智能設(shè)計(jì)中工程項(xiàng)目制作的過(guò)程方法

高凱

用Arduino開(kāi)展智能設(shè)計(jì)活動(dòng)，一個(gè)重要的活動(dòng)類(lèi)別是進(jìn)行工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)，針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中遇到的真實(shí)問(wèn)題，創(chuàng)造一種新的解決方法，或者改進(jìn)現(xiàn)有的解決方案。在活動(dòng)過(guò)程中，要注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生從自己的生活中找到問(wèn)題，并能夠用自己所學(xué)對(duì)這些問(wèn)題提出改進(jìn)意見(jiàn)，或者能夠完成模型制作。

如何引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的問(wèn)題

在我們的生活中從不缺少創(chuàng)意，尤其是在當(dāng)今這個(gè)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，也許我們?nèi)鄙俚氖且浑p發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意的眼睛。引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的觀察習(xí)慣，關(guān)注身邊的人和事，有助于引導(dǎo)學(xué)生形成正確的人生觀和價(jià)值觀。問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)更多地是一個(gè)用心思考的過(guò)程。下面就給大家介紹幾種簡(jiǎn)單有效的方法，能夠幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

缺陷列舉法

我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到很多人抱怨生活中有各種不如意的地方，不要小看這種抱怨，其實(shí)在抱怨的同時(shí)我們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了生活中這些不方便的情況時(shí)，就要及時(shí)把它們記錄下來(lái)?？梢栽谑謾C(jī)備忘錄中建立一個(gè)文件夾，隨手將它們記錄下來(lái)。這樣，當(dāng)我們進(jìn)行項(xiàng)目選題討論的時(shí)候就可以從中找到許多有意義的選題，因?yàn)槟愀杏X(jué)到的這些不方便也一定會(huì)在其他人身上體現(xiàn)出來(lái)。創(chuàng)意的來(lái)源是生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，注意觀察生活，我們就不會(huì)缺乏創(chuàng)意。

如果問(wèn)學(xué)生們?cè)趯W(xué)校中會(huì)遇到什么不方便或者需要改進(jìn)的地方，我想可能很多學(xué)生都會(huì)回答說(shuō)，擦黑板時(shí)的粉筆末讓他們感到非常不舒服。發(fā)現(xiàn)了學(xué)校中的這個(gè)問(wèn)題，也就是發(fā)現(xiàn)了我們的選題內(nèi)容——如何解決教室中擦黑板時(shí)產(chǎn)生的粉筆末？同學(xué)們可以就這一問(wèn)題展開(kāi)討論，集思廣益想出解決辦法。

再比如，近年來(lái)新聞中經(jīng)常報(bào)道由于一些大貨車(chē)超載、超高駛?cè)氤鞘械缆?，造成大貨?chē)撞橋的事件屢屢發(fā)生。交管部門(mén)為了能夠解決這一問(wèn)題，在許多立交橋的入口處都增加了限高桿，雖然撞橋事故有所緩解，但是還會(huì)發(fā)生大貨車(chē)撞桿的情況，同樣影響交通通行。那么這個(gè)問(wèn)題有沒(méi)有更好的解決方案呢？

在以上2個(gè)案例中，同學(xué)們可以使用Arduino控制器實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。在擦黑板的案例中，使用Arduino結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制帶有抹布的機(jī)器人在黑板上走S形軌跡，就可以將黑板擦干凈，同時(shí)還可以避免同學(xué)們吸入過(guò)多的粉筆末。

觀察學(xué)習(xí)法

在這種方法中，學(xué)生要注意觀察別人的尤其是同齡人的優(yōu)秀作品。每年各級(jí)各類(lèi)主辦方都會(huì)舉辦各種創(chuàng)新創(chuàng)意類(lèi)競(jìng)賽。我們可以引導(dǎo)學(xué)生在這些活動(dòng)中尋找自己感興趣的項(xiàng)目和作品，發(fā)掘出作品的核心技術(shù)點(diǎn)，并通過(guò)思考將這些技術(shù)點(diǎn)運(yùn)用于其他領(lǐng)域，這樣就能夠形成新的創(chuàng)新作品。

