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中小学物联网STEAM创客空间解决方案
发布日期:2017-04-24   点击次数:8584

一、概述
(一)什么是创客
“创客”一词来源于英文单词“Maker”,是指出于兴趣与爱好,热衷实践和创造,善于挖掘新技术和跨界合作,倡导创新和行动,乐于知识分享和思想交流的人群。创客们乐于在现有的资源下利用新技术以及数字化工具创造出新的物品,并在其中融入技术或艺术元素。
创客文化是一种生活方式,不满足现状,想要动手去改变,愿意把自己的想法身体力行实现出来,很多东西都是从兴趣入手,会去探究,发现不好的地方,把解决方法做出来,这个过程中可能会有很多的创新。随着2015年政府工作报告首次提到“创客”一词,创客文化在国内迅速传播,2016年政府报告再提“工匠精神”更是对创客运动在中国的发展起到推波助澜的作用。

(二)校园创客空间
校园创客空间是一种开放式创新实验室,用于培养学生的创新能力和自我管理能力,把新奇的创意想法变为现实,创造出来,并分享新鲜富有创意的技术和理念,普及创客思想的新型实验室。
(三)中小学物联网分析
  1.物联网产业链的需求
  1.1 目前中小学教育现状分析
物联网现在已经走入千家万户,数据显示,2017年全球物联网市场规模将达到4500亿美元,物联网产业发展前景广阔。未来十年,随着物联网技术的逐步成熟与广泛应用,社会生产、生活的智能化程度将得到不断提高。如智能家居、智能安防、智慧交通、智慧医疗、智能电网、智慧物流、智慧环保、智慧农业等。孩子们作为祖国的未来,普及物联网知识是势在必行的事情。
中小学物联网课程是以培养学生科学素养为宗旨的科学启蒙课程。要把中小学生培养成具有科学素养的国民,是一个长期的任务。然而,早期的科学教育将对一个人的科学素养的形成具有决定性的作用。但是中小学教育以学科知识为结构,以内在知识点为主线进行教学。那就涉及很多抽象的理论知识,中小学生普遍难以理解。并且在实验教学过程中老师往往设定统一实验项目,进行实验方法的也是固定不变的模式。评价实验的标准是能否正确操作实验,实验是否获得设定的目的,在这样的教学下,学生实验方法的科学性能得到基本的保证,但是也使学生形成了固定的思维和想法,让孩子失去了思维的创造多变性,并且孩子的兴趣和探索精神也没有得到开发。

  1.2中小学物联网教育的意义
在现代信息社会,培养学生的信息素养和技术素养已经成为国家教育改革的主流取向,而中小学的物联网教育综合了计算机、机械、电子、通讯、控制、声、光、电、磁等多个学科领域的知识和技能,学生通过查阅并学习物联网知识、亲手组装机器人、调试传感器、设计并编写程序、完成任务等活动,可以进行大量的信息活动和技术锻炼,从而有效的提高了信息素养和技术素养。中小学物联网教育对激发学生的创造欲望,培养学生的创新精神,强化学生的手脑并用,发展学生的实践能力,改善学生的学习方式,促进学生的终身学习有着重要意义。

  2. 中小学物联网教育理念
以美国工程院士、麻省理工学院教授 Eward Crawley 创立的CDIO培养模式为基础,以产品研发到产品运行的生命周期为载体,以诱导的方式,让学生由被动的学习,转化为主动的学习。
课程结构体系分为:认知篇-基础学习篇-基础作品制作篇—进阶作品制作篇-知识拓展篇
课程内容体系:背景引入(引发兴趣)—基础项目学习(思维接受)—深入讲解(原理理解)—扩散思维(发挥想象)—同类项目制作学习(模仿)—总结(知识加深)

  3. 中小学物联网教育特点
领引全国物联网教育在中小学及普教领域的普及,让孩子的学习插上智慧和快乐的翅膀,动起手来,实现梦想,创造未来。

二、建设目标
(一)建设目标
1.玩中培养的能力
在玩中培养孩子的思维和专注能力。
在玩中培养孩子的模仿与创造能力。
在玩中培养孩子融入团队和积极人际关系。
在玩中培养孩子运用物联网最新科技能力
在玩中培养孩子快速获取知识和信息能力
在玩中培养孩子的自主学习能力

