电路设计成就生活创想

  随着科技的快速的提升，大数据、人工智能、物联网技术和实体经济高度融合，面向未来的创客教育显得很重要。为此，我们开设了以物联网技术为基础的STEAM课程。

  本节课以展示作品、展示设计为载体，以物理电路设计为主线，围绕三件项目作品——医院呼叫系统、抢答器、楼道灯展开。在构思本节课时，我一直在思考怎么样将物理中的电路设计与生活中的应用联系起来？采用课本上的一些素材，如医院呼叫系统电路设计，先将这一个项目布置给学生，在此之前他们还没有学习电路连接的基本知识。通过上网查资料、当地考验查证以及借助传感器和编程技术，学生完成了作品——内部呼叫系统，并将这套控制管理系统安装到自己搭建的病房和护士站中进行模拟测试。

  师：在放假期间，我布置给各小组相关任务，要求运用传感器、编程等技术制作一件作品。今天，我们举行一场作品发布会，活动将围绕你们的三件作品展开，并且要做一名电路设计师，借助所学的电路知识，一起来设计生活中经常能接触到的简单电路。

  （场景1）：在病房里，当病人输液瓶中的药液快输完了，而护士却不在身边，这时病人按下床边的按钮，护士招之即来，有请第一组展示他们带来的作品——医院呼叫系统。

  主创1：我们组设计的医院呼叫系统，当一号病床按下按钮，护士站蜂鸣器响，数码管显示1；当二号病床按下开关，护士站蜂鸣器响，数码管显示2。这样，就解决了护士及时换药的问题。

  主创2：我们在设计一代病床呼叫系统时，用到的是“如果……那么……”这样的编程语言，一号病床和二号病床之间是并列关系。

  主创3：我们的作品还存在缺陷，这个作品只有一个数码管，当1号和2号同时呼叫时，就无法具体显示。后来，我们又制作了医院呼叫系统二代，解决了这样的一个问题，下面进行展示。

  （设计编程展示环节，主要是让学生再次体会其中的逻辑联系，这与串并联的思想是一致的）

  师：好厉害的作品，许多伟大的发明都用到这种迭代的思想。在座的各位设计师们，对这个作品你们有问题要问吗？下面我们就来设计一下这个医院呼叫系统的电路图。

  （设计互动问题）：大家为这个呼叫系统设计一个简单电路，想一想要使用到哪些电学器材？

  设计活动一：设计一张病床的呼叫电路(学生将设计电路图通过平板上传给教师)。

  师：（挑选两张）我们得知有的设计成串联，有的设计成并联，先请他们说一下这样设计的理由？

  生：我觉得并联更好，这样即使一个电器用坏了,另一个还能正常工作，因为并联电路互不影响。

  设计活动二：设计两张病床的呼叫电路图（学生将设计电路图通过平板上传给教师）。

  （视频无线个小组上传的设计电路图，教师挑选出典型的两张或三张图进行评价）

  生1：我们组设计的是一床指示灯先与电铃并联，再与病床前的开关串联，再用同样的方法接好二床，最后再并联到一个电路中。

  生2：我们组觉得要将两盏灯并联后再与电铃串联，两个开关分别与两盏灯串联。这样的设计是合理的，能节约一个电铃的成本。

  （设计互动提问的目的，一方面由简单到复杂设计电路，阶梯思考，另一方面展示头脑风暴的过程，鼓励学生勇于提出自己的观点，让不同的观点不断碰撞出智慧的火花）

  师：对于小组作品有没有进一步改善的想法，可以让作品更好地应用于实际，我们先让设计者自己评价设计的优缺点。

  主创1：我们去医院考察过现实的呼叫系统，作品还存在一些问题。比如病人呼叫时，并不清楚自己能否呼叫成功，可以在病房区再装一个指示灯；当护士到达病房时，呼叫应自动结束。

  主创2：还有一些病人由于各种病情的不同，有时不能自己呼叫，所以为了更方便病人，我们想设计一种可穿戴的呼叫系统。比如，如果病人是心脏病，当仪器检测到病人的心脏跳动异常，就会立刻启动呼叫。

