STEAM教学中学生工程建构能力培养

    邹卫华

    

    

    中小学steam教学在开展中，因为受各种因素的影响，基本偏重编程平台的程序设计或3D打印模型设计等，而对工程建构、特别是实物构造的能力培养非常不足。STEAM教学中通常存在一个非常重要的工程建构的实体对象——Robot（机器人），如果让学生了解机器人搭建，学习机器人搭建，进而能搭建出一个行动灵巧、体型百变的机器人，则可以使学生从知识到应用，从设计到创造，充分经历STEAM教学的工程建构，并以此培养工程创新、创造力。更重要的是，在完善模型的结构搭建中，涉及物理学中的力学、运动学、机械学，以及数学中的几何学等知识，这些知识只有在搭建中让学生形象感知并实际运用，学生才能深入理解。

    搭建机器人的“身躯”——学会构造良性主体结构

    机器人无论形态如何变化，都需要有一个“身躯”——主体结构。一个性能良好的主体结构，需要具备以下三点要求——稳固、灵巧、平衡，这是机器人主体结构搭建中三个最重要的因素。

    1.结构的稳固

    不论哪种机器人，其主体的稳固性是第一位的，这是机器人完成任务最基本的要求。然而在实际教学中，经常出现学生搭出的机器人很漂亮、很有创意，却会掉胳膊掉腿，或一碰就散架等情况，这是因为搭建机器人的积木颗粒有一个较大的缺陷：结构搭建不稳固就容易散架。因此，教师需要教给学生一些稳定性结构的方法，促使学生去钻研机械的支撑结构，想办法使其结构牢固。以下是几个比较好的解决方法。

    ①善用“梁”。图1显示了梁的许多连接方法。最常用的一种方式是水平梁与垂直梁交叉搭建，用垂直的梁將与之连接的两根水平梁之间的积木锁住，这样可以搭建出坚固的模型。水平梁与垂直梁互锁实现的顺序是：一根梁，两块板子，再一根梁，再两块板子……可以利用两根梁之间加一层板的方式，将两组梁叠在一起，这样就可以得到一个底盘，有了底盘，结构就非常结实了。

    ②善用分层结构。合理的分层结构可以使机器人结实。用梁和板子分层叠放，再用垂直的梁加固，可以得到轻巧、稳固的结构。结构的稳定并不一定需要很多组件，而在于设计中的技巧。

    ③善用突点拼接。如下页图2所示，左边仅连接一个突点的结构（左）会导致结构扭曲变形，右边的结构则明显稳固。这能让学生明白，两点支撑与多点支撑在结构稳定性中所起的作用的科学道理。

    ④善用销固定。销是连接固定常用的器件，适用于需要不同联结紧密度的地方，但它的直径有大有小，这时可以提醒学生注意销直径大小带来的不同摩擦力，如在连接梁固定时，应选更大摩擦力、与梁配合更紧密的销;而在可转动连接时应选摩擦力小的销，如做杠杆与臂。

    2.结构的灵巧

    正如变形金刚一样，机器人的形体往往会随着任务的变化而变换结构，但又不可能在每次机器人需要形体发生变化时全部重新搭建，所以结构的设计要便于安装和拆卸。最好的方法是将机器人模块化，即将积木颗粒组建成各类模块型结构，实现模块部件。如果说整个机器人是一个完整的系统，那么这些模块部件就是子系统。可以要求学生对以下一些部件进行模块化设计，以便将来拆装某些组件时无需将整个机器人拆散与重构。

    ①将主机、电源模块化。机器人的动力之源是“主机+电源”，这两者就是一个子系统。在搭建过程中，这个子系统会被频繁拆装，这是因为：电源需要不断更换;主机是最贵重的部件，数量较少，会将其分别搭建在很多个机器人上。因此，在主机上加上几个简单的销与梁，组建成一个可以在不同机器人框架上进行安插、拆卸的部件系统，就变得非常必要。

    ②将传动部件模块化。机器人最复杂的组件搭建之一是传动装置，如导向轮、升降机、机械臂（爪）、差速器等，而这些部件往往是根据某种科学定律搭建出来的，搭建麻烦但通用性较高，当把它们模块化后，就能方便地从这个机器人身上拆装到另一个机器人身上。

    ③将传感部件模块化。传感器也是机器人中的贵重部件，且是用于接受外来信号的，往往安装在机器人结构的最外层。将传感器与积木搭成一个安插部件很有必要，同时这个部件系统要考虑到传感器联接主机的数据线的排放。

    ④将载物部件模块化。机器人完成任务时最常用的子系统就是载物部件了。可以鼓励学生发挥想象力，尽可能多地搭建出各种形体的载体部件，当遇上某种取物、送物任务时，就能马上应用。

    ⑤将支撑框架模块化。支撑框架是机器人主体的联结，将其模块化的最大好处是，方便将以上各类子系统进行安插与拆卸。如果设计得巧妙，不仅机器人稳固灵巧，安装拆卸更是省时省力。

