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人大附中西山学校:笼罩在“创客”光环下的科技人才教育

2022-06-07 08:51:10


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人大附中西山学校于09年建校,建校之初学校领导就非常重视科技教育,从一开始就规划了金工、木工、机器人等共六个专业教室用于科技教育。


科技教育体系


科技教育课程体系中主要分为必修,选修和活动竞赛。首先是课程,必修课和选修课。必修课程包括初中劳动技术课和高中通用技术课。另外在必修课程之外有选修课,如机器人设计制作、航模制作、创意设计与制作等选修课程。在这个学期又新开了模拟飞行课程,学生通过这个选修课可以学习使用软件模拟驾驶飞机的方法,体验飞行员的训练过程。其次是根据学生不同的爱好和特长,成立了不同的社团。现在比较活跃的是机器人社团,每周定期有活动,根据机器人竞赛项目分为若干个小组,每个小组按照目标设计学习相关知识。再者是参加竞赛。从课程、活动到竞赛,对于全部的学生都有一个技术课程教育普及,而对于有兴趣或特长的学生,则能够参加到社团活动和各项竞赛中,能够获得上升的通道。


初中劳动技术课程目前开设了木工课、金工课和电子技术课,木工在初中开设一年,金工和电子技术课在初二每门课开设一学期。机器人设计制作、创意设计制作等选修课程每学期都有开设,学生根据自身情况自由选择。竞赛主要参加FLL和FTC两个机器人竞赛,FLL项目开展很成熟,从学校成立开始就在参与。FTC则是2011年才引进国内,西山学校也是从2011年的时候第一次在北京参加比赛,到现在四五年的时间,积累了许多经验,并于2013年取得了北京市FTC比赛冠军。


工欲善其事,必先利其器




说到科技教育中不可缺少的金工课和木工课时,修金鹏老师说到,在这些基础课程中用到工具,需要培养学生规范操作的安全意识,无论是金工课还是电子课,不仅要提前把设备调设到位,还需要在制作过程中要求学生遵守设备使用规定和要求。学生的创造力是非常强大的,如果只是给出一个模板,照着去做,可能不会产生太大兴趣,学生们还是十分迫切的期望将自己的想象力发挥出来。修老师在实际的项目中,多是给出一个自由度很高的主题,让学生根据自己的想象力去完成。比如一个叫钟表设计的专题,只是提供给学生电子表表芯、表针等通用零件,而学生则需要用木板和其它材料在保证美观和结构合理的情况下自行设计外壳和表盘,这时通过发挥自己的想象力,做出来的东西风格各异,也是充满了奇思妙想。


这类主题课程的设置通常是把工具的使用放在前面,获得基本工具的使用技能后,学期末的主题制作才能够发挥的得心应手。在主题创作过程中,老师的工作主要是判断学生设计发难的可行性,同学生一起进行验证讨论,虽然有些学生的想法非常好,但囿于现场设备和技术开发的难度等,很多未必能够实现,这时老师需要进行提醒,给出一些修改建议,在制作过程中给一些必要的指导。


机器人教育下的学生个人能力培养




机器人课程是以乐高机器人为载体开设的选修课,主要是讲授简单的机械结构和程序编写,初一入学没有任何基础的学生可以借此对机器人有一个初步的认识。机器人社团和竞赛则是面向有一定经验的学生,目前主要参加FIRST系列的机器人竞赛,包括FLL竞赛和FTC竞赛。FTC竞赛项目在2013年代表北京市参加了在美国圣路易斯举办的全球总决赛。在刚刚过去的这个赛季,西山学校又获得了北京市冠军,同时在华北赛和全国赛中两次斩获了PTC设计奖。





机器人比赛中学生自己设计的队服和队徽



学生自己拍摄制作的2015FTC宣传视频


整个比赛不单单要完成机器人的结构搭建、程序的编写,还要建立队伍文化,比如说队旗、队服、队徽的设计等,同时还需要进行活动宣传,撰写工程日志,详细记录整个机器人比赛中遇到的一些问题及解决办法,技术细节和创新点等。此外,在比赛中,还需要向评委展示所有的这些工作进行答辩。同时在比赛进行过程中,要不断的联络队友,调查对手实力做出针对性的策略,还需要做到根据场上的形势做出判断及时调整策略。