  主创3：护士听到铃声都要到护士站才能看到几床呼叫，可以在走廊安装提示器，或者用移动互联技术实时发信息给护士，不管护士在什么位置都能随时接收到呼叫信号。

  师：第一组同学的设计非常棒，这个呼叫系统模型的搭建，一开始需要绘制图纸，考虑材料的选择、尺寸的大小等，你们的动手能力很强。下面有请第二组同学上台展示。

  主创2：它是由一个蜂鸣器，两个LED指示灯，还有一个红外接收器制作成的，可以用遥控器实现无线抢答。我们大家可以和大家互动一下。谁想来试试？

  （场景2）将两个抢答遥控器交给参与的学生，由一名学生发出指令，开始抢答。

  师：在设计简单电路时，怎样实现一号抢答成功后，二号无法再抢答的功能呢？以此来实现并联的两条支路交替接通。这么特别的功能，单刀开关能轻松实现吗？最好对这个开关改造一下，让它选择接通的支路工作，不接通的支路断开。单刀双掷开关就具备这样的功能，我们会采用“要么…要么…”这样的句式来做二选一的判断，谁来造个句？

  师：在抢答器电路中，两个遥控器抢的就像是我们单刀双掷开关的这把刀，谁先抢到，就倒向谁，并接通电路。请大家应用单刀双掷开关重新设计抢答器电路。每个小组用一个单刀双掷开关，两盏灯，一个蜂鸣器，一个电源，先来实现一下两盏灯交替发光的电路，并连接电路。

  （学生连接电路图，并通过分组实验连接电路，实现电路功能。视频无线投屏展示学生的电路连接并解说电路）

  师：抢答器模型让我们学会了单刀双掷开关的应用，感谢第二组同学的作品，有请下一组。

  师：这盏楼道灯需要楼上楼下两个开关来控制，这两个开关是简单的单刀开关串联或并联吗？请同学们思考怎么样用刚才学习的单刀双掷开关来实现这一功能？需要两个单刀双掷开关结合使用，试一试如何连接？我将这个电路问题留给大家课后思考……

  师：本节课，同学们展示了自己的创意设计和科技作品。我们在实践中收获创意，在创意中收获知识。通过本次活动，我们得知学好物理和学好技术都很重要，只有真正掌握了知识和技能才能造福于人们的生活，STEAM让我们大家一起创造更美好的生活。

  此项活动的整体设计流程包括：讨论选题、作品创造、作品介绍、分析讨论、掌握原理。

  第一阶段的选题定题会，为了更好的提高学生学习的主动性，激发学生的想象力，培育学生的团队意识。结合这堂课，我设定了四个项目，医院呼叫系统、抢答器、双控灯、十字路口的交通信号灯，学生分成四个大组，每个组负责研究一个项目。

  第二阶段作品创造，开展过程对于初三学生并不简单，遇到一些阻力。比如，遇到队友想要“主控”整个项目的方向，其他队友都没有很好的方法“贡献”力量的情形。又如，遇到队友“不准时”“不负责”，项目延迟等。当遇到这样一些问题，我会给予建议。为了尽最大可能避免更多问题的产生，在布置任务阶段，就要详细考虑每个方面。比如，小组分工一定要明确，有一个产品总负责人，还有产品设计师、宣传员等。

  第三阶段作品介绍，我带领学生到中国移动公司做了一次作品分享交流会，通过作品的分享，促进小组交流，欣赏他人作品，并提出问题，在交流与反思中促进提升。对于学生制作的医院呼叫系统，移动公司的产品项目负责人很感兴趣，提出要为咱们提供技术上的支持，加强完善作品。

  与此同时，我进行了教学设计：怎样将这些资源整合到一堂课中，并以学习的人为中心，教师进行辅助，多方面引导学生自发自省的能力？有了这些想法，我做了桥梁型的课程设计，以学生展示作品、展示设计两大主题内容为载体，两者看似独立实则紧密联系，利用展示作品为后面的设计电路提供模拟场景，碰到的现实问题作为发问和思考前的铺垫，通过情景引入，与现实结合。然后，通过展示设计进一步改善作品。

  整个STEAM活动并不局限于一堂课，主体恰恰是利用节假日、课间引导学生创作，在过程中关注作品的创意和深度。设计电路、作品创造，目的是鼓励学生像科学家一样思考问题，像工程师一样处理问题。在这样的观察、探究、表达、合作过程中锻炼学生的创造力、思维力，发展学生的创新精神和实践能力，使学生在积极主动的学习中乐于创造，做具有探索和创新精神的创客。