高中物理教學中加入科技小發(fā)明
——以智能收作業(yè)機器人的發(fā)明為例

文_呂志文

在高中物理的教學過程中，教師一味地進行理論知識的教學，以及讓學生做大量物理習題很容易讓學生對物理學習產(chǎn)生厭煩情緒，進而影響學生的聽課效率和學習質(zhì)量，造成學生物理學習成績的倒退。并且如果高中物理學習當中缺乏實踐內(nèi)容，會導致物理理論學習空洞、抽象，增加學生理解物理知識的難度。

而采取科技小發(fā)明的形式，鼓勵學生把物理知識應(yīng)用到實踐中，親自動手設(shè)計制作一個科技小發(fā)明，一方面提高了物理學習的質(zhì)量，加強了物理理論和實踐的聯(lián)系；另一方面能夠讓學生對物理學產(chǎn)生學習的興趣，進而去學習了解物理學的相關(guān)知識，提高學習的主動性。

高中物理教學中加入科技小發(fā)明的意義

第一，增強學生對理論知識的掌握程度。高中學生學習物理學最大的問題就是物理規(guī)律和公式太難理解，因為物理當中的很多內(nèi)容都是在現(xiàn)實物理現(xiàn)象中抽象出來的，所以盡管有現(xiàn)實事例作為參考，但是理解概念還是相當困難。比如“力的分解”這個部分一直是高中物理學習中的難點，因為力是看不見的，雖然每個人都能夠感受到力的存在，但是并不能確切感受到自己受了哪些力，不知道這些力又是以怎樣的狀態(tài)施加在自己身上的，所以學習起來很困難。但是如果采取科技小發(fā)明的形式，為了使小發(fā)明能夠成功運作，學生就必須考慮這個小發(fā)明中的力是怎樣的狀態(tài)，每個組件能夠提供哪些力，應(yīng)該怎么利用這些力，在思考這些問題的過程中，力的分解就自然而然進行了。科技小發(fā)明使學生有充足的動力去探究問題，也讓學生體會到了物理知識在生活中的應(yīng)用，能夠增強學生對理論知識的掌握程度。

第二，增強學生的實踐動手能力，加強知識和實際的聯(lián)系。物理科技小發(fā)明的研究制作過程對于學生的實踐動手能力能夠產(chǎn)生非常積極的作用，尤其是設(shè)計比較精密、零部件較多的小發(fā)明，更加能夠增強學生的動手能力。因為零件的加工制作也需要學生本人操作，安裝也是本人親自動手進行，所以鍛煉效果很好。

第三，增強學生間的團隊合作能力。因為科技小發(fā)明很多時候都是小組制作完成的，所以在制作改進的過程中，能夠培養(yǎng)學生的團隊合作能力、人際交往能力，增進學生間的感情。

科技小發(fā)明的制作過程

對于學生本人來說，制作一個科技小發(fā)明主要的流程包括項目構(gòu)思、小發(fā)明設(shè)計、前期準備、零件制作、零件安裝、功能測試、修改、再次測試、完工提交作品。這些流程實施的過程都有主要的關(guān)鍵點。

項目構(gòu)思：對于高中物理科技小發(fā)明，構(gòu)思應(yīng)該相對簡單，以可操作性和實用性為主，構(gòu)思的主題以生活中常見的現(xiàn)象為主。當然，能力出眾的學生可以選擇高深難的項目構(gòu)思。以高中智能收作業(yè)機器人這個小發(fā)明為例，其項目構(gòu)思的主要內(nèi)容就是這個機器人的功能，即智能收作業(yè)，因此它需要一定的承重能力、導航能力，還有簡單的語音功能。而且教室的空間比較小，機器人的大小應(yīng)該和一只寵物狗的大小差不多。設(shè)計這個機器人的主要目的是方便教師收作業(yè)，教師可以在辦公室遙控機器人收作業(yè)，也可以設(shè)定時間，讓機器人自行啟動收作業(yè)。