2.玩中培养的兴趣爱好
爱学习、爱思考、爱发明、爱合作

孩子们在积极快乐的探索

(二)建成后达到的技术水平
建成的物联网专业实验室的技术水平将在中小学同类领域、同类研究条件下处于领先地位。
(1)具有传感器采样、设备控制、嵌入式开发、无线传感器网络组网等基本应用开发培养的能力,可进行物联网应用模拟实验;
(2)具有支撑学生自己动手,搭建物联网应用环境的能力,激发创新精神;
(3)具有培养学生对实际物联网应用项目的整体把握的能力;
(4)并为学生以后的大学生活和工作打下了坚实的基础,成为工程师世界的敲门砖。

(三)建成后的预期效果
  1.基础教学与课程实验的支持
学习可持续性:Arduino应用范围广泛,资料开源,全球有大量爱好者和发烧友,以及大量的制作实例,为学生以后的大学生活和工作打下了坚实的基础。
通过基于无线zigbee的物联网感知系统可以组建无线传感网络,可以形成物物相连,相互感知的物联网系统。
  2.项目实践与学科竞赛的支持
支撑学科竞赛:每个人都有成为发明家、科学家、艺术家和演说家的梦想,为让每一个有梦想的人提供一个展示自己的机会,让每一个有梦想的人能在“挑战中成长”,为此无锡泛太科技有限公司利用自己的科技平台,做学生们参加各种大赛的坚强后盾,成就他们的梦想,放飞他们的希望。

三、创客空间建设方案
(一)创客空间总体布局

   1.创客空间总览图
完整的创客空间实验室主要由教学区、操作区、作品展示区、加工台、电子元器件储存区、储物柜和交流讨论区组成。
根据学校实验室大小以及实际规划的不同面积和大小对创客空间进行了不同的设计和规划。

泛太创客实验室效果图一(参考)

泛太创客实验室效果图二(参考)

2. 功能区设置
  2.1操作区

      学生活动操作平台,配置桌椅,可以定制,也可以使用普通的课桌。宽阔的课桌和舒适的座椅,将会有更好的制作体验。

2.2作品展示区

    创客实验室会产生非常多优秀的学生作品,我们要让跟多的人看到他们的成果,鼓励和激发学生创造的思维。所以我们需要一个很酷的展示区。展示区的职能不仅可以存放学生的作品,还可以存放一些有趣味性,较高技术含量的作品,来引导学生发散思维,激发兴趣。

2.3器材收纳区

     创客实验室的器材管理,将会是学校面临的一大难题。我们要制定一套合理的管理办法,来解决我们硬件资源在使用时出现的问题。所以,我们需要一个合理的收纳区域,来帮助我们解决这样的问题。

