《聞歌起舞的噴泉》創(chuàng)客教學(xué)案例的設(shè)計(jì)及思考

顧青

隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的頒布，“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”作為模塊6被列入了選擇性必修中，這意味著創(chuàng)客和STEM教育在國(guó)家層面的課程標(biāo)準(zhǔn)中有了自己的位置。自從“創(chuàng)客”一詞在2015年隨著“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”被寫(xiě)入我國(guó)的政府工作報(bào)告以后，創(chuàng)客教育就備受教育界的關(guān)注。因?yàn)樗梢詮浹a(bǔ)當(dāng)前教育和評(píng)價(jià)機(jī)制中的許多不足，是實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育的有效載體，對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力都有著很大的推動(dòng)作用。

也許有讀者會(huì)問(wèn)，既然創(chuàng)客強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)新”，那為什么還要用課例來(lái)限定學(xué)生的創(chuàng)新活動(dòng)呢？筆者認(rèn)為，“創(chuàng)客教育”和“創(chuàng)客活動(dòng)”是兩個(gè)不完全等同的概念和過(guò)程。創(chuàng)客教育是培養(yǎng)能夠從事創(chuàng)客活動(dòng)的人的過(guò)程?！皠?chuàng)客活動(dòng)”強(qiáng)調(diào)的是創(chuàng)新，而“創(chuàng)客教育”強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)需要學(xué)習(xí)背景知識(shí)和動(dòng)手模仿實(shí)踐，這就需要有大量的創(chuàng)客教學(xué)案例被開(kāi)發(fā)出來(lái)供創(chuàng)客教育課程使用。

筆者通過(guò)自身的創(chuàng)客教育實(shí)踐和思考，設(shè)計(jì)了一個(gè)“廣譜”的創(chuàng)客教學(xué)案例——《聞歌起舞的噴泉》。說(shuō)“廣譜”是因?yàn)樗m用于不同階段、不同知識(shí)背景、不同年齡層次的學(xué)習(xí)創(chuàng)客課程的學(xué)生。它“廣譜”的秘密就在于其原理很簡(jiǎn)單，但是某些模塊可以“縮放”，當(dāng)?shù)湍昙?jí)學(xué)生的知識(shí)層次還不能夠達(dá)到理解某些技術(shù)細(xì)節(jié)的時(shí)候，教師可以隱去模塊中的技術(shù)細(xì)節(jié)而只讓學(xué)生了解模塊的功能。當(dāng)高年級(jí)學(xué)生具備了相應(yīng)的知識(shí)背景后，可以深入研究和改進(jìn)這個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)局部的創(chuàng)新。這是一條從模仿到創(chuàng)新的創(chuàng)客成長(zhǎng)的必經(jīng)之路。

創(chuàng)客教學(xué)案例設(shè)計(jì)與制作

1.教學(xué)情境的設(shè)計(jì)

建構(gòu)主義教學(xué)思想強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生要主動(dòng)探索和發(fā)現(xiàn)知識(shí)。這里主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程是需要情境的。例如，筆者所在學(xué)校旁的虹橋坊商業(yè)街有一個(gè)音樂(lè)噴泉，噴泉的水柱高度會(huì)隨著音樂(lè)聲的高低上下起伏，猶如聞歌起舞的舞者。這就是一個(gè)很好的情境素材。于是筆者引導(dǎo)學(xué)生考慮這個(gè)水柱高度隨音樂(lè)起伏的效果是如何實(shí)現(xiàn)的。雖然其原有技術(shù)復(fù)雜，很難完全仿制，但是可以鼓勵(lì)學(xué)生嘗試運(yùn)用已經(jīng)掌握的知識(shí)，使用各種開(kāi)源硬件和軟件達(dá)到類似的效果。

2.硬件搭建與連接

（1）背景知識(shí)

建構(gòu)主義教學(xué)思想提倡學(xué)生用已有的知識(shí)背景、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及認(rèn)知結(jié)構(gòu)去主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，所以補(bǔ)充必要的背景知識(shí)很重要，這是學(xué)生“建構(gòu)”知識(shí)的原料。而就本課例而言，噴出的水柱高度和聲音的大小有關(guān)，那么首先會(huì)想到的是聲音傳感器，最常見(jiàn)的就是駐極話筒。

駐極話筒里面的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，姑且認(rèn)為它是一個(gè)電阻隨聲音變化的滑動(dòng)變阻器?；瑒?dòng)變阻器是初中物理的知識(shí)，這個(gè)知識(shí)現(xiàn)在就成了“建構(gòu)”的原料。那么怎么用一個(gè)電阻隨聲音變化的“變阻器”去實(shí)現(xiàn)控制電壓的高低變化，最終實(shí)現(xiàn)控制噴泉水柱高度呢？這就是設(shè)計(jì)給學(xué)生建構(gòu)的內(nèi)容了，讓學(xué)生主動(dòng)地創(chuàng)新實(shí)踐，用已有的知識(shí)去解決問(wèn)題。

滑動(dòng)變阻器和電阻串聯(lián)分壓是初中物理的知識(shí)，學(xué)生通過(guò)知識(shí)建構(gòu)能想到用駐極話筒和一個(gè)電阻串聯(lián)這個(gè)方法。只要把駐極話筒與10K電阻串聯(lián)加在電源兩端（如圖1），當(dāng)聲音有變化的時(shí)候，這個(gè)電路里的總電阻會(huì)變化，總電流就會(huì)變化，A點(diǎn)的電位也會(huì)變化。當(dāng)然變化很小，我們需要放大。不過(guò)，三極管的放大作用超出了中學(xué)生的知識(shí)范圍，可以讓學(xué)生簡(jiǎn)單了解這個(gè)電路的功能，然后把這個(gè)放大后的信號(hào)送進(jìn)Arduino主控板進(jìn)行運(yùn)算，最后去控制電機(jī)輸入功率，達(dá)到讓噴泉水柱隨著音樂(lè)聲的高低改變高度的目的（如圖2）。

