一种面向STEM和Maker教育的儿童创学平台制造技术

本发明专利技术涉及一种面向STEM和Maker教育，适合基础教育阶段儿童“创新学习，学习创造”的创学型计算机平台。其特征在于，采用开源开放软硬件架构，能够实现软硬件互动学习编程功能，提高儿童的动手实践能力，为他们奇思妙想的创意和创造提供一个统一控制平台和展示舞台；儿童的学习实践、创意成果可以在平台提供的“舞台”上实现、展示和分享。该平台还有一定的变形能力，通过安装不同外部部件实现各种机器人形式，逐渐提高难度以不断满足高年级儿童的探索需求；当儿童需要交流和帮助时，可以通过平台的音视频通讯功能实现快速沟通。整个平台结构紧凑，兼顾移动性和固定使用，拥有丰富的外部接口，配合不同的舞台、外部电子模块以及底盘部件可以实现多种难易程度的实验课程、体验创造乐趣。

A STEM oriented and Maker oriented education platform for children

The invention relates to a STEM and Maker education, which is a kind of creative learning platform for children in the basic education stage. Characterized by open source software and hardware architecture, software and hardware programming can realize the interactive learning function, improve children's ability of practice, to provide a unified control platform and showcase for their whimsy and creative creation; study and practice, children's creative achievements can be in the platform to provide a \stage\, and realize the display share. The platform has certain deformation capacity of the robot in various forms through the installation of different external components, gradually increase the difficulty to meet the high grade children's exploration needs; when children need to communicate and help, can achieve fast communication through the platform of audio and video communication function. The platform has the advantages of compact structure, both mobility and fixed use, has rich external interface, with different stage, external electronic module and chassis components can achieve a variety of experimental courses, difficult easy degree experience to create fun.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机
，涉及一种面向STEM和Maker教育，适合基础教育阶段“创新学习，学习创造”的创学型儿童计算机平台。
技术介绍
随着STEM和MAKER教育被大家接受，越来越多的儿童智能教育产品不断涌现，简单的启蒙编程游戏可以很好地提高孩子逻辑思维能力，配合一些硬件更可以起到锻炼孩子动手能力的作用。目前儿童教育产品出现最多的是儿童编程机器人类产品，该类产品拥有新奇的外观，要求一定的动手动脑能力，价格也随着硬件功能的不同有很大的差距，从几百到几千不等，是各类STEM课程和Maker教育最常见的引进产品。但是大部分的家庭还不能够接受这类儿童高科技教育产品，主要原因在于儿童成长迅速，能力提升快，兴趣上容易喜新厌旧，导致产品的生命周期极短。机器人编程玩具一般功能有限，难以买到配件，编程也只能针对特定产品硬件本身，由于不同厂家产品的使用以及编程语言界面都不同，造成教师和儿童要不断的学习才能掌握，学习上没有一个从易到难，循序渐进的过程，一般只能吸引孩子几天或者几个月的注意力。我国政府明确要求和鼓励跨学科学习（STEM教育）、创客教育等新的教育模式，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，以培养创新型人才。目前市场上的学习机简单无编程能力，儿童平板电脑缺少扩展口无硬件编程能力，机器人编程玩具价格较贵，笔记本和台式电脑不适合儿童使用，市场上缺少一款专门为儿童打造的符合儿童持续学习和创造需要的计算机平台，学校和家庭也需要一个能覆盖儿童整个基础教育阶段的可以创新学习、动手创造、成果分享、公平竞赛的统一儿童计算机平台。
技术实现思路
本专利技术的目的是将STEM&Maker教育的理论落实到教育产品上，面向STEM和Maker教育，制作出符合中国教育国情的创学型儿童计算机平台和配套学习课程，用于基础教育阶段儿童的持续创新学习和学习创造，提高儿童的动手实践能力，为他们的奇思妙想的创意和创造提供一个统一平台和舞台。本专利技术所采用的技术方案是：儿童创学平台采用开放的开源软硬件架构，提供开放的软硬件接口，能够实现软硬件互动学习编程功能，儿童的软硬件创意成果可以在平台提供的统一“舞台”上实现、展示和分享，该平台还有一定的变形能力，可以通过安装不同部件实现多种机器人形式，逐渐提高难度，不断满足高年级儿童的探索需求，当儿童需要交流和帮助时，可以通过平台的音视频通讯功能实现快速沟通。儿童创学平台使用基于低功耗处理器的ARM开源主板作为系统计算和控制的中心，操作系统基于Linux，并为儿童专门定制桌面，可以根据儿童岁数大小选择合适其年龄段的桌面主题、相关教育软件以及创客课程。舞台2是平台最灵活的部分，也是儿童动手学习和创造的实验台，位于显示器的前部，主机的上部。舞台采用防静电透明有机玻璃板，透明板使儿童可以直接看到主机的内部，了解计算机系统各个部件，解除对计算机的神秘感。舞台可以根据课程更换，只要从主机的后部抽出来，就可以插入新的舞台。舞台表面根据不同实验可以预先贴上实验模块的名称和接线接口位置图，使儿童看着更为直观，特别是启蒙阶段的儿童可以按图搭建。如果在学校使用，学生搭建的舞台可以插入任何一台创学计算机平台，使相互交流学习以及创作竞赛更为方便。由于舞台采用有机玻璃板，非常便于打孔和加工，也可以自己设计和定制舞台上的模块和零件，创造出自己的舞台。平台采用最通用的标准外部硬件接口，在舞台两侧各布置7个Grove接口，名称为Grove0~Grove6，Grove7~Grove13，用于连接目前较为多见的各种基于Grove接口的电子模块。主机最前端留有7个USB接口，用于连接外部USB设备和具有USB接口的实验模块。平台提供了64个可编程GPIO口，分成四组，每组16个口，编号分别为GPIO0~GPIO15，GPIO16~GPIO31，GPIO32~GPIO47，GPIO48~GPIO63，编程时可以直接引用。为了更加吸引儿童的好奇心，在主机的前部安装两块8X8的彩色LED点阵屏，点阵屏直接插入到GPIO口，点阵屏的作用是在平常使用时，显示一些额外信息，例如时间、表情、天气、温度、是否有外部呼叫、是否有留言等。初级阶段儿童在学习GPIO编程时可以学习控制点阵屏的显示，在儿童高级阶段时可以取下彩色LED点阵屏，直接使用这些GPIO口，该接口兼容arduino接口，可在这里插入arduino模块或者直接通过排线连接其他电子模块进行编程使用。儿童由于其自身特点，更喜欢直观的音视频内容和交流方式，平台安装前摄像头和后摄像头各一个，分别用于不同的场合，显示器顶部的后摄像头4为常规用途，用于视频通讯时拍摄自己，相当于实现可视电话功能。前摄像头8对着舞台和显示屏，可以做一定角度的旋转，更好的拍摄舞台和显示器的内容。前摄像头用于儿童向远端的老师或者朋友展示自己成果，实现分享，当儿童向老师请教实验问题时，教师在远端可以通过这个前摄像头查看舞台的接线以及屏幕的操作内容，便于远程指导。显示器背部的支架12两端采用阻尼转轴，使显示器可以停留在任意位置，显示器可以放成三种方式，一种为普通方式，显示屏幕正对前部，用于正常使用；另一种为收纳模式，显示器前倾，屏幕向着舞台折叠，便于缩小体积减少空间占用或方便搬运；第三种是机器人模式，显示屏幕前移并向前上方仰视约45度，成为机器人的面部，屏幕用于显示机器人的表情或者相关数据信息。平台的变形能力主要是在主机底板上留有3个安装孔位，用于高级阶段的机器人模式时方便连接底盘，实现不同的机器人形式，如附图10、11所示的的行走机器人，附图12、13所示的扫地机器人，便于能力强的儿童开发控制和使用。也可以自己设计出各种各样功能的底盘安装在平台主机下方，通过平台实现控制。主机前端底部呈悬崖状，凹入的部分用于放入键盘。整个平台结构紧凑，兼顾移动性和固定使用，拥有丰富的外部接口，配合不同的舞台、外部电子模块以及底盘可以实现无穷无尽的实验课程和创造乐趣。实施本专利技术的创学型计算机平台，具有以下有益效果：（1）由于采用开源的硬件和接口，保证了系统开放性，便于购买各种外接模块，有效的降低了产品价格，延长平台的使用时间。（2）便于布置在创客空间和实现公平竞赛，统一的平台使学生可以随时进入状态，而不用考虑各种系统和硬件的兼容问题，便于相互学习交流和实现创意，有利于团队合作。（3）统一的计算和编程平台减少了教师的学习工作量，可以将更多的精力放在创新性实践教育内容方面。附图说明图1为创学平台前视轴测图。图2为创学平台后视轴测图。图3为创学平台侧视图和正视图。图4为舞台向后抽开主机内部图。图5为显示器折叠收纳图。图6主机前部GPIO和前摄像头安装图。图7系统接口分布图。图8舞台使用简单实例图。图9机器人模式显示器位置图。图10底部安装上行走底盘的机器人。图11行走机器人正视图和侧视图。图12底部安装上扫地底盘的机器人。图13扫地机器人正视图和侧视图。图中：1主机，2舞台，3显示器，4后摄像头，5拾音头，6舞台左侧Grove接口，7舞台右侧Grove接口，8前摄像头，9 LED点阵屏，10 USB接口，11键盘，12显示器旋转支架，13主板，14电源，15底盘连接孔，16 GPIO排母接口，17前摄像头接口，18行走机器人底盘，19扫地机器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向STEM和Maker教育的儿童创学平台，其特征在于：平台具有统一的计算控制中心和多样的实验“舞台”，实现儿童软硬件互动编程学习和创意成果展示；采用开放的硬件接口；平台提供音视频通讯功能来实现快速沟通和远程交互；平台具有变形能力，通过安装不同底盘部件实现各种机器人形式。