2.4多媒体交流区

     创客实验室的网络功能,是我们加入网络共享平台的窗口。我们不仅可以完成自身的基本需求,如课堂教学,编程,查阅资料等;还可以与其他创客分享作品和交流经验。

(二)创客空间课程体系
  1.理论学习
创客空间理论学习主要是以泛太团队根据自身切实的经验和体会编写的核心理论教材,通过核心理论为纲串联起基础理论课程以及专业知识课程功能构成了创客空间的理论基础。同时泛太团队也通过实际经验和实际动手操作来配合理论让创客和创新爱好者能够从基础到系统到实际工程产品的全面学习。
泛太创客理论学习和课程主要分为核心课程、基础课程、拔高课程、产品设计知识课程、项目管理课程以及创业相关课程等。
  2.基础入门
  2.1图形化编程
初级入门和接触智能硬件的同学和创客们对智能硬件和软件编程不懂,导致了学习的畏难情绪,泛太根据这个特点编写了可视化编程软件和智能硬件,学习者不用懂软件和硬件也可以进行编程,让小车或者其他硬件平台跑起来起来。
  2.2 Arduino 编程及硬件基础
Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台,包含硬件(各种型号的 Arduino 板)和软件(Arduino IDE)。由一个欧洲开发团队最早于 2005 年冬季开发。
它构建于开放原始码 simple I/O 介面版,并且具有使用类似 Java、C语言的 Processing/Wiring 开发环境。主要包含两个主要的部分:硬件部分是可以用来做电路连接的 Arduino 电路板;另外一个则是 Arduino IDE,你的计算机中的程序开发环境。你只要在 IDE 中编写程序代码,将程序上传到 Arduino 电路板后,程序便会告诉 Arduino 电路板要做些什么了。
Arduino 能通过各种各样的传感器来感知环境,通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过 Arduino 的编程语言来编写程序,编译成二进制文件,烧录进微控制器。对 Arduino 的编程是利用 Arduino 编程语言 (基于 Wiring)和 Arduino 开发环境(基于Processing)来实现的。基于 Arduino 的项目,可以只包含 Arduino,也可以包含 Arduino 和其他一些在 PC 上运行的软件,他们之间进行通信(比如Flash, Processing, MaxMSP)来实现。通过可视化编程将你迅速拉入到智能控制的世界,通过 Arduino 将你拉入到通过 C 代码编程的世界里,快速入门。对于有一定 C 语言编程基础的,Arduino 是入门的不二选择,可以通过Arduino 来搭建很多的智能硬件和方案,乐趣横生。
  2.3函数库及硬件应用
对众多学习爱好者而言,大家都知道一个芯片底层函数库的作用,对于一个新的芯片,如果没有封装好的底层函数库,我们就必须参考芯片的技术手册,一步步的来配置相应的寄存器,而这些寄存器的配置都是相当晦涩难懂与枯燥无味的。如果让一个初学者从这里开始学习程序的编写,是相当艰难的,不是有相当大毅力的学习者可能在这步就停止了,大浪淘沙这里就滤掉了一大批。为了降低学习的台阶,使更多学习者能迅速入门和使用单片机和芯片,我们耗费心力封装各种底层函数库,让零基础也能很快的熟悉使用这款芯片。
  2.4底层程序构建及 MCU 硬件知识
对程序和单片机有一点了解后就要开始深入到底层,进行单片机硬件接口和端口的设置。真正懂单片机,会智能控制,成为嵌入式及智能控制的高手。
  3. 综合应用
  3.1机构组装及设计
  3.1.1机构组装及机械认知
学习系统构成,对提供的综合学习平台进行机构的构成了解,包括每个机构的原理,结构形状。对平台系统进行拆解和组装,锻炼动手能力的同时,让学习者迅速对平台进行熟知和了解。
  3.1.2机构设计
通过认知和学习基本的原理和结构,然后开始具体的学习机构的设计和加工。泛太提供学习平台的部分结构的设计样例和学习视频以及各种学习资料帮助学习者和创客爱好者学习相关的机构和结构设计,主要是通过相关设计软件来达到设计的意图。
  3.1.3机构改进及机构调教
