第1章 STEM课程群初始化

1.1 基于“电子慧谷”的STEM社团活动

一、电子慧谷简介

多年来，江苏省苏州市鲈乡实验小学努力通过“全方位渗透”“以生为本、多元化教学，重点突破、多层面推进”，探索符合该校实际的科技特色学校创建之路，取得了初步成效。学校2011年8月建设新荷电子智慧谷（简称“电子慧谷”），使其成为学生科学探索和发现的沃土。电子慧谷分电子产品发展版介绍区、电子百拼区、科学魔法师及高级制作体验区、创新实践展示区、CCD成像体验区、3D影音欣赏区、3D建模打印探索区、机器人教学组装区、机器人创意实践区等。学校成立相应的新荷电子科技社团及机器人社团，在培养学生电子科技兴趣的同时，提高学生的创新能力。2012年5月吴江区科协在该校举办了百名科学家进校园活动，贲德院士与鲈乡实验小学机器人制作小组学生进行了亲切的座谈，关秀清教授为鲈乡实验小学三年级师生作了“植物的王国”讲座。

二、电子慧谷活动方案

1.3D影音欣赏，体验主动式3D成像新技术

3D主动式眼镜是3D显示技术的一个重要组成部分。

主动快门式3D技术，配合主动快门式3D眼镜使用。这种3D技术在电视和投影机上面应用得很广泛，资源相对较多，而且图像效果出色，受到很多厂商推崇和采用，不过其匹配的3D眼镜价格较高。主动快门式3D技术主要是通过提高画面的刷新频率来实现3D效果的，通过把图像按帧一分为二，形成对应左眼和右眼的两组画面，连续交错显示出来。同时，红外信号发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关，使双眼能够在正确的时刻看到相应画面。这项技术能够保持画面的原始分辨率，很轻松地让用户享受到真正的全高清3D效果，而且不会造成画面亮度降低。一般情况下，3D液晶电视屏幕刷新频率必须达到120Hz以上，也就是让左、右眼均接收到频率在60Hz以上的图像，才能保证用户看到连续而不闪烁的3D图像效果。目前，包括长虹、三星等主流电视品牌推出的3D电视，都是采用主动快门式3D技术。观众通过3D眼镜的同步切换，两只眼睛看到快速切换的不同画面，并且在大脑中产生错觉，便观看到立体影像。主动快门式3D技术的优势是其3D效果逼真。

学生边听老师介绍边用主动快门式3D眼镜观赏体验《小海龟历险记》《猫狗大战》《人体血管》等3D影片。学校建设的3D影音欣赏区由3D宽屏投影和环绕音响组成，并购置了48副3D眼镜，能满足整班学生观看需要。“3D影院”把学生带入逼真的3D世界的同时，也使同学们了解到3D成像技术的知识，体验到3D影院的效果、3D影音新技术的神奇。

2.3D建模及打印，引领学生进入3D新世界

“3D打印”这一诞生于20世纪80年代的技术如今成了超前科技的代言词，迅速火便全球，美国《时代》周刊已将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”；英国《经济学人》杂志认为这项技术将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命，将3D打印技术列为第三次技术革命范畴。

美国国家增材制造创新机构（National Additive Manufacturing Innovation Institute）欲利用这种新型的高科技3D打印技术重塑美国传统的装配线制造业。如果能够直接使用3D打印技术进行工业生产，那么装配线制造业就该退出历史舞台了。正是基于这一理念，理论上来说，这种技术可以用来生产任何东西，喷气式飞机、房屋、计算机、遥控飞机、自行车等都可以直接通过3D打印机打印出来，而无须工厂来生产。

目前，3D打印使产品供应链的格局和人们的生活方式都发生了转变，且3D打印的应用范围之广让人难以置信。下面列举几项和我们生活密切相关的例子，让大家感受一下，3D打印离我们并不遥远。

●食品行业：英国埃克塞特大学研究人员2012年推出世界首台3D巧克力打印机。是的，你没有看错，研究人员已经开始尝试打印巧克力了。

●建筑设计：在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

●医疗行业：最近，一位83岁的老人因患有慢性的骨头感染，换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首例使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

