馬良 楊芳

創(chuàng)客教育就是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育，其包括幾個(gè)核心要素：倡導(dǎo)以數(shù)字化工具作為創(chuàng)客教育基礎(chǔ);鼓勵(lì)動(dòng)手實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)問題、探索問題并解決問題;項(xiàng)目制學(xué)習(xí)方式，將作品或產(chǎn)品作為產(chǎn)出。3D打印、開源硬件、傳感器、編程都是比較常見的創(chuàng)客教育工具和形式，借助創(chuàng)客工具實(shí)施創(chuàng)客教育，可以更好地培養(yǎng)創(chuàng)客人才。因此，筆者以實(shí)踐性為原則，考慮到高中學(xué)生的特點(diǎn)以及項(xiàng)目的可操作性，以智能垃圾桶項(xiàng)目為載體開展了創(chuàng)客教育探索與實(shí)踐。

● 項(xiàng)目緣起

日常生活中大多數(shù)家庭使用的是傳統(tǒng)垃圾桶，很多家庭選擇價(jià)格低廉材料不可回收的簡易垃圾桶，價(jià)格在10～80元之間，這種傳統(tǒng)垃圾桶在使用過程中，存在不方便和不衛(wèi)生的問題，而智能垃圾桶因其使用方便逐漸走入人們的視野。智能垃圾桶大多采用紅外感應(yīng)，以及自動(dòng)開關(guān)蓋的設(shè)計(jì)，價(jià)格在59～189元之間，因價(jià)格略高，性能還不夠可靠等，很多家庭沒有選擇。我們設(shè)想基于學(xué)生的能力水平，以智能垃圾桶項(xiàng)目為載體開展創(chuàng)客教育實(shí)踐，力圖設(shè)計(jì)出功能更加可靠、價(jià)格更加親民的智能垃圾桶，更重要的是借助這個(gè)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維與解決問題的綜合能力。

● 確定設(shè)計(jì)方案

筆者首先建議學(xué)生進(jìn)行信息收集和分析，通過多家購物平臺(tái)中的智能垃圾桶進(jìn)行篩選、排序，將銷量較大、用戶好評較多的垃圾桶的結(jié)構(gòu)、外形、技術(shù)、價(jià)格等進(jìn)行匯總，然后組織學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查和面對面的訪談，了解了垃圾桶在使用過程中存在的“痛點(diǎn)”（主要是開關(guān)蓋的智能性和靈敏性），老年人因?yàn)樯眢w原因使用起來需要更加人性化。問卷反饋顯示：有較多的人對垃圾桶的外觀也有較高的要求，特別是客廳使用的垃圾桶。在分析信息的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行了充分的討論，結(jié)合已經(jīng)接觸和學(xué)習(xí)的Arduino智能硬件，明確了設(shè)計(jì)的方向：選擇合適的傳感器，借助智能硬件對傳統(tǒng)垃圾桶進(jìn)行改造。

構(gòu)思方案的過程中產(chǎn)生的設(shè)計(jì)想法常常是模糊的，為了使其具體化，學(xué)生用草圖把它們轉(zhuǎn)化為視覺形象。當(dāng)多個(gè)設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生之后，筆者依據(jù)設(shè)計(jì)的一般原則（①實(shí)用性：是否能智能開關(guān)蓋，該開時(shí)開，該關(guān)時(shí)關(guān);②易用性：舒適而衛(wèi)生地使用;③美觀性：造型是否美觀;④經(jīng)濟(jì)性：與現(xiàn)有產(chǎn)品相比是否具有市場潛力和經(jīng)濟(jì)效益）對方案進(jìn)行篩選，最終確定兩個(gè)方案：①衛(wèi)生間用智能垃圾桶。窄身設(shè)計(jì)占用空間少，符合衛(wèi)生間的特點(diǎn)，自動(dòng)開關(guān)蓋有效隔絕氣味。根據(jù)多次場景模擬的結(jié)論發(fā)現(xiàn)，人們大多為坐著投放廁紙，因此，選用超聲波測距傳感器，在傳感器正上方60cm內(nèi)感應(yīng)開蓋，無觸發(fā)信號后延時(shí)3000毫秒關(guān)閉蓋子。②老年人用智能垃圾桶。老年人腿腳不方便，學(xué)生設(shè)計(jì)了不用任何觸發(fā)的智能開關(guān)蓋垃圾桶，依然選用超聲波測距傳感器，但將安裝位置和角度做了調(diào)整，正面45度角朝向使用者。算法經(jīng)過多次優(yōu)化，解決了誤觸發(fā)問題，人們從旁邊經(jīng)過時(shí)不會(huì)觸發(fā)開蓋，真正做到了該開時(shí)打開，不該開時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)。