    3.结构的平衡

    机器人的一个最大特点是会“动”，动就必然涉及一个特性：平衡。无论是车辆类机器人还是步行爬行类机器人，结构的平衡是行动的先决条件，尤其是搭建步行机器人，平衡问题是至关重要的。

    ①调校底盘。一个平稳的底盘是整个机器人平衡的基石，是保证机器人（尤其是车辆类机器人）平衡的关键所在。搭建（调校）好了一个四平八稳的底盘，就很容易再安装轮子或齿轮，这样学生就很容易用数颗粒单位来分辨出前后左右的重量分布。

    ②讲究对称。机器人在运动时，如前进、后退、转弯、转圈等，会受到负载和惯性的影响，在搭建时，如果没有特殊需求，建议以对称结构为主。对称的结构，可以平衡负载，也可以将惯性的影响降到最小。

    ③追求低重心。机器人的运动速度往往是比较快的，尤其是还会有加速、减速等过程，由于惯性的作用，机器人往往会失衡，这时最好的方法就是尽量降低机器人的重心，以减小惯性带来的不稳定性。

    ④减轻重量。由于常强调使用梁与板来使机器人稳固，学生会常常使用大量的梁、板，只是这样会大大增加机器人的重量，反而不利于机器人的平衡。所以也要让学生明白，能用一根梁固定的，就尽量不要用第二根。相对来说，结构使用组件少，重量更轻，利于机器人平衡。

    搭建机器人的“脚”——学会构造灵活驱动装置

    传动装置是机器人的“脚”，是机器人“行动”起来的基础，这也是所有结构中最灵活的构建，学生构建过程中需要使用齿轮、轴、涡杆、滑轮、链等部件，巧妙合理的组合才能让机器人实现各种运动。教学中，组合是关键，虽然没有必要让学生深刻理解各类运动部件中的数理分析，但需要让他们认识现象，由感知而理解。

    1.齿轮的组合搭建

    齿轮是机器中很重要的部件，它几乎是机器的象征。单个齿轮几乎没有实际意义，但组合起来却能产生奇妙的运动。没必要让学生懂得相互啮合二齿轮之间的扭矩和角速度的等式关系等，但可以通过反复拼装试验，让学生逐渐感知这些组合实现的传动效果。例如，相互啮合的齿轮，当一个齿轮转动时，会带动另一齿轮转动，当一个齿轮顺时针转动时，会带动另一个齿轮逆时针转动;当大齿輪带动小齿轮时，可以实现“加速”，当一个小齿轮带动一个大齿轮时，可以实现“减速”。这样的实践过程，会让学生明白齿轮是用于改变曲轴或轴间转动的速度和扭矩的科学道理，对培养学生机械工程的制造思维非常有帮助。

    2.较特殊的传动方式搭建

    利用齿轮有一些应用也很难实现，这时可以利用其他的传动器件来进行弥补，教师需要让学生在拼装调试中了解这些器件的性能并灵活运用。例如链条，链条有链节链条和履带式链条两种，采用了同一种传动原理，可以拼接成任意长度，这样就可以连接间距较大的轴。链条还可以增大受力面、加大摩擦力、防止打滑等。又如滑轮与皮带，既能传动，又因其有打滑功能能保护马达不受损。再如涡杆，可以把圆周运动变为直线运动;涡轮适用于大比例减速力矩的场合，它还有的“自锁”功能——可以驱动小齿轮（正齿轮），但是小齿轮不能驱动涡轮。学生明白了这些较特殊的传动器件的性能，就能根据实际需求，实现种种传动效果，而这些效果常常会给人带来出乎意料的精彩。

    搭建机器人的“手”——学会构建精巧动力爪臂

    如果说有“脚”，是机器人实现类人运动的第一步，那么有了“手”，才是机器人模仿人类完成如抓、取等动作的关键一步。精巧的机械手，是要能模仿真实手的功能，如抓、搬、举、拿、压、夹、捏、推、拉等。在实际的搭建中，拼装出一个机械臂是比较容易的，难的是“抓”，如何用“爪”来“握”住物体。一般来说，机器爪的“抓”力来自马达，教师在教授学生搭建时，要让学生解决力的方向问题，如通过涡轮和传动轴将马达的旋转运动变成直线运动，就能实现抓取的控制动作。需要明确的是，机械爪（臂）一般都是根据杠杆原理来搭建，所以在指导学生搭建时，应先让学生仔细分析实现任务所需要的抓取力的三个要素——运动方向、作用点和力的大小，然后再根据杠杆原理来设计合适的爪。不能盲目搭建，应在思考中实践，这样才有助于培养学生在感性的搭建中形成对“力学”的理性认知。

    结语

    “智慧出在手指尖上”——这句话用来形容学生学习机器人的构建非常适合。STEAM教学，注重对学生工程建构能力的实际培养，让学生手上可以搭建出无数的形体，实现各类运动方式，真正培养学生的创新精神与实践能力。