3D打印技术还广泛地应用于汽车制造业、传统制造业、科学研究等领域。3D打印机可以完成很多现在看来匪夷所思的事，从某种角度来说，很多想象得到的东西，都可以通过3D打印直接得到。在未来3D打印还有可能走进千家万户，融入我们的生活，像计算机一样普及。

3D打印技术介绍完毕后，视频介绍3D打印乐器、巧克力DIY、3D沙雕创意等视频。让学生感受3D打印技术的神奇，激发其探索的欲望。

3ds Max创意建模及打印：3D Studio Max简称为3ds Max，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。该软件功能强大，我们找到其与3D打印技术的衔接点，让学生进行基本立体图形的3D建模、布尔运算（模型加减）、挤出、车削等操作，与下载的3D模型进行合并整合等，把有创新亮点的作品另存为STL格式，由3D打印机打印输出。学生全过程与计算机软件3ds Max互动，然后近距离观察自己的作品被打印成形。学生与最新3D技术的近距离接触，激发了他们探索3D科学新世界的兴趣。

3.电子积木拼接，激发学生探索电子微世界的奥秘

电子积木拼接区分电子百拼区、高级制作体验区，在电子产品展示区陈列的是一些家用电器。这些电器都是学校发动学生家长自愿捐献的，学校下发告家长书后收到500多份捐献意向表，我们选择其中的近80份陈列在这里。同学们从这些跟生活联系非常紧密的电器中可以了解近年来电子科技发展的突飞猛进。

在体验区首先播放电子积木拼接的视频（5岁儿童30秒完成一项拼接作品），消除学生对电子积木的陌生感和神秘感，增强其探索未知科技领域的信心。然后布置任务，小组比赛完成指定任务的拼接调试。最后老师结合案例讲解线路原理及电子元器件的功能，利用万用表测试三极管、二极管、电阻、电容的方法等。

4.机器人创意及实践，互动中萌发创新火花

电子慧谷的未来工程师机器工作室分教学组装区和机器人创意实践区。

学生通过PPT了解了机器人科技发展的历程后，可以分组亲身体验机器人程序的简单设计，如何让机器人实现转弯、前进、后退、遇到光亮后喷射灭火等。

程序设计结束后让学生亲身体验机器人完成预设“任务”的过程。

A项目是机器人灭火，即模拟现实家庭中机器人处理火警的过程。制作一个由计算机程序控制的机器人，在一间模拟平面结构的房间里活动，找到代表房间里火灾点的正在燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。

B项目是机器人综合技能比赛，也是中国青少年机器人竞赛项目之一。比赛时要求参加代表队在现场自行拼装机器人、编制机器人运行程序、调试和操作机器人。参赛的机器人是由程序控制的，竞赛中设置机器人综合技能比赛的目的是检验青少年对机器人技术的理解和掌握程度，激发中小学生对机器人技术的兴趣，培养动手、动脑的能力。

C项目是FLL机器人工程挑战赛，FLL（FIRST LEGO League）是1998年由FIRST机构和LEGO集团组建的一个针对9~14岁孩子的国际比赛项目。每年9月，FLL向所有的队伍公布年度挑战项目，鼓励孩子们用科学的方式去调查研究并自己动手设计机器人，在辅导员的指导下对机器人进行设计、搭建、编程，解决现实世界中的问题。自比赛开展以来，FLL已经对学生和学校产生了积极的影响（下图所示为定时、温度计设定任务完成后的照片）。

上述演示体验项目随着机器人的创意发展和设施设备的添置，在不断更新中。

电子慧谷集合了电子科技、机器人自动控制、3D模型构建打印等模块的内容，看似分散的知识技能点却可通过整合碰撞出创新的火花，如利用机器人感应一氧化碳输出端口控制光耦继电器和自动窗、排气扇实现联动，利用3ds Max设计模块进行创新实践的作品“智能性厨房排毒装置”已送省市参加创新大赛评比。电子慧谷已经成为学校培育创新种子的土壤，只要我们踏实工作，切实开展活动，不断将适合这块土壤的科技内涵根植其中，相信今后一定会结出更多的硕果。