《闻歌起舞的喷泉》创客教学案例的设计及思考
顾青
随着《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的颁布，“开源硬件项目设计”作为模块6被列入了选择性必修中，这意味着创客和STEM教育在国家层面的课程标准中有了自己的位置。自从“创客”一词在2015年随着“大众创业，万众创新”被写入我国的政府工作报告以后，创客教育就备受教育界的关注。因为它可以弥补当前教育和评价机制中的许多不足，是实现素质教育的有效载体，对提高学生的创新能力和科学素养，培养学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力都有着很大的推动作用。
也许有读者会问，既然创客强调“创新”，那为什么还要用课例来限定学生的创新活动呢？笔者认为，“创客教育”和“创客活动”是两个不完全等同的概念和过程。创客教育是培养能够从事创客活动的人的过程。“创客活动”强调的是创新，而“创客教育”强调创新能力和实践能力的培养。创新能力和实践能力的培养需要学习背景知识和动手模仿实践，这就需要有大量的创客教学案例被开发出来供创客教育课程使用。
笔者通过自身的创客教育实践和思考，设计了一个“广谱”的创客教学案例——《闻歌起舞的喷泉》。说“广谱”是因为它适用于不同阶段、不同知识背景、不同年龄层次的学习创客课程的学生。它“广谱”的秘密就在于其原理很简单，但是某些模块可以“缩放”，当低年级学生的知识层次还不能够达到理解某些技术细节的时候，教师可以隐去模块中的技术细节而只让学生了解模块的功能。当高年级学生具备了相应的知识背景后，可以深入研究和改进这个模块，实现局部的创新。这是一条从模仿到创新的创客成长的必经之路。
创客教学案例设计与制作
1.教学情境的设计
建构主义教学思想强调以学生为中心，强调学生要主动探索和发现知识。这里主动建构知识的过程是需要情境的。例如，笔者所在学校旁的虹桥坊商业街有一个音乐喷泉，喷泉的水柱高度会随着音乐声的高低上下起伏，犹如闻歌起舞的舞者。这就是一个很好的情境素材。于是笔者引导学生考虑这个水柱高度随音乐起伏的效果是如何实现的。虽然其原有技术复杂，很难完全仿制，但是可以鼓励学生尝试运用已经掌握的知识，使用各种开源硬件和软件达到类似的效果。
2.硬件搭建与连接
（1）背景知识
建构主义教学思想提倡学生用已有的知识背景、实践经验以及认知结构去主动建构知识，所以补充必要的背景知识很重要，这是学生“建构”知识的原料。而就本课例而言，喷出的水柱高度和声音的大小有关，那么首先会想到的是声音传感器，最常见的就是驻极话筒。
驻极话筒里面的结构比较复杂，姑且认为它是一個电阻随声音变化的滑动变阻器。滑动变阻器是初中物理的知识，这个知识现在就成了“建构”的原料。那么怎么用一个电阻随声音变化的“变阻器”去实现控制电压的高低变化，最终实现控制喷泉水柱高度呢？这就是设计给学生建构的内容了，让学生主动地创新实践，用已有的知识去解决问题。
滑动变阻器和电阻串联分压是初中物理的知识，学生通过知识建构能想到用驻极话筒和一个电阻串联这个方法。只要把驻极话筒与10K电阻串联加在电源两端（如图1），当声音有变化的时候，这个电路里的总电阻会变化，总电流就会变化，A点的电位也会变化。当然变化很小，我们需要放大。不过，三极管的放大作用超出了中学生的知识范围，可以让学生简单了解这个电路的功能，然后把这个放大后的信号送进Arduino主控板进行运算，最后去控制电机输入功率，达到让喷泉水柱随着音乐声的高低改变高度的目的（如图2）。
（2）实践与制作