設(shè)計：在構(gòu)思了小發(fā)明基本功能和構(gòu)造之后，就需要對小發(fā)明進行精細化的設(shè)計，包括整體的構(gòu)造，零件樣式、大小和安裝方式，整體外觀等內(nèi)容，這其中，整體構(gòu)造和零件的設(shè)計是關(guān)鍵內(nèi)容。整體構(gòu)造就是指這個小發(fā)明大體分為哪幾個部分，用怎樣的方式實現(xiàn)構(gòu)思的功能。零件的設(shè)計是在整體構(gòu)造的基礎(chǔ)上進行的，需研究分析每個構(gòu)造怎樣實現(xiàn)，需要怎樣的零件。在設(shè)計這部分工作的時候，學生應(yīng)該多向教師尋求幫助，多上網(wǎng)查找資料。設(shè)計環(huán)節(jié)是整個科技小發(fā)明制作的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是對物理知識應(yīng)用和思考、理解最多的、最深入的環(huán)節(jié)，故進行這個環(huán)節(jié)時應(yīng)該細致具體。并且設(shè)計環(huán)節(jié)直接決定了科技小發(fā)明成功或者失敗，需要花費很多的時間和精力。

在智能收作業(yè)機器人的設(shè)計中，最主要的環(huán)節(jié)就是機器人的貨架和導航能力的設(shè)計，在機器人的頂部需安裝一個長方體貨架，收作業(yè)時讓學生把作業(yè)放在貨架中。機器人前端需安裝一個三百六十度攝像頭，并在機器人四周安裝紅外線傳感器、機器人的傳動系統(tǒng)（這個部分可以參考遙控車進行設(shè)計）。此外，還要安裝語音系統(tǒng)，一方面可以通過教師的遙控器對講傳音，傳達教師的話；另一方面，機器人自帶簡單的語音功能，包括“交作業(yè)啦”“借過借過”等簡單的語音包。機器人的外觀也要進行設(shè)計，盡量可愛、美觀一些。在實際設(shè)計的過程中，對攝像頭和傳感器的安裝設(shè)計是比較困難的部分，對于設(shè)計中的困難，學生找教師解決是非常好的方法，教師也應(yīng)主動幫助學生進行這個方面的實踐。

前期準備：在完成了設(shè)計之后，就需要準備制作零件的材料和工具，通常這些東西在學校的物理實驗室都有，學生只需要向教師申請使用就可以。在這個環(huán)節(jié)還要學習要用的工具的使用方式，以及簡單的材料加工方式，比如鋸割、挫削、打磨拋光等。收作業(yè)機器人的前期準備主要就是從遙控車上面取零件，以及購買各種材料、攝像頭。

零件制作：這個環(huán)節(jié)是訓練學生動手能力的主要環(huán)節(jié)，高中物理科技小發(fā)明零件的設(shè)計往往不會很精密，只需要加工成大致的形狀，然后對粗加工的零件進行簡單的打磨就可以了。這個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵在于從材料到零件的加工，首先需要選擇合適的材料，比如鋼板，然后用記號筆在鋼板上精確繪出材料的形狀，接著用機床或者手鋸對材料進行切割，把材料加工成需要的形狀。盡管對于零件的精確度要求不是很高，但是零件的誤差也不能太大，因此還是比較考驗學生的動手能力。對于加工明顯不合格的零件，學生需要重新制作。此外，還需要對鋸割出來的零件進行簡單的打磨，一方面是提高零件的精確度，另一方面是增加整個小發(fā)明的美觀程度。收作業(yè)機器人的零件比較多，主要的是外觀零件和貨架，不過收作業(yè)機器人的零件精度并不需要很高。智能機器人主要的功能實現(xiàn)還是依靠電路和傳感器，對機械零件的要求不是很高，能夠保障機器人的正常運作即可。

零件安裝：這個環(huán)節(jié)相對簡單，只需要按照設(shè)計圖紙的要求將零件安裝起來即可，也比較考驗學生的動手能力，尤其是細心程度。

功能測試：一般的科技小發(fā)明功能測試的內(nèi)容比較簡單，包括測試小發(fā)明能否實現(xiàn)構(gòu)思的目標以及小發(fā)明的穩(wěn)定性、副作用，比如噪聲、發(fā)熱等問題。對于科技含量較高的小發(fā)明則需要進行更為專業(yè)的測試，比如速度測試、電壓測試等。對于滿足了測試目標的小發(fā)明，只需要再進行簡單的外觀和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，去掉不必要的零件即可。如果測試沒有達標，則需要返修。如收作業(yè)機器人測試的主要內(nèi)容是承重量和導航能力、遙控能力，可以通過模擬教室的具體情況進行測試，初次測試的效果還不錯，只需要給機器人前后加裝防護欄，避免在碰撞中損壞機器人。

