三通孔明鎖的手工“增材”制作

■江蘇省興化中學

孔明鎖相傳是三國時期諸葛孔明根據八卦玄學的原理而發明，又名“別悶棍”“六子聯方”“莫奈何”“難人木”等。它不用釘子和繩子，完全靠自身結構的連接支撐，體現了古人的智慧。作為一種傳統的益智玩具，僅有很少的人能真正玩轉孔明鎖，很多人往往是拿在手中拆解不了，或者好不容易拆解了卻無法拼回原樣。

在一次STEM 科技實踐項目中，我帶領學生進行三通孔明鎖制作的實踐。

圖1 三通孔明鎖

一、技術方案

采用增材制造技術進行制作。增材制造技術是指基于可以離散排布的耗材，運用層層堆積的原理，制作成結構復雜物體的一種加工技術。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術還有快速制造、3D 打印等多種稱謂。

作為STEM 科技實踐項目，本次活動還需體現“綠色、低碳、環保”的設計理念。在達到相同的技術性能的情況下，材料用量較少的方案得分會更高。

二、限定器材

本次活動提供的材料和工具如下。

材料為椴木方木條1 根，其規格為20mm×20mm×1 000mm。

工具為手工鋸1 把，砂紙1 張，熱熔膠槍1 把，膠棒1 根，木工銼1 把，直尺1 把，角尺1 把，鉛筆1 支。

三、思路方案

將4 根邊長為10mm 的方木條粘合在一起即可組成邊長為20mm 的方木條，且如果在粘合前預留需空出的缺口，就不需要使用傳統的方法鋸槽了。具體如何制作呢？

（一）方案討論

假設1：如圖2 所示數據，將鎖件兩端空出40mm，即鎖件總長為100mm，則三通孔明鎖總體積為：

V ＝20×20×20+20×20×40×6＝8 000+96 000 ＝104 000mm3。

則需要10mm×10mm 方木條的長度為：

L ＝V/100 ＝104 000/100 ＝1 040mm，1 040mm ＞1 000mm。

圖2 三通孔明鎖設計圖紙

結論：此方案中，所供方木條的長度不夠。

假設2：如圖紙所示數據，將鎖件兩端空出30mm，即鎖件總長為80 mm，則三通孔明鎖總體積為：

V ＝20×20×20+20×20×30×6＝8 000+72 000 ＝80 000mm3。

則需要10mm×10mm 方木條的長度為：

L ＝V/100 ＝80 000/100 ＝800mm，800mm ＜1 000mm。

結論：此方案中，所供方木條長度足夠，如果沒有鋸切操作的失誤，將剩余200mm的木條。

假設3：如圖紙所示數據，將鎖件兩端空出20mm，即鎖件總長為60mm。此方案所供方木條長度雖然足夠，但作品比較小，使用時手感較差，手能持握的部位較短，且會影響作品的美觀。

假設4：如圖紙所示數據，將鎖件兩端空出10mm，則作品會更小，使用時手感差等問題將更突出。

由此可見，方案2 為最優選。

（二）數量統計

統計出各種規格長度的木條分別所需的數量，如表1。

表1

四、制作過程

（一）木條鋸切

按表1 分別鋸出不同規格的木條，用木工銼將木條的毛刺修整平滑。由于鎖件2 的中間是圓柱體，所以需用木工銼將其中一根80mm 的木條的最中間20mm 銼成圓柱體，即兩端各預留30mm 的長度，保證圓柱體部分處于中間。

（二）鎖件合成

用熱熔膠槍依照圖紙將木條粘合成3 個鎖件。注意：為便于裝配，鎖件中間的間隙應略大，如兩個30mm 鎖件間應空20mm，實際粘合時需空22mm； 30mm、40mm 鎖件間應空10mm，實際粘合時需空12mm。與總長80mm 的木條相比，兩端正好各多1mm，最后可通過砂紙磨平。

圖3

（三）鎖件組裝

將粘合好的3 個鎖件進行組裝，無法拼裝的可以用銼刀再進行細微修改。

首次玩孔明鎖的人可能要嘗試20 多分鐘才能悟出其中的訣竅，所以本次活動將安排45min ～120min 的時間供學生組裝、解開孔明鎖。最終制作而成的三通孔明鎖如圖4 所示。

圖4

五、評價與交流

讓學生展示自己制作完成的孔明鎖，并進行交流發言。依據相關評價標準給每個作品打分。

1.按要求完成3 個鎖件的制作，每個鎖件計20 分，共計60 分。

2.鎖件能完美組合成孔明鎖，計20 分。

3.孔明鎖光滑、美觀，鎖件間的縫隙很小，計20 分。

六、提升與反思

（一）“解鎖大法”

要玩轉孔明鎖，需要反復拆解孔明鎖，總結其中的規律。師生們總結了三通孔明鎖解鎖與上鎖的 “五字要訣”。

解鎖操作要領：偏轉鎖件2，取下鎖件1，移去鎖件2，放下鎖件3；

上鎖操作要領：手持鎖件3，偏放鎖件2，正放鎖件1，旋正鎖件2。

（二）識破“設計陷阱”

在方案確認階段，為何不能依據三通孔明鎖的圖紙直接鋸切制作？

這里可用“整體法”進行分析：在原三通孔明鎖的構造圖紙中，3 個鎖件組裝完成后，從X、Y、Z 三個方向觀察，相當于都 有1 根20mm×20mm×100mm 的方木條，但這3 根方木條中，重疊了2 個20mm×20mm×20mm 的立方塊。

原圖紙中的三通孔明鎖總體積為：

V1＝20×20×100×3－20×20×20×2＝104 000mm3

而教師提供的原材料木條總體積為：

V2＝10×10×1 000＝100 000mm3

本次STEM 科技實踐活動中，預先設有“陷阱”，如果不加以必要的分析就做不出一個成功的三通孔明鎖。

圖5

七、小結

本次活動創造性地融合了增材制造技術的原理，大大提高了手工制作孔明鎖的效率，化繁為簡。它不僅能讓學生了解木工加工的工藝，而且能讓學生從三通孔明鎖的結構中感受傳統榫卯結構的獨特魅力，加深對增材制造技術的理解。