STEAM教學(xué)中學(xué)生工程建構(gòu)能力培養(yǎng)

鄒衛(wèi)華

中小學(xué)STEAM教學(xué)在開展中，因為受各種因素的影響，基本偏重編程平臺的程序設(shè)計或3D打印模型設(shè)計等，而對工程建構(gòu)、特別是實物構(gòu)造的能力培養(yǎng)非常不足。STEAM教學(xué)中通常存在一個非常重要的工程建構(gòu)的實體對象——Robot（機器人），如果讓學(xué)生了解機器人搭建，學(xué)習(xí)機器人搭建，進而能搭建出一個行動靈巧、體型百變的機器人，則可以使學(xué)生從知識到應(yīng)用，從設(shè)計到創(chuàng)造，充分經(jīng)歷STEAM教學(xué)的工程建構(gòu)，并以此培養(yǎng)工程創(chuàng)新、創(chuàng)造力。更重要的是，在完善模型的結(jié)構(gòu)搭建中，涉及物理學(xué)中的力學(xué)、運動學(xué)、機械學(xué)，以及數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)等知識，這些知識只有在搭建中讓學(xué)生形象感知并實際運用，學(xué)生才能深入理解。

搭建機器人的“身軀”——學(xué)會構(gòu)造良性主體結(jié)構(gòu)

機器人無論形態(tài)如何變化，都需要有一個“身軀”——主體結(jié)構(gòu)。一個性能良好的主體結(jié)構(gòu)，需要具備以下三點要求——穩(wěn)固、靈巧、平衡，這是機器人主體結(jié)構(gòu)搭建中三個最重要的因素。

1.結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固

不論哪種機器人，其主體的穩(wěn)固性是第一位的，這是機器人完成任務(wù)最基本的要求。然而在實際教學(xué)中，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生搭出的機器人很漂亮、很有創(chuàng)意，卻會掉胳膊掉腿，或一碰就散架等情況，這是因為搭建機器人的積木顆粒有一個較大的缺陷：結(jié)構(gòu)搭建不穩(wěn)固就容易散架。因此，教師需要教給學(xué)生一些穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的方法，促使學(xué)生去鉆研機械的支撐結(jié)構(gòu)，想辦法使其結(jié)構(gòu)牢固。以下是幾個比較好的解決方法。

①善用“梁”。圖1顯示了梁的許多連接方法。最常用的一種方式是水平梁與垂直梁交叉搭建，用垂直的梁將與之連接的兩根水平梁之間的積木鎖住，這樣可以搭建出堅固的模型。水平梁與垂直梁互鎖實現(xiàn)的順序是：一根梁，兩塊板子，再一根梁，再兩塊板子……可以利用兩根梁之間加一層板的方式，將兩組梁疊在一起，這樣就可以得到一個底盤，有了底盤，結(jié)構(gòu)就非常結(jié)實了。

②善用分層結(jié)構(gòu)。合理的分層結(jié)構(gòu)可以使機器人結(jié)實。用梁和板子分層疊放，再用垂直的梁加固，可以得到輕巧、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定并不一定需要很多組件，而在于設(shè)計中的技巧。

③善用突點拼接。如下頁圖2所示，左邊僅連接一個突點的結(jié)構(gòu)（左）會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲變形，右邊的結(jié)構(gòu)則明顯穩(wěn)固。這能讓學(xué)生明白，兩點支撐與多點支撐在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中所起的作用的科學(xué)道理。

④善用銷固定。銷是連接固定常用的器件，適用于需要不同聯(lián)結(jié)緊密度的地方，但它的直徑有大有小，這時可以提醒學(xué)生注意銷直徑大小帶來的不同摩擦力，如在連接梁固定時，應(yīng)選更大摩擦力、與梁配合更緊密的銷;而在可轉(zhuǎn)動連接時應(yīng)選摩擦力小的銷，如做杠桿與臂。

