張超
一、活動背景
抗疫防病毒期間,洗手成為人們日常生活中的高頻活動。本次活動以公共場所洗手問題為出發(fā)點,開展貼近生活的探究活動。
公共場所常用的洗手液大多是擠壓式,通過實驗發(fā)現,使用擠壓式洗手液時,會有病毒殘留的風險。引導學生設計一款無接觸式洗手裝置,既讓學生鞏固防疫知識,養(yǎng)成良好衛(wèi)生習慣,又能培養(yǎng)學生的探索能力,提高其邏輯思維能力與動手能力。引導學生在學習科學文化知識的同時,培養(yǎng)為人民奉獻自己微薄之力的責任感和使命感。
二、方案設計
本次活動是少年宮線上線下相結合的實踐活動,活動對象均是來自北京市各城區(qū)的中小學生,年齡在10-14歲(學齡四年級至八年級)。活動每次參與人數為12人?;顒犹骄績热葚S富,采取小組合作學習方式。學生缺乏對機械設計的經驗,搭建中遇到的問題和挑戰(zhàn)很大程度是因為沒有足夠知識儲備。線上授課幫助學生進行知識接軌、遷移、深化和綜合。教師帶領復習相關知識,設計搭建參考手冊提供類似模型。學生在編程和制作過程中會出現不嚴謹的問題,需要鼓勵學生自主檢查,不斷測試改進完善,降低對教師的依賴,從而培養(yǎng)精益求精的工匠精神。
三、活動目標
體會在日常生活中觀察問題,利用調查問卷發(fā)現問題,分析導致其現狀的因素,以小組為單位制定機器人解決方案。學會細致深入地觀察,養(yǎng)成嚴謹的科學思維、求實的探究態(tài)度。
借助網絡和虛擬軟件學習減速增力機構的設計。以小組為單位進行團隊協(xié)作,通過調查分析實驗,制作無接觸洗手裝置,提升創(chuàng)新思維、問題解決能力和工程技術素養(yǎng)。
在銜接實際、設計建構、反思完善、提高延續(xù)四個活動環(huán)節(jié)中學會與人合作探究,享受分工合作的樂趣,養(yǎng)成勤動腦、勤動手的好習慣。遇到困難和問題嘗試去解決,對機器人模型不斷改裝、調試、修正。在探索中磨煉毅力,獲得發(fā)自內心的快樂,初步養(yǎng)成從事科技探究活動的積極態(tài)度。
四、活動重點、難點、創(chuàng)新點
重點:以機器人抗疫為主題,鼓勵學生觀察生活,從周邊生活中發(fā)現問題,搭建無接觸式洗手裝置,同時學習正確的洗手方法,養(yǎng)成勤洗手的衛(wèi)生習慣。
難點:減速增力的裝置設計,按壓結構的設計。
創(chuàng)新點:活動采取線下線上結合形式,包括線上機器人技術小講堂,線上問卷設計,線下機器人搭建,線下機器人創(chuàng)意展示。既有知識的學習,如機器人結構設計分析,又有動手能力的培養(yǎng)。有探究、有討論、有質疑、有感悟。
五、活動過程和步驟
(一)活動準備
確定活動主題,明確任務,教師進行知識技能準備,準備相關器材和軟件。撰寫活動方案,發(fā)布活動通知。學生搜集資料,進行調查研究設計,分析問題,進行設計構思,繪制設計草圖。
(二)活動實施
1.進行線上教學,創(chuàng)設生活情境,提出問題,簡單介紹LDD虛擬軟件。
2.線上參觀中國數字科技館,學習正確的洗手知識,對活動解決的問題有初步認識。學生通過觀看視頻,得知在疫情防控常態(tài)化時期,要做到戴口罩以及勤洗手。接著探討問題:使用擠壓式洗手液會不會傳染病毒?用熒光原料模擬病毒,使用小暗箱觀察實驗效果,實驗結論是擠壓的手套上沾有熒光原料;得出實驗猜想:使用擠壓式洗手液有可能傳染病毒。分析問題,確立任務及裝置評價標準。學生利用微信制作問卷,進行調查。
全班同學分析調查結果:人們因為趕時間、水溫低、手動接觸開關有交叉感染風險、不喜歡用公用肥皂等情況選擇不洗手。針對此問題展開討論,思考如何解決這個問題,由此引出可以制作一個無接觸洗手裝置。
3.明確項目任務:設計無接觸洗手裝置。討論出評價作品的三個指標:避免交叉感染;防水不漏電;擠壓出適量的洗手液。
搜集資料調查研究:學生通過互聯網搜集資料——無接觸洗手裝置模型,可采用紅外線感應控制、語音控制、超聲波控制。
創(chuàng)新思路規(guī)劃設計,采用視頻會議的方式,基于前期的研究,讓學生進行頭腦風暴:制作無接觸洗手裝置應考慮的要素有哪些?經過討論,確定了如下問題:裝置采用哪些結構?怎樣控制出液不浪費?怎樣接收需要洗手液的信號?能否加入計時功能、提醒洗手的功能?
