硬紙板自動機(jī)

李佩寧

在STEM領(lǐng)域，科學(xué)和技術(shù)正在不斷與人類社會產(chǎn)生互動，通過各種方式影響著人們的日常生活。回首十八世紀(jì)末，當(dāng)以歐洲為代表的精密儀器制造術(shù)進(jìn)入鼎盛時(shí)期，一些極富才華的工程師把創(chuàng)造力揮灑在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域，制造出了機(jī)械娃娃、機(jī)械動物、音樂盒……這是一個(gè)充滿想象力和創(chuàng)造力的美好時(shí)代?？萍疾粌H是一種提升效率的工具，科技本身也具有人文性，也包含了藝術(shù)的特質(zhì)。近年來已不斷有專家和學(xué)者提出，應(yīng)將STEM擴(kuò)充為STEAM，其中的“A”正是代表了藝術(shù)（Art）。如今，機(jī)械領(lǐng)域的輝煌已成為歷史，微電子、基因生物工程、量子力學(xué)等正不斷取得新的突破，而科技與人類的關(guān)系也正在引起人們的反思。

一、課程重點(diǎn)

通過制作硬紙板自動機(jī)，探究基本機(jī)械原理，考慮產(chǎn)品藝術(shù)性，認(rèn)識科技和人類的關(guān)系。

【涉及領(lǐng)域】機(jī)械、工程、技術(shù)、物理、美術(shù)

【建議年級】小學(xué)中年級

【建議時(shí)間】基礎(chǔ)課程165分鐘

【材料】硬紙板，熱熔膠槍，木質(zhì)手工棒，白紙，細(xì)鐵絲，裁紙刀，剪刀，膠水，膠帶，水彩筆或蠟筆

二、課程任務(wù)

通過視頻等方式了解硬紙板自動機(jī)的概念和基本制作方法，發(fā)揮創(chuàng)意完成一個(gè)硬紙板自動機(jī)的設(shè)計(jì)和制作。設(shè)計(jì)過程中不但要運(yùn)用機(jī)械傳動的一些基本原理，還要為硬紙板自動機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)故事情景，尋求機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能性和硬紙板自動機(jī)所展示的故事情景的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在活動中還將學(xué)習(xí)如何和他人進(jìn)行交流與合作，分工協(xié)作完成故事情景、機(jī)械設(shè)計(jì)和制作等工作。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（20分鐘）

為學(xué)生播放一些關(guān)于硬紙板自動機(jī)的視頻（可在“必應(yīng)搜索”中輸入關(guān)鍵詞“Cardboard Automata”獲得動態(tài)圖片或視頻），同時(shí)出示教師自己制作的只能完成一個(gè)動作的硬紙板自動機(jī)模型。通過這些手段讓學(xué)生了解，什么是硬紙板自動機(jī)，以及怎樣制作硬紙板自動機(jī)。

視頻內(nèi)容要盡量包括不同的機(jī)械傳動方式和模型運(yùn)動形式。例如包括轉(zhuǎn)動、上下運(yùn)動、左右擺動、前后擺動、曲軸運(yùn)動、偏心輪軌跡運(yùn)動以及上述形式的組合式運(yùn)動等。

