機械傳動結構設計與制作項目學習案例

朱凌俠

項目概述

普通高中通過技術實踐活動踐行勞動教育，培養學生適應新時代的勞動技能和勞動素養。工程技術領域的機構傳動堪稱技術專業的基礎支柱，但對高中生而言，他們對機構傳動的認識較為有限。因此，強化高中生在機械傳動裝置領域的探索與學習，顯得至關重要。

本次項目式學習活動以工程技術方向為主，結合各學科的STEAM 勞動教育活動。活動針對高一年級共計800 多名學生開展，持續1 學期，涵蓋9 個課時。學生在活動中學習設計草圖制作、三視圖及尺寸標注、木工加工工藝，親歷設計及制作全過程，打造1 個以搖桿為動力、通過凸輪和摩擦輪傳動、實現目標物體上下平動及水平轉動的機械傳動裝置。

項目情景設置

當前，很流行一種木質機械玩偶automata（自動機械裝置）——利用機械原理再現某種場景、或模擬生物動作、或完成某種預定任務的機械玩具。學生看到這么好玩的裝置覺得造出這些裝置的人非常厲害，教師適時提出項目任務——自己設計、制作1 個類似的機械傳動裝置。

項目實踐規劃

實施對象：普通高中1 年級學生。

實施空間：教室、木工實踐教室。

實踐材料：木工加工工具、厚度8 mm 的松木板、直徑6 mm 木棍、木工釘、木工膠等。

實踐時長：9 課時。

項目主線

項目學習活動邏輯線

本項目結合“學習—實踐—創新”學習模型開展，主線按照提出問題—制訂方案—項目實施—測試評價—改進提升的設計思維方法展開。

項目實踐活動內容

實踐活動包括繪制設計草圖、繪制三視圖、標注尺寸、學習工具使用、制作加工模型、展示交流和評價6 個階段。

教學主線

本項目的教學方案設計從核心問題開始，根據項目式學習實施的流程依次展開。根據方案設置教學結構（表1），再將項目核心任務進行分解，最后根據任務設置評價策略。

項目目標

本項目通過探究性實踐、技術性實踐（設計）、審美性實踐、社會性實踐、調控性實踐培養學生問題解決、創見、決策、實驗、系統分析等高階思維，提升學生的技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力等核心素養。

具體的 STEAM 學科目標

科學：掌握凸輪傳動的機械原理。技術：了解高中技術學科，對技術和工程產生興趣，激發學生的學習熱情。工程：學會用木工工藝制作木質結構，學會通過測試發現和解決問題。數學：學會具體尺寸的設計、測量和計算，掌握基本幾何圖形的繪制和組合。藝術：學會有創意、有主題的造型表達。

