馬良 楊芳

創(chuàng)客教育就是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學科解決問題的能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育，其包括幾個核心要素：倡導(dǎo)以數(shù)字化工具作為創(chuàng)客教育基礎(chǔ);鼓勵動手實踐，發(fā)現(xiàn)問題、探索問題并解決問題;項目制學習方式，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，筆者以實踐性為原則，考慮到高中學生的特點以及項目的可操作性，以智能垃圾桶項目為載體開展了創(chuàng)客教育探索與實踐。

● 項目緣起

日常生活中大多數(shù)家庭使用的是傳統(tǒng)垃圾桶，很多家庭選擇價格低廉材料不可回收的簡易垃圾桶，價格在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)，以及自動開關(guān)蓋的設(shè)計，價格在59～189元之間，因價格略高，性能還不夠可靠等，很多家庭沒有選擇。我們設(shè)想基于學生的能力水平，以智能垃圾桶項目為載體開展創(chuàng)客教育實踐，力圖設(shè)計出功能更加可靠、價格更加親民的智能垃圾桶，更重要的是借助這個項目培養(yǎng)學生的創(chuàng)造思維與解決問題的綜合能力。

● 確定設(shè)計方案

筆者首先建議學生進行信息收集和分析，通過多家購物平臺中的智能垃圾桶進行篩選、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)、價格等進行匯總，然后組織學生進行了問卷調(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”（主要是開關(guān)蓋的智能性和靈敏性），老年人因為身體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，學生進行了充分的討論，結(jié)合已經(jīng)接觸和學習的Arduino智能硬件，明確了設(shè)計的方向：選擇合適的傳感器，借助智能硬件對傳統(tǒng)垃圾桶進行改造。

構(gòu)思方案的過程中產(chǎn)生的設(shè)計想法常常是模糊的，為了使其具體化，學生用草圖把它們轉(zhuǎn)化為視覺形象。當多個設(shè)計方案產(chǎn)生之后，筆者依據(jù)設(shè)計的一般原則（①實用性：是否能智能開關(guān)蓋，該開時開，該關(guān)時關(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)濟性：與現(xiàn)有產(chǎn)品相比是否具有市場潛力和經(jīng)濟效益）對方案進行篩選，最終確定兩個方案：①衛(wèi)生間用智能垃圾桶。窄身設(shè)計占用空間少，符合衛(wèi)生間的特點，自動開關(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，學生設(shè)計了不用任何觸發(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)過時不會觸發(fā)開蓋，真正做到了該開時打開，不該開時保持關(guān)閉狀態(tài)。

● 原型制作

原型制作是個難點，學生之前的動手機會較少，欠缺經(jīng)驗，需要教師多一點指導(dǎo)。學生根據(jù)之前的信息收集匯總，選購了傳統(tǒng)手動開關(guān)蓋垃圾桶，以它為基礎(chǔ)進行智能化改造。

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

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直接影響其重心位置，還要兼顧電池的防水要求;第二，自動開蓋的實現(xiàn)方式?jīng)Q定了舵機的安放位置，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起來，以免損壞。

③連桿機構(gòu)設(shè)計。利用舵機開關(guān)蓋子是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點，學生首先使用硬紙殼進行了多次模擬試驗，確定其基本樣態(tài)后借助3D打印機制作出了合適的連桿機構(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度和耐久性。學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、評價和優(yōu)化

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

為評價智能垃圾桶的功能性需要進行的簡單技術(shù)測試有：穩(wěn)定性測試、開關(guān)蓋靈敏度及可靠性測試等。整個測試過程要模擬真實使用場景，進行垃圾桶空置、垃圾投放、滿載垃圾等情境測試，準確記錄試驗數(shù)據(jù)，科學分析試驗結(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)計者與使用者之間溝通的橋梁：一方面設(shè)計者能介紹產(chǎn)品的特點和使用方法;另一方面可以提醒使用者維護保養(yǎng)事項。在說明書中，要提醒使用者在使用智能垃圾桶這一設(shè)計作品時切勿在通電后手動開關(guān)蓋，以免損壞舵機，同時還應(yīng)注意觀察提示燈以便及時充電。

在這次創(chuàng)客實踐中，學生們使用了數(shù)字化工具（包括開源硬件Arduino、三維打印、計算機），培養(yǎng)了動手實踐的能力，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物，提升了創(chuàng)造思維與解決問題的綜合能力。