①首先把驻极话筒与10K电阻串联加在电源两端，A点电位会随着声音变化而变化。用0.1UF的电容与三极管放大电路耦合，去除直流分量。放大后的信号通过10UF的电容耦合输出。然后把这个信号输入到Arduino的单片机A0口。Arduino是学生再熟悉不过的主控板了，Arduino的模拟输入口可以把0～5V间的电压映射成0～1023之间的整数。而脉宽调制输出是0～255之间的数字，只要把0～1023间的数字用算法映射成0～255然后PWM输出，放大后驱动水泵电机就可以实现对水柱高度的控制了。
②因为笔者使用的板子上集成了放大电路，可以直接输出驱动水泵电机。如果是标准的Arduino主控板需要用到L298N电机驱动模块。把带有PWM输出功能的D10口接到L298N电机驱动模块的一个数字输入口，水泵接到L298N模块相应的输出端口和GND上就可以了（如图3）。
③最后，喷泉还需要一个喷口和底座。笔者运用3D建模和打印技术设计制作了一个喷口和底座的组合体（如下页图4、图5）。3D建模设计需要学生具备必要的立体几何知识和一定的空间想象能力。这又必然要用到高中的数学知识，学生可以运用立体几何知识和空间想象力，设计并且打印出个性化的喷泉的喷口和底座。
3.编程与测试
硬件搭建和连接只是完成了作品的“躯体”，还需要有程序这个“灵魂”才可以工作，才可以达到创客作品的设计效果。学生可以用自己掌握的算法知识和电路知识，用Arduino的IDE开发工具或者其他图形化编程工具编写程序。程序编写同样可以充满个性化和创新，参考程序如图6所示。
写好程序以后，把代码烧录到Arduino主控板。把水泵放在水盆外，将进水管口放进水盆，出水管口接到打印好的喷泉底座上，底座也放在水盆里，让喷泉水实现循环。把播放音乐的音箱放在驻极话筒附近，就可以看到水柱随着声音变化有了高低起伏的效果。当然，这只是一个基本款的音乐喷泉，教师可以鼓励学生在这个基础上进行二次创新。
拓展与二次创新
指导学生进行二次创新之前，教师需要先准备好几个新颖的创意，但是不要过早提供给学生，要给学生思考的空间和机会，这样更符合创客教育的理念和课程目标。笔者准备了几个供学生参考的拓展创意，如可以改变程序，使用不同的算法，让水柱呈现出别的效果，也可以多使用几个水泵，几个水柱配合让表演更精彩。还可以用声音输入来控制灯光，让灯光的色彩随着声音变化而改变，如声音热烈的时候更红、平淡的时候变蓝或者灯柱长短变化等。此外，还能在3D打印的喷口上做文章，改变喷口形状让喷泉喷出不同样式的水柱。
本案例是为高中学生量身定做的，但是由于创意思想并不复杂，所以通过对细节的封装也同样适合低年龄段的学生使用。例如，可以把声音的拾取和放大电路封装成一个简单的音量传感器，把Arduino的编程用图形化的Scratch编程来代替，这样，本案例就可以作为低年级学生的创客案例使用了。低年级学生同样可以在他们的认知结构和知识背景范围内发挥创新能力，创造出属于他们的创客作品。
案例设计的思考
本案例把学生身边的事物“音乐喷泉”用创客常用的一些开源硬件模拟出来并加以改进、创新，在这个过程中需要用到数学、物理、信息技术等多个学科的知识，既提高了学生整合学科知识解决实际问题的能力，又培养了他们的科学精神和创新意识，同时还锻炼了他们动手实践的能力，这正是目前备受关注的STEM教育的核心理念。此外，通过创客实践过程，学生会发现他们平时学习的数学、物理、信息技术等学科知识的现实意义，这也会促使他们更积极地学习相关的学科知识，进入到“学以致用，以用促学”的良性循环中。这符合建构主义的以学生为中心、以知识建构为途径的教育思想，在当前强调素质教育和学科整合的大背景下具有积极的现实意义。