【技术特征摘要】
1.一种面向STEM和Maker教育的儿童创学平台，其特征在于：平台具有统一的计算控制中心和多样的实验“舞台”，实现儿童软硬件互动编程学习和创意成果展示；采用开放的硬件接口；平台提供音视频通讯功能来实现快速沟通和远程交互；平台具有变形能力，通过安装不同底盘部件实现各种机器人形式。2.根据权利要求1所述的舞台，其特征在于：舞台（2）位于显示器（3）的前部，主机（1）的上部，是儿童动手学习和创造的实验台，舞台采用防静电透明有机玻璃板材料，可以根据课程实验更换对应的舞台，舞台表面根据不同实验预先贴上实验模块和接线接口的名称，使儿童可以直观的按图搭建。3.根据权利要求1所述的开放的硬件接口，其特征在于：在舞台（2）左右两侧各布置7个Grove接口（6）（7），名称为Grove0 ~ Grove6，Grove7 ~ Grove13，用于连接基于Grove接口的电子模块；主机（1）最前端有7个USB接口（10），用于连接外部USB设备和具有USB接口的实验电子模块。4.根据权利要求1所述的开放的硬件接口，其特征在于：在主机（1）的前部提供了64个GPIO排母接口（16），分成四组，每组16个口，编号分别为GPIO0 ~ GPIO15，GPIO16 ~ GPIO31，GPIO32 ~ GPIO47，G...

【专利技术属性】
技术研发人员：许军，袁天然，薛建勋，陈小岗，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32