（2）實(shí)踐與制作

①首先把駐極話筒與10K電阻串聯(lián)加在電源兩端，A點(diǎn)電位會(huì)隨著聲音變化而變化。用0.1UF的電容與三極管放大電路耦合，去除直流分量。放大后的信號(hào)通過(guò)10UF的電容耦合輸出。然后把這個(gè)信號(hào)輸入到Arduino的單片機(jī)A0口。Arduino是學(xué)生再熟悉不過(guò)的主控板了，Arduino的模擬輸入口可以把0～5V間的電壓映射成0～1023之間的整數(shù)。而脈寬調(diào)制輸出是0～255之間的數(shù)字，只要把0～1023間的數(shù)字用算法映射成0～255然后PWM輸出，放大后驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水柱高度的控制了。

②因?yàn)楣P者使用的板子上集成了放大電路，可以直接輸出驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)。如果是標(biāo)準(zhǔn)的Arduino主控板需要用到L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。把帶有PWM輸出功能的D10口接到L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)數(shù)字輸入口，水泵接到L298N模塊相應(yīng)的輸出端口和GND上就可以了（如圖3）。

③最后，噴泉還需要一個(gè)噴口和底座。筆者運(yùn)用3D建模和打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)噴口和底座的組合體（如下頁(yè)圖4、圖5）。3D建模設(shè)計(jì)需要學(xué)生具備必要的立體幾何知識(shí)和一定的空間想象能力。這又必然要用到高中的數(shù)學(xué)知識(shí)，學(xué)生可以運(yùn)用立體幾何知識(shí)和空間想象力，設(shè)計(jì)并且打印出個(gè)性化的噴泉的噴口和底座。

3.編程與測(cè)試

硬件搭建和連接只是完成了作品的“軀體”，還需要有程序這個(gè)“靈魂”才可以工作，才可以達(dá)到創(chuàng)客作品的設(shè)計(jì)效果。學(xué)生可以用自己掌握的算法知識(shí)和電路知識(shí)，用Arduino的IDE開(kāi)發(fā)工具或者其他圖形化編程工具編寫(xiě)程序。程序編寫(xiě)同樣可以充滿個(gè)性化和創(chuàng)新，參考程序如圖6所示。

寫(xiě)好程序以后，把代碼燒錄到Arduino主控板。把水泵放在水盆外，將進(jìn)水管口放進(jìn)水盆，出水管口接到打印好的噴泉底座上，底座也放在水盆里，讓噴泉水實(shí)現(xiàn)循環(huán)。把播放音樂(lè)的音箱放在駐極話筒附近，就可以看到水柱隨著聲音變化有了高低起伏的效果。當(dāng)然，這只是一個(gè)基本款的音樂(lè)噴泉，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新。

拓展與二次創(chuàng)新

指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行二次創(chuàng)新之前，教師需要先準(zhǔn)備好幾個(gè)新穎的創(chuàng)意，但是不要過(guò)早提供給學(xué)生，要給學(xué)生思考的空間和機(jī)會(huì)，這樣更符合創(chuàng)客教育的理念和課程目標(biāo)。筆者準(zhǔn)備了幾個(gè)供學(xué)生參考的拓展創(chuàng)意，如可以改變程序，使用不同的算法，讓水柱呈現(xiàn)出別的效果，也可以多使用幾個(gè)水泵，幾個(gè)水柱配合讓表演更精彩。還可以用聲音輸入來(lái)控制燈光，讓燈光的色彩隨著聲音變化而改變，如聲音熱烈的時(shí)候更紅、平淡的時(shí)候變藍(lán)或者燈柱長(zhǎng)短變化等。此外，還能在3D打印的噴口上做文章，改變噴口形狀讓噴泉噴出不同樣式的水柱。

本案例是為高中學(xué)生量身定做的，但是由于創(chuàng)意思想并不復(fù)雜，所以通過(guò)對(duì)細(xì)節(jié)的封裝也同樣適合低年齡段的學(xué)生使用。例如，可以把聲音的拾取和放大電路封裝成一個(gè)簡(jiǎn)單的音量傳感器，把Arduino的編程用圖形化的Scratch編程來(lái)代替，這樣，本案例就可以作為低年級(jí)學(xué)生的創(chuàng)客案例使用了。低年級(jí)學(xué)生同樣可以在他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和知識(shí)背景范圍內(nèi)發(fā)揮創(chuàng)新能力，創(chuàng)造出屬于他們的創(chuàng)客作品。

案例設(shè)計(jì)的思考

本案例把學(xué)生身邊的事物“音樂(lè)噴泉”用創(chuàng)客常用的一些開(kāi)源硬件模擬出來(lái)并加以改進(jìn)、創(chuàng)新，在這個(gè)過(guò)程中需要用到數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，既提高了學(xué)生整合學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，又培養(yǎng)了他們的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)還鍛煉了他們動(dòng)手實(shí)踐的能力，這正是目前備受關(guān)注的STEM教育的核心理念。此外，通過(guò)創(chuàng)客實(shí)踐過(guò)程，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)他們平時(shí)學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等學(xué)科知識(shí)的現(xiàn)實(shí)意義，這也會(huì)促使他們更積極地學(xué)習(xí)相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，進(jìn)入到“學(xué)以致用，以用促學(xué)”的良性循環(huán)中。這符合建構(gòu)主義的以學(xué)生為中心、以知識(shí)建構(gòu)為途徑的教育思想，在當(dāng)前強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育和學(xué)科整合的大背景下具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。