例如，我們?cè)?jīng)見(jiàn)到過(guò)一種很酷的無(wú)人機(jī)控制方式：在手套中嵌入彎曲度傳感器，飛手帶上手套，只要彎曲手指就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。這個(gè)項(xiàng)目的核心技術(shù)就是運(yùn)用了彎曲度傳感器，將手指的彎曲轉(zhuǎn)化為電阻的變化發(fā)送給控制器。了解了這個(gè)核心技術(shù)以后，有的學(xué)生就想到將彎曲度傳感器運(yùn)用到手語(yǔ)翻譯中，聾啞人帶上手套做出手語(yǔ)動(dòng)作，系統(tǒng)就自動(dòng)將手語(yǔ)翻譯成漢字，方便交流。

在這個(gè)項(xiàng)目中，同樣可以使用Arduino系列控制器完成項(xiàng)目制作。結(jié)合LCD屏幕和彎曲度傳感器，控制器可以檢測(cè)到手指的不同彎曲程度，從而控制屏幕上顯示不同的內(nèi)容。在使用LCD屏幕時(shí)，Arduino為開(kāi)發(fā)者內(nèi)置了液晶屏顯示的庫(kù)文件，我們可以直接調(diào)用它幫助我們完成現(xiàn)實(shí)的工作。

詞組造句法

這種方法能夠幫助學(xué)生快速形成創(chuàng)意，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很多創(chuàng)意點(diǎn)子。但是有些點(diǎn)子會(huì)讓人感覺(jué)太過(guò)于天馬行空，需要教師進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)。使用這種方法的時(shí)候，我們可以讓學(xué)生想出兩種物品，一種是“甲”，另一種則是“乙”，然后讓學(xué)生造句，“帶有甲的乙”和“帶有乙的甲”。這樣就能夠幫助學(xué)生快速形成創(chuàng)意。

例如，有的學(xué)生想出兩個(gè)物品，一個(gè)是水杯，另一個(gè)是麥克風(fēng)。那么學(xué)生的創(chuàng)意就是：帶有水杯的麥克風(fēng)或者是帶有麥克風(fēng)的水杯。我們可以讓學(xué)生不受限制地造句，將自己的創(chuàng)意記錄下來(lái)，然后再組織學(xué)生進(jìn)行甄別和討論，找出哪些作品可以實(shí)現(xiàn)。

創(chuàng)意作品制作的幾個(gè)步驟

上面給大家介紹了幾種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的方法，接下來(lái)給大家講講如何將想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。擁有了想法和創(chuàng)意只是參與工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制作的第一步，下面再給大家介紹幾個(gè)“物化”作品的步驟。

明確主題目標(biāo)，形成個(gè)人解決方案

首先，我們要明確小組要完成的項(xiàng)目主題。根據(jù)項(xiàng)目主題小組學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考，形成個(gè)人的解決方案。在此過(guò)程中，學(xué)生以個(gè)體為單位進(jìn)行思考、資料查找等工作。在查找資料時(shí)，要了解前人已經(jīng)做了哪些研究，獲得了什么樣的成果，還有哪些問(wèn)題沒(méi)有解決。

例如，有的學(xué)生想要制作月球車(chē)模型。在制作之前就要明確，月球車(chē)的工作環(huán)境是怎樣的，有哪些問(wèn)題是必須要解決的，前人已經(jīng)做了哪些模型，測(cè)試結(jié)果又怎樣。了解了這些問(wèn)題之后，學(xué)生將自己作品的重點(diǎn)放在了月球車(chē)輪子的設(shè)計(jì)上。在之前的設(shè)計(jì)中，有人使用履帶，有人使用行星輪，有人使用輪子和履帶結(jié)合的方式……分析了這些方案之后，學(xué)生經(jīng)過(guò)思考提出了一種新的輪子，即“輪腿復(fù)合式”，也就是將輪子和腿整合在一起。針對(duì)此項(xiàng)目主題，還有學(xué)生提出了其他解決方案，比如將機(jī)器人的輪子做成可以變形的，在圓形和橢圓形之間可以隨意切換。機(jī)器人在較為平整的路面上運(yùn)行時(shí)，使用圓形輪子；在崎嶇不平的路面上移動(dòng)時(shí)，輪子則變成橢圓形，增加機(jī)器人的越障能力。