● 原型制作

原型制作是個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生之前的動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，欠缺經(jīng)驗(yàn)，需要教師多一點(diǎn)指導(dǎo)。學(xué)生根據(jù)之前的信息收集匯總，選購了傳統(tǒng)手動(dòng)開關(guān)蓋垃圾桶，以它為基礎(chǔ)進(jìn)行智能化改造。

①控制系統(tǒng)調(diào)試。將Arduino開發(fā)板與傳感器進(jìn)行硬件連接后，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)合適的算法達(dá)到控制效果。

②整體布局。第一，垃圾桶的穩(wěn)定性要著重考慮，電池組的安放位置會(huì)直接影響其重心位置，還要兼顧電池的防水要求;第二，自動(dòng)開蓋的實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q定了舵機(jī)的安放位置，需要注意的是要考慮其后期的維修和更換的方便性;第三，整體布局要注意盡量將電路板和電子器件以及線路保護(hù)起來，以免損壞。

③連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用舵機(jī)開關(guān)蓋子是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生首先使用硬紙殼進(jìn)行了多次模擬試驗(yàn)，確定其基本樣態(tài)后借助3D打印機(jī)制作出了合適的連桿機(jī)構(gòu)（如圖1）。

④連接方式的選擇。連接方式直接影響垃圾桶整體的強(qiáng)度和耐久性。學(xué)生采用了兩種連接方法：一是熱熔膠連接;二是螺絲連接。

⑤外觀優(yōu)化。通過外觀優(yōu)化提高智能垃圾桶的美觀性并賦予其一定的文化內(nèi)涵（如圖2）。

● 測試、評價(jià)和優(yōu)化

為確保設(shè)計(jì)方案可行，需要對產(chǎn)品進(jìn)行測試和評價(jià)，依據(jù)評價(jià)的結(jié)果有針對性地進(jìn)行優(yōu)化，力求使其功能越來越完善。對智能垃圾桶這一實(shí)用型產(chǎn)品的評價(jià)，選擇的首要指標(biāo)是功能性，還要兼顧可靠性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性、人機(jī)適用性、可持續(xù)發(fā)展等指標(biāo)。

為評價(jià)智能垃圾桶的功能性需要進(jìn)行的簡單技術(shù)測試有：穩(wěn)定性測試、開關(guān)蓋靈敏度及可靠性測試等。整個(gè)測試過程要模擬真實(shí)使用場景，進(jìn)行垃圾桶空置、垃圾投放、滿載垃圾等情境測試，準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，科學(xué)分析試驗(yàn)結(jié)果，為優(yōu)化打好基礎(chǔ)。垃圾桶的優(yōu)化主要從三方面考慮：功能性的優(yōu)化、美觀性的優(yōu)化、人機(jī)適用性的優(yōu)化等。

● 編寫作品說明書

技術(shù)作品說明書是設(shè)計(jì)者與使用者之間溝通的橋梁：一方面設(shè)計(jì)者能介紹產(chǎn)品的特點(diǎn)和使用方法;另一方面可以提醒使用者維護(hù)保養(yǎng)事項(xiàng)。在說明書中，要提醒使用者在使用智能垃圾桶這一設(shè)計(jì)作品時(shí)切勿在通電后手動(dòng)開關(guān)蓋，以免損壞舵機(jī)，同時(shí)還應(yīng)注意觀察提示燈以便及時(shí)充電。

在這次創(chuàng)客實(shí)踐中，學(xué)生們使用了數(shù)字化工具（包括開源硬件Arduino、三維打印、計(jì)算機(jī)），培養(yǎng)了動(dòng)手實(shí)踐的能力，在發(fā)現(xiàn)問題、制訂方案、制作原型中將自己的想法從方案變成實(shí)物，提升了創(chuàng)造思維與解決問題的綜合能力。