2.結(jié)構(gòu)的靈巧

正如變形金剛一樣，機器人的形體往往會隨著任務(wù)的變化而變換結(jié)構(gòu)，但又不可能在每次機器人需要形體發(fā)生變化時全部重新搭建，所以結(jié)構(gòu)的設(shè)計要便于安裝和拆卸。最好的方法是將機器人模塊化，即將積木顆粒組建成各類模塊型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)模塊部件。如果說整個機器人是一個完整的系統(tǒng)，那么這些模塊部件就是子系統(tǒng)。可以要求學(xué)生對以下一些部件進行模塊化設(shè)計，以便將來拆裝某些組件時無需將整個機器人拆散與重構(gòu)。

①將主機、電源模塊化。機器人的動力之源是“主機+電源”，這兩者就是一個子系統(tǒng)。在搭建過程中，這個子系統(tǒng)會被頻繁拆裝，這是因為：電源需要不斷更換;主機是最貴重的部件，數(shù)量較少，會將其分別搭建在很多個機器人上。因此，在主機上加上幾個簡單的銷與梁，組建成一個可以在不同機器人框架上進行安插、拆卸的部件系統(tǒng)，就變得非常必要。

②將傳動部件模塊化。機器人最復(fù)雜的組件搭建之一是傳動裝置，如導(dǎo)向輪、升降機、機械臂（爪）、差速器等，而這些部件往往是根據(jù)某種科學(xué)定律搭建出來的，搭建麻煩但通用性較高，當把它們模塊化后，就能方便地從這個機器人身上拆裝到另一個機器人身上。

③將傳感部件模塊化。傳感器也是機器人中的貴重部件，且是用于接受外來信號的，往往安裝在機器人結(jié)構(gòu)的最外層。將傳感器與積木搭成一個安插部件很有必要，同時這個部件系統(tǒng)要考慮到傳感器聯(lián)接主機的數(shù)據(jù)線的排放。

④將載物部件模塊化。機器人完成任務(wù)時最常用的子系統(tǒng)就是載物部件了。可以鼓勵學(xué)生發(fā)揮想象力，盡可能多地搭建出各種形體的載體部件，當遇上某種取物、送物任務(wù)時，就能馬上應(yīng)用。

⑤將支撐框架模塊化。支撐框架是機器人主體的聯(lián)結(jié)，將其模塊化的最大好處是，方便將以上各類子系統(tǒng)進行安插與拆卸。如果設(shè)計得巧妙，不僅機器人穩(wěn)固靈巧，安裝拆卸更是省時省力。

3.結(jié)構(gòu)的平衡

機器人的一個最大特點是會“動”，動就必然涉及一個特性：平衡。無論是車輛類機器人還是步行爬行類機器人，結(jié)構(gòu)的平衡是行動的先決條件，尤其是搭建步行機器人，平衡問題是至關(guān)重要的。

①調(diào)校底盤。一個平穩(wěn)的底盤是整個機器人平衡的基石，是保證機器人（尤其是車輛類機器人）平衡的關(guān)鍵所在。搭建（調(diào)校）好了一個四平八穩(wěn)的底盤，就很容易再安裝輪子或齒輪，這樣學(xué)生就很容易用數(shù)顆粒單位來分辨出前后左右的重量分布。

②講究對稱。機器人在運動時，如前進、后退、轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)圈等，會受到負載和慣性的影響，在搭建時，如果沒有特殊需求，建議以對稱結(jié)構(gòu)為主。對稱的結(jié)構(gòu)，可以平衡負載，也可以將慣性的影響降到最小。

③追求低重心。機器人的運動速度往往是比較快的，尤其是還會有加速、減速等過程，由于慣性的作用，機器人往往會失衡，這時最好的方法就是盡量降低機器人的重心，以減小慣性帶來的不穩(wěn)定性。

④減輕重量。由于常強調(diào)使用梁與板來使機器人穩(wěn)固，學(xué)生會常常使用大量的梁、板，只是這樣會大大增加機器人的重量，反而不利于機器人的平衡。所以也要讓學(xué)生明白，能用一根梁固定的，就盡量不要用第二根。相對來說，結(jié)構(gòu)使用組件少，重量更輕，利于機器人平衡。