頭腦風(fēng)暴，確定最終實(shí)施方案

在上面的環(huán)節(jié)中，學(xué)生已經(jīng)根據(jù)自己的理解完成了初步設(shè)計(jì)方案。接下來(lái)就是以小組討論的形式確定每個(gè)小組的最終方案。作品的設(shè)計(jì)和制作是以小組為單位完成的，那么最終方案的確定需要小組所有成員共同討論。同時(shí)，在這一環(huán)節(jié)中也培養(yǎng)了學(xué)生的傾聽(tīng)能力和習(xí)慣，從別人的方案中找到優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也要善于闡述自己方案中的優(yōu)勢(shì)，獲得組內(nèi)成員的認(rèn)可。在討論過(guò)程中，很有可能會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，此時(shí)可以采用頭腦風(fēng)暴的方式嘗試提出多種解決方案，最后確定更為合理可行的內(nèi)容。

在一個(gè)主題為“主動(dòng)氣囊防護(hù)功能智能車(chē)”的項(xiàng)目中，學(xué)生針對(duì)氣囊的氣體發(fā)生裝置展開(kāi)激烈的討論。有人認(rèn)為應(yīng)該采用化學(xué)方法產(chǎn)生二氧化碳作為充氣氣體；有人認(rèn)為應(yīng)該使用高壓氣瓶產(chǎn)生氣體，能夠迅速充滿(mǎn)氣囊；還有人認(rèn)為可以使用低壓氣泵產(chǎn)生氣體，這樣對(duì)于控制系統(tǒng)而言更容易控制氣體發(fā)生量。經(jīng)過(guò)小組成員的討論和測(cè)試，最終確定了一種使用低壓氣泵的方式。其實(shí)，學(xué)生能夠想到這種方式也是源于他們對(duì)生活的觀察，他們是從自動(dòng)血壓計(jì)中得到啟發(fā)，最終想到使用低壓氣泵作為氣體發(fā)生裝置的。

最終，學(xué)生使用Arduino?？刂破鳌⒊暡▊鞲衅?、加速度傳感器、電磁繼電器等核心控制部件完成了作品。超聲波傳感器檢測(cè)與前方障礙物的距離，然后通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)小車(chē)的“剎車(chē)速度”，如果無(wú)法避免碰撞，繼電器就控制小氣泵開(kāi)始工作，給小車(chē)外部的氣囊充氣，減少碰撞損失。

確定分工，發(fā)揮個(gè)人最大價(jià)值

在項(xiàng)目制作過(guò)程中，小組分工合作是非常重要的內(nèi)容。在學(xué)生的日常學(xué)習(xí)中，大多是以個(gè)人學(xué)習(xí)方式完成知識(shí)學(xué)習(xí)的。所以，在項(xiàng)目實(shí)踐的過(guò)程中教師要為學(xué)生創(chuàng)造更多合作學(xué)習(xí)、共同交流的機(jī)會(huì)。在項(xiàng)目小組成立時(shí)，教師可以嘗試將不同特長(zhǎng)和興趣愛(ài)好的學(xué)生組合在一起。為了更好地增加學(xué)生的存在感和獲得感，在分組時(shí)可以考慮將每個(gè)學(xué)生分配一個(gè)特定的角色，例如項(xiàng)目組長(zhǎng)、硬件工程師、程序工程師等。在每個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，每個(gè)角色都要完成自己的職責(zé)，而每一個(gè)角色的職責(zé)可以由小組成員共同討論確定。從全面培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的角度出發(fā)，我認(rèn)為每個(gè)小組的角色在不同的項(xiàng)目中可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，學(xué)生的角色不宜固定，可以讓學(xué)生嘗試不同的角色，這樣能夠讓他們?nèi)媪私忭?xiàng)目制作過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)，并通過(guò)交流討論的方式獲得解決方案。

撰寫(xiě)設(shè)計(jì)方案，繪制作品草圖

經(jīng)歷上述過(guò)程之后，學(xué)生們就可以撰寫(xiě)最終確定的研究方案了。研究方案中要涉及具體可以實(shí)施操作的內(nèi)容。要將項(xiàng)目制作中需要的所有零件及加工材料明確出來(lái)，爭(zhēng)取一次采購(gòu)成功。學(xué)生還可以結(jié)合自己項(xiàng)目的功能，在電商平臺(tái)上尋找適合自己作品、同時(shí)性?xún)r(jià)比較高的硬件。因?yàn)樵谒械墓こ添?xiàng)目中，成本控制都是一項(xiàng)必不可少的考慮因素，我們要讓學(xué)生在項(xiàng)目制作的過(guò)程中養(yǎng)成成本控制的習(xí)慣。