對上述問題討論出結果后,明確方案,繪制設計圖。學生基于對設計的構思,將自己的創(chuàng)意用繪圖的方式表達出來。
4.線下復課返回機器人教室,利用樂高EV3機器人,圍繞動手實踐親手設計制作。學生利用軟件設計的圖紙進行分享,并就方案可行性、合理性進行優(yōu)化。
學生復習超聲波和顏色傳感器的特性,選擇感知手的傳感器(顏色或超聲波)。搭建底座,連接固定控制器、電機、傳感器等元器件。搭建框架固定瓶裝洗手液。搭建減速增力裝置,蝸桿或齒輪減速。搭建擠壓洗手液的機械臂,使用滑軌或曲柄等機構。根據要求,當手伸到出液口時,機器人識別到手,流出劑量適中的洗手液,編寫程序,下載程序,控制機器人進行感知、判斷和行動。根據機器人運行程序的效果調整,同時實時填寫工程日志,記錄研究過程。完成制作后,錄制創(chuàng)意展示視頻,介紹作品,實測作品,說出自己參與的感受。
(三)預期效果與呈現方式
搭建無接觸式洗手裝置,學習正確洗手方式,倡導中小學生勤洗手,守護健康。組員們通過完成本組的分配任務,從而學到知識、學會工具的使用,用數據描述現象,在分享中體會成就感。
初步構建對工程設計研究的認識。經歷前期研究、設計方案、制作模型、測試改進、展示交流、項目拓展等環(huán)節(jié),親歷無接觸洗手裝置的設計及制作的全過程,有效地促進了技術意識、工程思維、創(chuàng)新意識、圖樣表達、物化能力等工程技術素養(yǎng)的形成與發(fā)展。通過問卷調查,查閱資料、線上討論、線下組裝,讓學生在學習簡單機械、智能機器人基礎上,進行繪制設計圖以及制作模型,并通過微信進行交流、討論以及展示評價。
六、活動評價
(一)學生自評
前期研究環(huán)節(jié)中,能清晰地意識到問題,對接下來的研究也有初步的設想及規(guī)劃,利用軟件設計出圖紙。利用各種手段查閱資料,并對資料進行整理歸納。提出設計方案并繪制設計草圖,例如模型可以做到避免交叉感染,可拆卸更換洗手液,結構穩(wěn)固不傾覆,環(huán)保節(jié)約,不浪費洗手液。
交流討論環(huán)節(jié)中,專心參與,積極探討,問題有分析記錄、有解決方案,表達邏輯清晰,問題描述準確。制作機器人模型過程中,任務分工有計劃、有討論,有分工記錄且分工合理。按時按量完成任務,小組合作氛圍融洽。遇到問題和困難及時記錄、提問、調整、修改。展示交流環(huán)節(jié)中,對成功或者失敗加以總結。通過錄制微課小視頻或制作海報等手段對守護健康的衛(wèi)生行為進行宣傳。
(二)教師評價
對學生制作的調查問卷進行量表評價,檢測學生對問卷調查法的認識,以及發(fā)現、研究問題的能力。評價量規(guī):制定調查問卷的規(guī)范性,問題的設計數量合理,邏輯正確。收集問卷的數量不少于10份。對收集的數據進行分析,總結導致其現狀的因素。
對學生在活動中的參與度、態(tài)度、積極性展開診斷性評價,進行觀察訪談記錄,辨別造成學生學習困難的原因。遇到困難和問題是否嘗試去解決,能否嚴謹思考問題,對機器人模型不斷改裝、調試、修正。
對學生在活動中的分工合作進行形成性評價,以口頭方式鼓勵。參與學生的討論,帶領學生制定機器人解決方案和小組分工方案。鼓勵學生分享學習成果,提醒學生制作中的問題并嘗試記錄解決等。
對學生本次活動的最終作品進行成果性分析評價。評價量規(guī):實現無接觸供給洗手液,傳感器對手的感應精準,底座牢固穩(wěn)定、材料用量合理,裝置大小合理。編寫程序規(guī)范嚴謹。洗手液便于更換,機械傳動結構選取正確,機械動作準確度高,擠出洗手液的劑量適中。
(三)社會性評價
學生將錄制的微課視頻發(fā)到朋友圈,進行成果展示評價。開展作品投票功能,票數最高的為最佳人氣作品。選出最具創(chuàng)意作品和最佳人氣作品,作為學生學習成績的一部分。