搭建機器人的“腳”——學(xué)會構(gòu)造靈活驅(qū)動裝置

傳動裝置是機器人的“腳”，是機器人“行動”起來的基礎(chǔ)，這也是所有結(jié)構(gòu)中最靈活的構(gòu)建，學(xué)生構(gòu)建過程中需要使用齒輪、軸、渦桿、滑輪、鏈等部件，巧妙合理的組合才能讓機器人實現(xiàn)各種運動。教學(xué)中，組合是關(guān)鍵，雖然沒有必要讓學(xué)生深刻理解各類運動部件中的數(shù)理分析，但需要讓他們認識現(xiàn)象，由感知而理解。

1.齒輪的組合搭建

齒輪是機器中很重要的部件，它幾乎是機器的象征。單個齒輪幾乎沒有實際意義，但組合起來卻能產(chǎn)生奇妙的運動。沒必要讓學(xué)生懂得相互嚙合二齒輪之間的扭矩和角速度的等式關(guān)系等，但可以通過反復(fù)拼裝試驗，讓學(xué)生逐漸感知這些組合實現(xiàn)的傳動效果。例如，相互嚙合的齒輪，當一個齒輪轉(zhuǎn)動時，會帶動另一齒輪轉(zhuǎn)動，當一個齒輪順時針轉(zhuǎn)動時，會帶動另一個齒輪逆時針轉(zhuǎn)動;當大齒輪帶動小齒輪時，可以實現(xiàn)“加速”，當一個小齒輪帶動一個大齒輪時，可以實現(xiàn)“減速”。這樣的實踐過程，會讓學(xué)生明白齒輪是用于改變曲軸或軸間轉(zhuǎn)動的速度和扭矩的科學(xué)道理，對培養(yǎng)學(xué)生機械工程的制造思維非常有幫助。

2.較特殊的傳動方式搭建

利用齒輪有一些應(yīng)用也很難實現(xiàn)，這時可以利用其他的傳動器件來進行彌補，教師需要讓學(xué)生在拼裝調(diào)試中了解這些器件的性能并靈活運用。例如鏈條，鏈條有鏈節(jié)鏈條和履帶式鏈條兩種，采用了同一種傳動原理，可以拼接成任意長度，這樣就可以連接間距較大的軸。鏈條還可以增大受力面、加大摩擦力、防止打滑等。又如滑輪與皮帶，既能傳動，又因其有打滑功能能保護馬達不受損。再如渦桿，可以把圓周運動變?yōu)橹本€運動;渦輪適用于大比例減速力矩的場合，它還有的“自鎖”功能——可以驅(qū)動小齒輪（正齒輪），但是小齒輪不能驅(qū)動渦輪。學(xué)生明白了這些較特殊的傳動器件的性能，就能根據(jù)實際需求，實現(xiàn)種種傳動效果，而這些效果常常會給人帶來出乎意料的精彩。

搭建機器人的“手”——學(xué)會構(gòu)建精巧動力爪臂

如果說有“腳”，是機器人實現(xiàn)類人運動的第一步，那么有了“手”，才是機器人模仿人類完成如抓、取等動作的關(guān)鍵一步。精巧的機械手，是要能模仿真實手的功能，如抓、搬、舉、拿、壓、夾、捏、推、拉等。在實際的搭建中，拼裝出一個機械臂是比較容易的，難的是“抓”，如何用“爪”來“握”住物體。一般來說，機器爪的“抓”力來自馬達，教師在教授學(xué)生搭建時，要讓學(xué)生解決力的方向問題，如通過渦輪和傳動軸將馬達的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，就能實現(xiàn)抓取的控制動作。需要明確的是，機械爪（臂）一般都是根據(jù)杠桿原理來搭建，所以在指導(dǎo)學(xué)生搭建時，應(yīng)先讓學(xué)生仔細分析實現(xiàn)任務(wù)所需要的抓取力的三個要素——運動方向、作用點和力的大小，然后再根據(jù)杠桿原理來設(shè)計合適的爪。不能盲目搭建，應(yīng)在思考中實踐，這樣才有助于培養(yǎng)學(xué)生在感性的搭建中形成對“力學(xué)”的理性認知。

結(jié)語

“智慧出在手指尖上”——這句話用來形容學(xué)生學(xué)習(xí)機器人的構(gòu)建非常適合。STEAM教學(xué)，注重對學(xué)生工程建構(gòu)能力的實際培養(yǎng)，讓學(xué)生手上可以搭建出無數(shù)的形體，實現(xiàn)各類運動方式，真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。