項目實施過程

核心任務 1. 繪制設計圖紙

驅動性問題：如何有效地將創意轉化為可視化表達？

活動 1. 繪制草圖

活動目標：學會繪制立體設計草圖。

活動時長：1 課時。

活動過程：教師引導學生討論構思，分步練習繪制草圖，強化學生對設計草圖重要性的理解，并應用于實踐。

活動 2. 繪制三視圖

活動目標：掌握正投影原理和三視圖規則，學會繪制物體的3 個正投影面。

活動時長：1 課時。

活動過程： 通過情境導入讓學生明白如何利用平面圖紙指導立體物件的加工，通過練習和討論使學生熟練掌握三視圖的繪制方法。

活動3. 形體的尺寸標注

活動目標：學會正確標注尺寸。

活動時長：1 課時。

活動過程：學生通過發現自行標注尺寸時存在的不統一和誤解問題，認識到標準的重要性，并跟隨教師學習尺寸標注的基本要求和圓弧尺寸標注方法。

核心任務 2.加工制作模型

驅動性問題：如何物化設計加工圖？如何用工具加工模型？

活動 4. 了解木材特性

活動目標：識別不同木材類型及其性能特點，選擇適合的木料進行加工。

活動時長：0.5 課時。

活動過程：教師引導學生觀察實物木料，收集資料，探究木材力學特性，最終確定使用松木作為加工材料。

活動 5. 認識幾種常用的木工加工工具

活動目標：認識畫線工具、刀具、木工銼、木工砂紙。

活動時長：0.5 課時。

活動過程：學生通過動手試用主要加工工具，了解其使用方法和注意事項，并接受必要的安全教育。具體工具包括角尺、刀鋸、銼刀、砂紙、木工鉆等。

活動 6. 學習木工加工工藝

活動目標：學習木工加工的具體工藝——畫線、鋸割、挫削、表面處理。

活動時長：1 課時。

活動過程：在教師演示指導下，各項目組按照工藝流程進行實踐操作，通過加工木板上的特定部件（比如圓盤和凸輪），總結經驗教訓并交流成果。

核心任務 3.測試優化與評價

驅動性問題：制作出作品項目就結束了嗎？是否需要對作品進行測試？有沒有能改進的地方？如何與大家分享？

活動 7. 制作模型及測試

活動目標：通過加工模型掌握設計的物化能力。

活動時長：2 課時。

活動過程： 教師強調安全事項，指導學生分工合作完成模型制作，并在過程中記錄部分關鍵步驟。

活動 8. 常見問題及優化

活動目標：經歷實踐項目的調整和改進，理解設計的一般過程。

活動時長：0.5 課時。

活動過程： 教師展示學生作品中普遍出現的問題，提出優化建議；學生針對各自的項目模型進行調整和改進。作品容易出現的問題包括：①轉動不靈活；②轉軸易掉出；③結構易搖晃。針對性的參考解決方案為：①對頂部木板進行加厚處理，限制豎桿晃動；②轉軸兩端做限位；③用三角塊加固平行四邊形結構。

活動 9. 展示交流及評價

活動目標：展現項目成果，收獲成功喜悅，反思項目學習收獲。

活動時長：0.5 課時。

活動過程：教師篩選優秀作品進行展示，同時結合評價量表對項目組進行過程評價和最終評價， 學生之間進行互評。通過展示交流，既檢驗了學習效果，又促進了團隊間的相互學習與進步。

學習評價

學習過程評價

學生互評

①參與度。學生參與活動的頻次、時長、認真程度，以及思考問題的認真程度、動手動腦積極程度、是否主動提出活動設想或建議、是否認真查找資料、是否準時完成計劃和學習任務等。②合作精神。包括參與小組活動積極程度，是否主動幫助他人或尋求他人幫助，是否認真傾聽他人的意見，是否樂于與他人分享成果等。③探究精神和學習能力。學生在提出問題、分析問題和解決問題過程中表現出的探究精神和實踐能力，及其對探究結果的表達情況等。④收獲與反思。學生在自我表達、小組活動記錄中的情況反映，以及學生的行為表現和活動成果等。

自我評價

學生對自己在整個項目實踐中的表現進行自我評價、反思和總結。

項目成果評價

教師主要對項目階段性成果和最終成果進行評價，評價量表見表2。

項目總結

項目兼容性強、易推廣

本項目適用于各類學生，成果分為基礎款和創意款，實施可簡可繁，便于大面積推廣。

項目拓展性強、迭代快

本項目可結合物理技術或美術藝術進行設計，同時可結合信息技術進行升級和迭代，包括搖桿傳動部分的電機傳動升級和開源硬件的引入。通過自動化和智能化改造，提升學生的信息技術素養，并可引入人工智能應用。

項目內涵豐富、可深挖

本項目涵蓋機械設計基礎、木工加工技術、工程測試方法等知識，以及設計思維、創新構思、系統分析、展示評價等方法技能，強調勞動價值、創造力、團隊互助和責任感等價值觀，具有進一步挖掘的價值。比如，將機械傳動應用于科技創新設計，或使用設計思維方法解決一般問題等。

該項目獲得第37 屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