机械和结构设计出来后,进行装配后然后 进行相关的参数测试,记录下相关参数,然后进行结构的再优化和再设计,一直设计出符合要求的产品结构和机构。设计完成后,装配到平台后,利用平台本身结构特性进行性能调教,包括机械参数进行调整,比如小车的各种车辆参数,车轮参数,前束等参数的调整。
  3.2硬件搭建及设计
  3.2.1硬件的接口使用及参数的验证
泛太提供详尽的产品电路接口电路示意图,使用者同时使用综合平台对电路系统进行认知,包括电源电路、传感器接口电路,单片机最小系统电路以及电机驱动电路等等。使用者,学习者和创客们对综合平台进行应用,学会如果连接电路和传感器,伺服系统,执行机构等等。同时也能利用示波器对各个端口的信号进行测试和验证,辅助进行调试软件程序以及系统验证等等。
  3.2.2手工搭建电路及学习原理
利用面包板和万用板进行电路的搭建,实现电路的构建以及运行。在搭建的过程中,学习电路的基本知识,实现对电路的原理型设计和了解。
  3.2.3设计电路及样品试制
利用设计软件对电路进行设计的学习,设计出电路原理图和 PCB,并且利用制版设备进行 PCB 的腐蚀刻板,制作出 PCB 样品,同时手工焊接将元器件进行焊接并且对电路进行调试,从而实现电路功能,真正意义上的实现自主的设计电路。
  3.3软件控制以及系统构建
  3.3.1平台的熟悉及运行
利用泛太提供的例程库,逐步理解和看懂程序,对平台进行进行的控制和运营,让平台能够运行起来,实现例程指定的功能,并且在指定的功能上进行优化改进。
  3.3.2自主编程程序
自己能独立的编写程序,实现端口的应用,同时对被控系统和部分进行控制,比如对舵机,电机进行控制 。
  3.3.3调试程序并进行算法的编写
对编写的程序进行编译,调试,准备培养寻找问题并解决问题的能力。同时能在学习自动控制理论的情况下进行算法的编写,包括对 PID 算法,棒棒算法,模糊控制及简单神经网络算法的学习和编写。
  3.3.4策略算法
在程序编写非常熟练的情况下,进行顶层程序的构建,能够将个人想法进行数学建模,编写算法实现控制意图。
  3.3.5基于模型的控制算法
利用模型构建软件(simlink 或 dsbase)对算法进行直接的可视化构建和编译,实现基于模式的构建方式和方法,缩短开发周期,提高开发效率。
  4.产品创新
  4.1想法提炼
提出一个概念或者一个产品的想法,并且对产品的几要素进行提炼
什么东西?确定想做的产品的定义
做什么用的?确定想做的产品的产品功能
给谁用的?确定想做的产品的用户群体
怎么用?确定想做的产品的易用性
产品怎么构成?拆解产品的具体功能转换为具体研发类别
如何实现?制定初步研发计划和任务
  4.2产品立项
项目团队确定,项目目标,产品的周期和范围,市场基础,竞争的优势和关键技术,主要性能,要设计的元素,项目边界条件,项目生产纲领等。
  4.3项目开展整个过程
P0 阶段:确定项目,项目预启动阶段,项目预研发。分析项目可行性、项目风险评估
P1 阶段:项目正式启动,完成项目的规划,任务分工。
P2 阶段:启动产品设计开发,开始产品的框架的搭建。
P3 阶段:具体的产品设计,完成基本功能的实现。
P4 阶段:完成产品的调试,实现基本功能,并进行第一次联机调试。
P5 阶段:完成产品的小批量生产,检测,进一步的修复。
P6 阶段:生产试制批量完成。
P7 阶段:元器件和其他材料订货确认。
P8-P10 阶段:批量化完成,且开始进行市场导入直到产品稳定供货。
  5. 技术体系
无锡泛太科技的物联网机器人教学平台产品全面覆盖了三层体系结构的知识,具有完善的技术体系。
传感层:传感系统即机器人的感觉器官。传感系统通过传感器检测环境、获取信息。传感器能够将温度、声音等转变成机器人能识别的电信号。
控制系统:控制系统即机器人的大脑。一般由专用的计算机或单片机组成,内含控制机器人的程序、命令和各种信息处理器件。在这里,我们用的是完全开源的Arduino控制板。
执行系统:执行系统即机器人的四肢和嘴。执行系统一般由驱动机器人行走的电机、喇叭、灯光、机器手组成,其中机械装占很大比重。3D积木套件能让学生们自由发挥,自己设计。自己去动手、去设计、去创新。
  6. 产品体系
无锡泛太科技围绕物联网实验室的建设思路,按照循序渐进、逐步深入、贴近现实的思想,设计了面向基础教学、实验、实训的产品。产品依照物联网的三层技术体系结构设计,层次分明、种类全面、形式多样,可服务于不同教学需求、人才培养需求。

  7.课程体系