒1个、5号电池1节; (6) 螺旋桨1个,M3螺杆、螺帽若干.

3 “自动扫地”机器虫(图12)

3.1 创制目的

(1) 通过“自动扫地机器虫”的制作,使学生掌握基本电路的连接及原理.(2) 了解“自动扫地”机器虫的工作原理.(3) 通过实验激发学生科技创制的兴趣,培养动手能力.

3.2 工具及材料

(1) 工具: ① 螺丝刀;② 剪刀;③ 台钻;④ 砂布.

(2) 步骤: ① 将电池部分插入毛刷手柄下方空槽,然后向前推,使毛刷的柄插入电池底板的卡槽内(如图13).

图12

图13

② 分别用两个螺丝在毛刷尾部和头部将电池底板与毛刷进行固定(如图14、图15).

图14

图15

图16

③ 将马达用螺丝固定在毛刷的前尖部,注意不要拧紧(如图15),将马达插入马达架(如图16),然后将马达架拧紧,保证马达架位于其中间.

④ 将马达上的导线插头插入电池底板上的插孔(如图12).

3.3 实验操作

(1) 将电池放入电池盒,打开开关,观察毛刷的运动情况; (2) 调整开关,观察毛刷的运动情况; (3) 调整插头的插入方向,观察毛刷的运动情况.

3.4 创意设计

巧妙地利用毛刷的结构特点实现机器虫的自动清扫和行走.

3.5 问题探究

(1) 不同毛刷的形状和毛刷材料对机器虫的行走是否会产生影响?(2) 马达上偏心轮质量的大小会对机器虫的行走产生什么影响?(3) 毛刷振动机器虫启动后,还能提出哪些科学问题?(4) 想一想还可以如何改进?

3.6 实验耗材清单

(1) 毛刷1个; (2)Φ21,3 V马达1个; (3) 长7 cm、宽5 cm亚克力板1块; (4) 5号电池1节; (5) M3螺杆、螺帽若干.

4 独臂爬行机器虫(图17)

4.1 创制目的

(1) 通过“蠕动机器虫”的制作,使学生掌握基本电路的连接及原理; (2) 使学生了解蠕动机器虫的动力传动结构; (3) 通过实验激发学生科技创制的兴趣,培养动手能力.

4.2 工具及材料

(1) 工具: ① 螺丝刀;② 热弯器;③ 小型激光雕刻机;④ 台钻;⑤ 砂布.

4.3 实验操作

① 将电器部分通过螺丝与底座相连,注意螺丝不要拧得太紧(如图17、18).

图17

图18

图19

② 将带黑色橡胶圈的主动轮的长轴从靠近马达的一侧插入底座侧面的轴孔,从另一侧伸出来(如图19),将从动轮插入长轴的另一端,并用套管固定.

③ 将后轮的方向轴从底座后侧下面通过轴孔旋转插入,至此机器虫的电动组装完成,再将电池放入电池盒,打开开关,放在水平地面进行实验.

④ 安装虫腿.把红色长腿(B)的轴孔套在底座侧面的上部短轴上,并套上胶管(如图20);把红色短腿(C)的轴孔套在底座中间的短轴上,再套上胶管(如图21).把蓝色腿(C)的轴孔套在主动轮的短轴上,再套上胶管(如图21).注意腿上的短轴方向一律朝外.

图20

图21

将5号电池插入电池盒中,圆轮开始转动并带动虫腿蠕动; 再将机器虫放在水平地板上便可以象虫子一样蠕动前进.

4.4 创意设计

(1) 巧妙地利用平行四边形的力学结构来模拟机器虫的爬行; (2) 摩擦变速传动.

4.5 问题探究

(1) 能设法让机器虫转圈爬行吗? (2) 设计一个电子遥控装置来控制虫的前进、后退和停止; (3) 能否创制一个双臂爬行的机器虫?(4) 机器虫爬行时,还能提出哪些科学问题?(5) 想一想还可以如何改进?

4.6 实验耗材清单

(1) 亚克力板底座1个; (2) 电池盒和Φ21,3 V马达各1个; (3) 轮子两个; (4) 红、黄亚克力板各1块; (5) 红、蓝长臂亚克力条板若干; (6) 5号电池1节; (7) 线套若干、连杆若干和M3螺杆、螺帽若干.

5 盘旋的蜻蜓(如图22)

5.1 创制目的

(1) 通过对“盘旋的蜻蜓”的制作,激发学生科技创制的兴趣; (2) 了解稳定平衡; (3) 了解加法创意的思维方法.

5.2 工具及材料

(1) 实验工具: ① 螺丝刀; ② 台钻; ③ 砂布.

5.3 实验操作

图22

① 将“花”插入底座上一个槽孔处(如图23),在其反面固定.

② 将部分电动装置用螺丝固定在底座的3个槽孔处(如图24-图26).

图23

图24

③ 将马达的转轴插入风扇插孔(图25),并将蜻蜓放在“花蕊”上(图26).

图25

图26

把蜻蜓模型的嘴放在“花蕊”上; 开启电风扇的电源开关,调整电风扇的方向及仰角,观察蜻蜓的盘旋的方向和速度.

5.4 创意设计

“盘旋的蜻蜓”是利用稳定平衡原理而研制的,根据蜻蜓的造型使整个重心在支点的下方而保持稳定与平衡.

5.5 问题探究

(1) 蜻蜓为何能够盘旋而不掉落?(2) 风扇的方向及仰角对蜻蜓的旋转方向和速度是否产生影响?(3) 电风扇吹蜻蜓启动后,还能提出哪些科学问题?(4) 想一想还可以如何改进?

5.6 实验耗材清单

(1) 亚克力板底座1个和风扇叶1个; (2) 亚力克板大小各1块和亚克力板蜻蜓1只; (3) 电池盒1个和Φ21,3 V马达1个; (4) 合金锌片1块和5号电池1节; (5) 自行车辐条一根和线套1个; (6) 连杆和M3螺杆、螺帽若干.

6 结语

以马达和电池盒为核心部件,以亚克力板和自行车辐条等为基本材料,通过尖嘴钳、螺丝刀、激光雕刻机、台钻等系列工具的使用,激发学生进行物理实验作品开发与创制的兴趣,有效地满足了有创新想法并且爱好动手的学生的需求,引导学生从物理课程资源消费者转变为课程课程资源的创造者．