返修：這個環(huán)節(jié)是相對比較復雜的環(huán)節(jié)，要從設(shè)計和零件制作、電路設(shè)計等多個方面去尋找測試不達標的原因。其中最難解決的問題是設(shè)計問題，理論應(yīng)用到實踐的過程中，難免會產(chǎn)生差別，可能小發(fā)明的設(shè)計在理論上可行，但是在實際制作的時候，可能沒有實現(xiàn)設(shè)計的目標，這種情況教師就需要提供幫助，指導學生改善設(shè)計方案。如果是零件制作的問題，重新制作零件即可，解決起來比較簡單。收作業(yè)機器人的返修主要是加裝防護欄和強化貨架的穩(wěn)定性，以及對系統(tǒng)中一些不穩(wěn)定的地方進行優(yōu)化，整個返修過程比較簡單。

再次測試：在修改了設(shè)計或者重新制作安裝了零件之后，要再次對小發(fā)明進行測試，通常來說，修改過的小發(fā)明大多數(shù)都能夠通過第二次測試。但是如果修改過后還是沒有通過測試，那就需要對項目的可行性進行檢驗分析了，需要再次返修，測試，重復這個過程。

完工提交作品：在測試達標之后，就可以完工提交作品了，但是在提交之前，最好對小發(fā)明的外觀進行一些加工，包括上色和造型，使小發(fā)明有一定的藝術(shù)性。

在前后經(jīng)過了數(shù)次測試之后，筆者的收作業(yè)機器人成功制作出來了，并且依靠它獲得了學校科技創(chuàng)新比賽一等獎，目前已經(jīng)正式投入班級使用，受到了老師和同學的歡迎。這個小發(fā)明主要的難點在于線路的排布，電學是高中物理的重要內(nèi)容，但是高中的物理課程并沒有詳細介紹電路排布，需要查找資料、咨詢老師以及有經(jīng)驗的電工。對于高中物理科技小發(fā)明的制造來說，知識的全面性和綜合應(yīng)用非常重要，要實現(xiàn)一個小發(fā)明，需要的知識非常繁雜，需要依靠日常的積累，如果積累不足，就要到網(wǎng)上查資料和問老師。

以上就是制作一個高中物理科技小發(fā)明的基本流程和每個環(huán)節(jié)的細節(jié)要求，按照這個流程實施制作的小發(fā)明基本能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)思的功能。

存在的問題和建議

在筆者實際制作科技小發(fā)明的過程中，出現(xiàn)了一些問題，這些問題也是其他高中生制作小發(fā)明容易出現(xiàn)的問題，在此一一列出，以供參考。

首先，設(shè)計的時候參考資料不足，并且請教老師也不到位。在設(shè)計小發(fā)明的時候，僅靠自身的知識積累是遠遠不夠的，很多的理論都不知道，想要的功能應(yīng)該怎樣實現(xiàn)也沒有頭緒，這個時候查看網(wǎng)上的資料和請教老師非常有必要。設(shè)計是一個很耗時間的過程，故不能急于求成，要多查資料、多問老師。問老師時，一定要細致、深入。其次，零件加工的時候盡可能精確，因為在這種小發(fā)明中，零件的精確度越高，功能的實現(xiàn)程度越高，小發(fā)明的穩(wěn)定性也就越高。

高中物理科技小發(fā)明的研究制作應(yīng)該作為高中素質(zhì)教育和學生全面發(fā)展的一個重點內(nèi)容進行教學，一方面，科技小發(fā)明能夠提高學生對物理知識的理解和應(yīng)用能力；另一方面，科技發(fā)明能夠鍛煉學生的實踐動手能力和人際交往能力，還能培養(yǎng)學生對物理學習的興趣，具有很多的優(yōu)點，因此學校可以經(jīng)常開展相關(guān)的科技小發(fā)明競賽。