创客教学案例实例：改造民居大门
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编者按
创客活动的设计不仅是用创客的方法培养学生，也是一个让学生关注社区生活的机会。本创客案例以改造民居大门为主题，用乐高结合Arduino的方法制作一个民居大门的原型，培养学生在生活中寻找创客学习的机会。
本文原载于《中国科技教育》2017年第4期“专题”栏目，作者王文韬、陈染，有删减。
在老式民居建筑上，门的外观和功能几千年来几乎没有发生太大的变化，我们如何改造这些老旧民居建筑的大门，让民居变得更加安全，同时又尽量减少对民居建筑自身结构的破坏，这是本课程的主题。在课程中，我们将用乐高零件和纸模模拟一个民居建筑的大门，用Arduino和传感器控制，制作一个原型，实现民居建筑的安防自动化。
教案整体内容框架
“改造民居大门”是一个以Arduino和乐高作为知识载体的创客教学案例。它面向初中到高中，为有一定Arduino知识基础和乐高搭建结构基础的学生设计。学生通过课程能够进一步掌握自动门的设计和制作，运用传感器改善民居的安防效果。在学习中综合运用科学、技术、工程、艺术和数学相关知识，对民居大门进行改造。本课程由2部分组成：
明确工程问题
解决工程问题
课程教学目标
本课程的教学目标可以分为科学、技术、工程、艺术和数学5个部分。
科学（S）
S1：认识所需用到的Arduino元件的基本原理
技术（T）
T1：认识民居大门的基本结构
T2：掌握乐高的搭建及Arduino的使用技巧
T3：认识选择制作民居大门合适的Arduino元件
工程（E）
E1：能够绘制电路图和设计图
E2：能够根据项目要求，使用相关技术设计并制作
艺术（A）
A1：培养对民居建筑的审美
A2：培养学生对于社会现象的关注习惯
A3：使用图表表达制作过程与设计理念
数学（M）
M1：设计解决方案中所遇到的具体数学问题
课程活动
活动1 明确工程问题
活动目标
了解用户需求，明确设计需求
认识民居建筑，培养设计理念
掌握技术要点，表达设计方案
材料准备
中国各地民居建筑的大门图片若干
本土民居建筑大门照片及细节图片若干
现代建筑中大门安防的图片若干
模拟价目表
学生学习单
活动过程
话题引入
在这个环节中，教师通过展示民居建筑大门的图片，培养学生对于民居建筑的审美，为学生理解后面的设计需求做好铺垫。
发现民居建筑 在中国各地的民居建筑中，有各种各样的门，它们有什么共同的特点，又有什么差异。可以通过回答的方式，让学生尝试对门的类型进行归类。
关注当地民居建筑 教师展示多张当地建筑大门的照片，让学生感受当地建筑门的特点。通过提问的方式，学生表达对于民居建筑的感受。
了解用户需求
这个环节让学生进一步了解本地民居建筑中大门的安防问题，让学生在后续的原型制作中，能够与现实工程问题中对应起来。如果条件合适，可以让学生进行实地调研，并以调研报告的形式展示出来。
通过分组讨论的方式，让学生思考民居建筑中大门存在的安全隐患问题，并作出简短的报告。在这一步中，学生可能会提出以下问题：大门结构不结实、缺乏安全度高的锁或门闩、缺乏报警装置等。在进行报告的时候，学生可能提出的一些问题无法用乐高和Arduino结合的形式进行解决，教师需要给予引导。
挑选合适的问题，作为各组活动中明确的工程问题。
明确设计要求
在这一步中，学生了解在接下来的原型设计中需要用到Arduino和乐高的结合，并且教师给予学生设计若干约束条件，例如不得破坏门的主体结构、限制成本（不一定需要真实价格，可以制作一个模拟价目表）等。
提出解决思路
在每一组都确定了工程问题之后，用讨论的方式确定解决工程问题所需要用到的技术。
展示若干种现代门的安防方法，学生对这些方法尝试分类，并思考是否可以将这些方法运用到工程问题中。
学生通过讨论，提出解决问题的思路，并形成初步的设计方案，并向其他同学展示。学生在讨论中，需要初步明确设计中需要用到哪些材料、哪些工具，有哪些问题是已经清楚的，有哪些问题是需要进一步了解的，小组分工的内容是怎样的等方面。
明确解决方案
学生绘制设计图和线路图 学生可通过讨论的方式，确认设计图和线路图需要展现哪些元素，并确认如何绘制等具体信息。这一步可以让学生在课后解决。
学生提出制作过程中所需要的材料清单，教师进行准备。此环节可在课后进行。
活动2 解决工程问题