整个比赛是对个人和团队能力一个非常综合的考量和培养。


单纯从技术角度来讲,比赛包括硬件和软件两个方面,硬件主要包括电子电路、传感器、控制器、运动机构,机器人结构等知识;软件主要是程序编写、优化等。除此之外,队员还需要掌握常用工具的使用、安全操作规范等等。



机器人小组成员制作的练习机器人


能取得如此好的成绩,关键在于学校对机器人教育非常重视,为老师提供了一个非常宽松的环境,而没有诸如必须拿到某某优秀成绩的硬性指标,为更好的发挥创造力提供了必不可少的环境。作为衡量机器人教育成果的最佳标准应该是学生自己的成长,从刚入学时没有任何基础到最后离开机器人小组时已经掌握了很多知识取得了很多成就,甚至突破了自身潜能。无论对于学生还是学校来说,这些才是最为重要的。


大学课程在中学中的应用


在大学中经常用到的科研工具LabVIEW其实已经在修老师的机器人小组中得到了实际应用。LabVIEW支持在机器人比赛平台--乐高的NXT控制器中使用,其最大的优点是图形化,对于初中生来说更容易接受和理解,这款软件封装了很多底层驱动,开发方便容易上手。LabVIEW同时也是一款工业软件,在大学实验室中和工厂生产中均会用到,用途十分广泛。在学习和使用过程中同样会遇到不少大学中的数学问题,诸如,如何无限正对靠近某个信标,如何消除误差,如何使用PID方式进行整定,而这已经涉及到大学机电中的PID算法控制,但对于极少数感兴趣的学生,还是能够完成的。


除了使用程序编写软件LabVIEW,还有一个很重要的软件--Creo,它可以用来设计机器人结构,进行虚拟建模。PTC公司作为FTC一个大赞助商,为参赛队伍提供了Creo免费的教育版软件,这款软件可以做非常多的事情,一方面可以设计机器人零件,对于一些不太受力的结构件或者一些功能零件,可以设计出零件模型,然后用3D打印机打印出来。另外最重要的是提供了机器人比赛所用的标准件零件库,可以通过装配的方式把这些零件按照设想搭建,并通过软件进行仿真,对机器人的功能进行验证,同时进行测量以确定机器人的尺寸是否合格。同时还可以通过软件仿真,模拟出机器人的各种运动轨迹以及受力分析。进一步验证机器人的功能,是不是能够满足比赛的需求。如果满足需求,就可以直接生成搭建图,根据图纸进行搭建。设计过程需要几天的时间反复修改、仿真、验证,但是实际进行搭建时,一旦确定方案后,根据图纸即可很快的实现,省去了很多实际验证的过程,当然在调试过程中也会有所调整,但工作量小了很多。


从兴趣出发从中收获愉悦与成就是创客精神所在


其实创客最重要的是通过实践把头脑中的想法变为现实。做一个简单的书架,或者一个简易台灯,可能没有太多的科技含量,在修老师看来也可以称为maker,不一定要跟机器人、无人机这类高科技设备挂上钩才是maker。但是修老师个人表示无法对创客教育下一个清晰的定义,其实之前一直从事的科技教育也可以作为创客教育的一个内涵和内容,创客教育可能除此之外,包含的更多,更强调去做、去实现、去分享,更强调的娱乐自己、个人实现。即使不具备专业的知识,但是通过3D打印机,通过在线生产的方式生产之后向他人进行分享,虽然这个过程中不会带来收益,但这是一个娱乐自己的过程。说到从创客这个概念所收获到的,最大的是把创客的理念同现在的课程做一些渗透,更强调个人在这个过程中的收获或成长,而不是单纯为了教而教,从学生个人的兴趣点出发,做自己所爱所想的事情,并从中收获愉悦与成就。这也是创客精神所在。


提到创客空间,修老师表示,西山学校也在朝这个方向努力,整在筹划建立创客社团,学生以志愿者的方式参与到学校实验室的全天开放工作中,把学校健全的实验室充分利用起来,让对创客感兴趣的学生在业余时间能有更多的机会参与,但是涉及到机械设备及工具的管理使用,对于尚未成年的中学生来说,可能还需要进一步地建立规范机制,防止危险发生。


创客教育之路漫漫其修远兮,吾将上下而求索,希望修老师计划中的创客社团能够顺利成立,为全国的创客教育做一个示范!


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