學(xué)生觀看后，進(jìn)行討論，教師用以下問題進(jìn)行引導(dǎo)：

（1）硬紙板自動機(jī)有幾個(gè)部分及作用是什么？

（2）為什么通過轉(zhuǎn)動手柄，可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動形式？

（3）剛才看到的運(yùn)動形式是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

（4）你還能想到什么別的運(yùn)動形式？

（5）硬紙板自動機(jī)還能實(shí)現(xiàn)其他功能嗎？比如能發(fā)出聲音嗎？

2.建構(gòu)任務(wù)（30分鐘）

每個(gè)小組要用硬紙板、剪刀、竹簽、熱熔膠槍設(shè)計(jì)2種不同的機(jī)械傳動形式，到臺前展示并說明傳動原理。

在第一次設(shè)計(jì)中，學(xué)生可能會對如何實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動形式無從下手，從而退回到選擇最簡單的上下移動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為了幫助學(xué)生進(jìn)一步拓展思路，教師此時(shí)應(yīng)當(dāng)組織全班進(jìn)行討論。向?qū)W生提問“剛剛視頻中出現(xiàn)了哪些運(yùn)動形式？”并將學(xué)生的列舉記錄在黑板上，如果學(xué)生無法列舉完整，教師可再次播放視頻，然后補(bǔ)充記錄。

針對所列舉的不同運(yùn)動形式，請每個(gè)小組花5分鐘時(shí)間討論其中一種，分析清楚其中的原理，并準(zhǔn)備好草圖，制作簡易結(jié)構(gòu)。如果有的組不能完成，也可以向其他組進(jìn)行咨詢。討論后，教師組織每個(gè)小組輪流向其他小組講解。

3.宣布課程任務(wù)和量規(guī)（10分鐘）

宣布任務(wù)：制作一個(gè)硬紙板自動機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種以上的運(yùn)動（越多越好），并且能夠展示一個(gè)合理的故事情景。同時(shí)呈現(xiàn)評價(jià)量規(guī)（見表1）。

4.初步設(shè)計(jì)（20分鐘）

各小組開始獨(dú)立設(shè)計(jì)。第一次設(shè)計(jì)的核心在于，首先思考要講述的故事或?qū)崿F(xiàn)的情景，然后再想辦法讓機(jī)械動作與之相配合。注意：不是先讓模型隨機(jī)動起來，然后再用故事或情境將其合理化；而是要先有了合理的想法，再使用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)想法。各小組應(yīng)首先進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，提出想要實(shí)現(xiàn)的情景，然后選擇其中一至兩個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。教師可以用以下問題進(jìn)行引導(dǎo)：

（1）你們想要展示什么情景？

（2）這個(gè)情景中應(yīng)該有哪些動作？

（3）這些動作怎樣進(jìn)行配合？

（4）你們對實(shí)現(xiàn)這種類型的動作有什么疑問？

教師也可選取優(yōu)秀合理的設(shè)計(jì)向其他小組展示，幫助大家開拓思路。

5.制作（40分鐘）

設(shè)計(jì)圖需要有外部形狀、內(nèi)部構(gòu)造、關(guān)鍵部件的形狀（如偏心輪、棘輪等）、所使用的材料和制作步驟。完成設(shè)計(jì)圖并經(jīng)教師檢查過的小組可以開始制作。教師要提醒各小組合理分工，示范安全使用各種工具，觀察學(xué)生的使用過程，并提醒安全注意事項(xiàng)。完成制作的小組，可先進(jìn)行展示排練。圖1為部分學(xué)生作品。其中有兩個(gè)學(xué)生用紙板自動機(jī)模擬一只烏龜，當(dāng)搖動把手時(shí)，“烏龜”的頭會左右搖擺，“爪子”會旋轉(zhuǎn)。爪子的動作來自于由橡皮筋實(shí)現(xiàn)的皮帶傳動，頭的擺動來自于2個(gè)偏心輪組成的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

6.展示和總結(jié)（30分鐘）

給每個(gè)小組5分鐘時(shí)間進(jìn)行展示。首先展示硬紙板自動機(jī)所表現(xiàn)的故事或情景，形式不限。接下來需要介紹創(chuàng)意、設(shè)計(jì)及制作的過程，遇到了哪些問題以及如何解決的，是否改進(jìn)了設(shè)計(jì)以及如何改進(jìn)的。其他小組也可以提問。所有小組展示完成后，教師就全部作品做出評價(jià)，提出各組設(shè)計(jì)制作過程和成品的亮點(diǎn)。

（責(zé)任編輯 郭向和）