硬紙板自動機

李佩寧

在STEM領域，科學和技術正在不斷與人類社會產(chǎn)生互動，通過各種方式影響著人們的日常生活。回首十八世紀末，當以歐洲為代表的精密儀器制造術進入鼎盛時期，一些極富才華的工程師把創(chuàng)造力揮灑在藝術創(chuàng)作領域，制造出了機械娃娃、機械動物、音樂盒……這是一個充滿想象力和創(chuàng)造力的美好時代。科技不僅是一種提升效率的工具，科技本身也具有人文性，也包含了藝術的特質。近年來已不斷有專家和學者提出，應將STEM擴充為STEAM，其中的“A”正是代表了藝術（Art）。如今，機械領域的輝煌已成為歷史，微電子、基因生物工程、量子力學等正不斷取得新的突破，而科技與人類的關系也正在引起人們的反思。

一、課程重點

通過制作硬紙板自動機，探究基本機械原理，考慮產(chǎn)品藝術性，認識科技和人類的關系。

【涉及領域】機械、工程、技術、物理、美術

【建議年級】小學中年級

【建議時間】基礎課程165分鐘

【材料】硬紙板，熱熔膠槍，木質手工棒，白紙，細鐵絲，裁紙刀，剪刀，膠水，膠帶，水彩筆或蠟筆

二、課程任務

通過視頻等方式了解硬紙板自動機的概念和基本制作方法，發(fā)揮創(chuàng)意完成一個硬紙板自動機的設計和制作。設計過程中不但要運用機械傳動的一些基本原理，還要為硬紙板自動機設計一個故事情景，尋求機械結構的功能性和硬紙板自動機所展示的故事情景的協(xié)調統(tǒng)一。在活動中還將學習如何和他人進行交流與合作，分工協(xié)作完成故事情景、機械設計和制作等工作。

三、課程步驟

1.導入（20分鐘）

為學生播放一些關于硬紙板自動機的視頻（可在“必應搜索”中輸入關鍵詞“Cardboard Automata”獲得動態(tài)圖片或視頻），同時出示教師自己制作的只能完成一個動作的硬紙板自動機模型。通過這些手段讓學生了解，什么是硬紙板自動機，以及怎樣制作硬紙板自動機。

視頻內容要盡量包括不同的機械傳動方式和模型運動形式。例如包括轉動、上下運動、左右擺動、前后擺動、曲軸運動、偏心輪軌跡運動以及上述形式的組合式運動等。

學生觀看后，進行討論，教師用以下問題進行引導：

（1）硬紙板自動機有幾個部分及作用是什么？

（2）為什么通過轉動手柄，可以實現(xiàn)不同的運動形式？

（3）剛才看到的運動形式是怎樣實現(xiàn)的？

（4）你還能想到什么別的運動形式？

（5）硬紙板自動機還能實現(xiàn)其他功能嗎？比如能發(fā)出聲音嗎？

2.建構任務（30分鐘）

每個小組要用硬紙板、剪刀、竹簽、熱熔膠槍設計2種不同的機械傳動形式，到臺前展示并說明傳動原理。

在第一次設計中，學生可能會對如何實現(xiàn)某種運動形式無從下手，從而退回到選擇最簡單的上下移動或旋轉運動。為了幫助學生進一步拓展思路，教師此時應當組織全班進行討論。向學生提問“剛剛視頻中出現(xiàn)了哪些運動形式？”并將學生的列舉記錄在黑板上，如果學生無法列舉完整，教師可再次播放視頻，然后補充記錄。

針對所列舉的不同運動形式，請每個小組花5分鐘時間討論其中一種，分析清楚其中的原理，并準備好草圖，制作簡易結構。如果有的組不能完成，也可以向其他組進行咨詢。討論后，教師組織每個小組輪流向其他小組講解。

3.宣布課程任務和量規(guī)（10分鐘）

宣布任務：制作一個硬紙板自動機，能夠實現(xiàn)兩種以上的運動（越多越好），并且能夠展示一個合理的故事情景。同時呈現(xiàn)評價量規(guī)（見表1）。

4.初步設計（20分鐘）

各小組開始獨立設計。第一次設計的核心在于，首先思考要講述的故事或實現(xiàn)的情景，然后再想辦法讓機械動作與之相配合。注意：不是先讓模型隨機動起來，然后再用故事或情境將其合理化；而是要先有了合理的想法，再使用技術來實現(xiàn)想法。各小組應首先進行頭腦風暴，提出想要實現(xiàn)的情景，然后選擇其中一至兩個進行設計。教師可以用以下問題進行引導：

（1）你們想要展示什么情景？

（2）這個情景中應該有哪些動作？

（3）這些動作怎樣進行配合？

（4）你們對實現(xiàn)這種類型的動作有什么疑問？

教師也可選取優(yōu)秀合理的設計向其他小組展示，幫助大家開拓思路。

5.制作（40分鐘）

設計圖需要有外部形狀、內部構造、關鍵部件的形狀（如偏心輪、棘輪等）、所使用的材料和制作步驟。完成設計圖并經(jīng)教師檢查過的小組可以開始制作。教師要提醒各小組合理分工，示范安全使用各種工具，觀察學生的使用過程，并提醒安全注意事項。完成制作的小組，可先進行展示排練。圖1為部分學生作品。其中有兩個學生用紙板自動機模擬一只烏龜，當搖動把手時，“烏龜”的頭會左右搖擺，“爪子”會旋轉。爪子的動作來自于由橡皮筋實現(xiàn)的皮帶傳動，頭的擺動來自于2個偏心輪組成的往復旋轉運動。

6.展示和總結（30分鐘）

給每個小組5分鐘時間進行展示。首先展示硬紙板自動機所表現(xiàn)的故事或情景，形式不限。接下來需要介紹創(chuàng)意、設計及制作的過程，遇到了哪些問題以及如何解決的，是否改進了設計以及如何改進的。其他小組也可以提問。所有小組展示完成后，教師就全部作品做出評價，提出各組設計制作過程和成品的亮點。

（責任編輯 郭向和）