活动目标
应用工程技术，解决实际问题
掌握测试方法，改进设计方案
表达产品特点，了解评估方法
材料准备
每组1套乐高拼插件
每组1套大门纸模（可由学生自行设计）
按活动1最后确认的材料清单，准备相关Arduino材料
学生学习单
制作产品发布的材料
活动过程
课程回顾
回顾每一组学生的项目内容，学生通过汇报的方式，再次表达他们的设计思路，并且汇报在课后对活动1中需要进一步了解问题的认知情况。
学生领取相关材料，明确制作分工。
在教师指导下，各组学生用乐高拼插件搭建1个大门的模型，并套上纸模。
制作安防设施原型
学生根据自己的设计要求进行制作。以下用3个设计样例进行描述。
设计1. 遥控门闩
设计目的：很多民居建筑的大门具有防盗功能较好的门闩，但很多民居的门闩只能从内部锁上。运用遥控技术可以在外部遥控内部门闩的活动，让居住者可以放心离家。在后续设计中，可以将红外遥控技术换成手机app控制，更加安全。
核心元件：Arduino UNO板、舵机、红外收发模块（遥控器、红外接收模块）等。
核心技术：Arduino通过红外接收模块接收遥控器发出的红外信号，解码并检测是否与预设值相同并控制舵机旋转实现开锁与关锁功能。
设计2. 磁力感应报警装置
设计目的：民居建筑中，缺乏有效的入侵报警装置，而磁力感应报警装置可以改变这种情况。当有人推门入侵时，蜂鸣器自动鸣起，为主人发出警报。磁力感应报警装置具有隐蔽、抗干扰强的特点，入侵者难以有效阻止。
核心元件：Arduino UNO板、霍尔磁力传感器、磁铁、蜂鸣器、电阻、面包板、杜邦线等。
核心技术：霍尔磁力传感器可以检测周围磁场强度，而磁场强度数值与检测范围相关，设置合理的检测范围，判断是否有入侵者进入。
设计3. 光线传感报警装置
设计目的：在民居建筑中设计光线传感报警装置，可以用较低的价格实现有效的报警。光线传感装置的自由度更高，更适合不同门的应用。
核心元件：Arduino UNO板、光敏电阻、LED灯珠、蜂鸣器、电阻、面包板、杜邦线等。
核心技术：光敏电阻阻值随光照强度变化而变化。光照强度越高，阻值越小；照度越低，阻值越大。将光敏电阻与固定阻值的电阻串联，光敏电阻阻值变化，电阻两端分压必然发生变化，这种电压的变化可以被Arduino检测并量化，当量化的数值低于某一值时，驱动蜂鸣器报警，高于设定值时，保持蜂鸣器关闭。
LED灯珠正对光敏电阻照射时，光线照度是远强于自然光照度的，所以光敏电阻阻值会有明显变化，为防盗功能实现提供可能。
测试与改进
教师设计具体场景，测试学生的设计是否符合设计需求。
各组学生之间进行互评，并对其他小组的设计提出批评和改进意见。
学生搜集了教师和其他小组学生的意见之后，进行汇总，并根据实际情况对意见给予采纳或拒绝。
产品发布
学生将制作的产品进行包装，设计简单的产品手册。
在课堂上，学生进行产品发布会，并将产品推销给用户。
学生模拟用户，综合评估其他小组的作品，并给出自己的投标意向。
教师总结
总结本次课程中的亮点和所遇到的问题，并对学生的设计作出未来展望。
拓展与评价
在进行原型制作的课程之后，如果条件允许的话，教师可以寻找一个真实的民居大门，让学生亲自改装并进行效果测试。学生在尝试的过程中，可能会发现各种各样的问题，学生需要重新评估实际情况，改造原型，并重新进行产品设计，以满足实际需求。
该课程的评价分为科学、技术、工程、艺术、数学5个维度，对以下节点进行评价。
科学
（1）在产品发布环节中，是否能够向其他同学清楚地表述产品所用到的原理
技术
（2）在活动1引入问题中，是否能够流畅表达门的结构
（3）在产品发布环节中，是否能够做得控制流畅
工程
（4）绘制电路图和设计图是否能做到清晰准确
（5）是否能够在约束条件的限制下完成工程设计和制作
（6）在测试和改进环节，是否做出了合理的改进
（7）能否准确发现其他小组设计中存在的工程问题
艺术
（8）能否真实表现自己认识民居建筑大门之后的体验
（9）能否在发言场合用清晰准确的语言表达自己的想法
（10）产品手册是否准确，是否吸引人
（11）在团队协作活动中的表现如何
数学
（12）在明确解决方案的过程中，是否能够表达出方案所用到的数学
（13）在产品的制作和设计中，能否运用数学内容（如程序设计等）
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