在撰寫(xiě)項(xiàng)目方案時(shí)，特別要注意的一點(diǎn)是，一定要增加時(shí)間管理的內(nèi)容。任何項(xiàng)目都有項(xiàng)目完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，學(xué)生要能夠根據(jù)項(xiàng)目完成的時(shí)間，制訂自己的時(shí)間安排表，明確項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)完成的時(shí)間，從而保證項(xiàng)目最終能夠按時(shí)保質(zhì)保量完成。

在“無(wú)軌電車(chē)自動(dòng)掛線(xiàn)裝置”項(xiàng)目中，學(xué)生的設(shè)計(jì)希望改變現(xiàn)有無(wú)軌電車(chē)掛線(xiàn)的方式。現(xiàn)有的掛線(xiàn)方式是，集電桿（“大辮子”）自動(dòng)升起，但是如果沒(méi)有成功掛線(xiàn)，則需要司機(jī)手動(dòng)完成。學(xué)生希望制作一個(gè)具有自動(dòng)掛線(xiàn)功能的裝置，采用傳感器采集集電桿的位置信息并嘗試和電線(xiàn)對(duì)接，那么學(xué)生就要明確帶動(dòng)集電桿運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的數(shù)據(jù)，包括選用舵機(jī)的扭矩、工作電壓等。此外，根據(jù)項(xiàng)目要求，選用何種控制器，要根據(jù)需要連接的外圍輸入輸出設(shè)備確定控制器的端口數(shù)量。例如如果選用Arduino系列控制器，是選擇UNO合適，還是2560合適，需要根據(jù)項(xiàng)目最終確定的功能明確下來(lái)。前面提到了要注意控制成本，如果選用UNO可以實(shí)現(xiàn)，那么比使用2560要便宜幾十元。

在這個(gè)項(xiàng)目中可以選擇Arduino UNO控制器、IO拓展板、舵機(jī)及光電傳感器實(shí)現(xiàn)。光電傳感器檢測(cè)集電桿和電線(xiàn)的位置關(guān)系，集電桿在舵機(jī)的帶動(dòng)下完成轉(zhuǎn)動(dòng)，以便能夠?qū)?zhǔn)電線(xiàn)的位置。

精確模型尺寸，完成首版制作

到此為止，學(xué)生就可以開(kāi)始動(dòng)手制作了。做好前期準(zhǔn)備工作能夠使制作過(guò)程變得更加高效，起到事半功倍的效果。在制作環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案，采用數(shù)控加工工具和手工加工工具相結(jié)合的方式進(jìn)行項(xiàng)目加工。常用的數(shù)控加工設(shè)備包括3D打印機(jī)和激光雕刻機(jī)。二者具有很好的互補(bǔ)性，一個(gè)是增材制造，一個(gè)則是減材制造；一個(gè)速度較慢，一個(gè)速度較快。當(dāng)把所有零件都加工完成后，就可以進(jìn)行裝配了。在裝配過(guò)程中特別要注意裝配流程，如果沒(méi)有按照一定的流程裝配，則很有可能出現(xiàn)返工的情況。接下來(lái)就是調(diào)試和測(cè)試的環(huán)節(jié)，根據(jù)方案中確定的功能調(diào)試程序。首版制作完成以后，為了確保作品能夠在展示過(guò)程中順利演示，可以讓學(xué)生將作品帶到不同地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。例如，如果用到光電傳感器，則需要到不同光線(xiàn)下進(jìn)行測(cè)試，確保作品能夠正常運(yùn)行。

上面幾個(gè)環(huán)節(jié)是一個(gè)工程項(xiàng)目制作的一般步驟，根據(jù)不同的項(xiàng)目可以將環(huán)節(jié)進(jìn)行合并或者反復(fù)循環(huán)。例如，在項(xiàng)目制作過(guò)程中，遇到一個(gè)很難解決的技術(shù)問(wèn)題，或者很難在短時(shí)間內(nèi)完成，那么學(xué)生就要重新修改方案。

個(gè)人認(rèn)為，一個(gè)工程項(xiàng)目的制作有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和整體觀。同時(shí)，工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等素養(yǎng)也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)全面發(fā)展的重要組成部分。學(xué)生要能夠從項(xiàng)目大局出發(fā)思考和考慮問(wèn)題，而不是只專(zhuān)注于自己關(guān)心的領(lǐng)域。在項(xiàng)目制作過(guò)程中，要讓學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)，充分為學(xué)生創(chuàng)造學(xué)以致用的機(jī)會(huì)。在團(tuán)隊(duì)合作中，發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的最大潛能。