基于STEAM理念的項(xiàng)目化課例設(shè)計(jì)
——以兩軸式四擋簡(jiǎn)易手動(dòng)變速器為例

朱曼曼

（南京新港中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 210046）

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

STEAM教育理念最早是美國(guó)政府提出的教育倡議，為加強(qiáng)美國(guó)K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)的教育，鼓勵(lì)孩子在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和提高，培養(yǎng)孩子的綜合素養(yǎng)，從而提升其全球競(jìng)爭(zhēng)力。STEAM是一種教育理念，倡導(dǎo)課程整合或跨學(xué)科。現(xiàn)實(shí)世界的許多工作或研究場(chǎng)所已由專注于單學(xué)科的專業(yè)實(shí)踐轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)多學(xué)科的合作，如生物醫(yī)學(xué)工程，智能網(wǎng)聯(lián)汽車，電動(dòng)汽車等，筆者所處的是汽車行業(yè)，汽車自1886年被卡爾·奔馳制造出以機(jī)械為主要核心技術(shù)的三輪汽車，經(jīng)過100多年的發(fā)展，中間電控發(fā)動(dòng)機(jī)，電控底盤，車身控制模塊的出現(xiàn)，使汽車和電子緊密的聯(lián)系在一起，而現(xiàn)在現(xiàn)代通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制模塊、車載傳感器的加持，實(shí)現(xiàn)V2X車路云智能信息交換共享，使得汽車的發(fā)展更加智能化、科技化、網(wǎng)聯(lián)化，最終實(shí)際無人駕駛。技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)就是產(chǎn)業(yè)的融合，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開人才的培養(yǎng)，單一技能的人才已經(jīng)無法支撐未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來，我們需要的是多方面的綜合型人才，而這需要教師在日常教學(xué)過程中逐步滲透STEAM教育理念。

本文以中職兩軸式四擋簡(jiǎn)易手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)的教學(xué)為例，從情境引入、探究原理、設(shè)計(jì)制作和評(píng)價(jià)反饋4 個(gè)方面，探討基于STEAM教育的綜合性項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)，凸顯STEAM課程設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)復(fù)合型人才，表1為設(shè)計(jì)思路。

2 項(xiàng)目實(shí)施過程

2.1 情境引入——激發(fā)學(xué)生興趣

沒有變速器，汽車也能走，但只能以一個(gè)速度前進(jìn)，不能減速和加速，甚至一個(gè)小坡就能讓汽車望而卻步，不能滿足不同行駛工況的需要，所以變速器的作用尤為重要。

設(shè)計(jì)意圖：通過汽車在生活中出現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，加速，減速，倒車都是如何實(shí)現(xiàn)的呢？引發(fā)學(xué)生思考，同時(shí)引入本節(jié)課任務(wù)，簡(jiǎn)易式手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)。

2.2 探究原理——驗(yàn)證猜想

機(jī)械基礎(chǔ)里學(xué)習(xí)過各種類型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，加速，減速其實(shí)都是速度的變化，那什么機(jī)構(gòu)可以方便的實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的改變呢？

學(xué)生想到可以通過最簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，則輸出軸(從動(dòng)齒輪)的轉(zhuǎn)速就降低，即為減速傳動(dòng)（i＞1）；當(dāng)以大齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則輸出軸(從動(dòng)齒輪)的轉(zhuǎn)速就升高了，即為加速傳動(dòng)（i＜1）；當(dāng)齒數(shù)相同的兩個(gè)齒輪嚙合，則輸出軸的速度不變，就是等速傳動(dòng)。那到底這個(gè)猜想對(duì)不對(duì)呢？同學(xué)們找來齒輪開始驗(yàn)證，模型圖如下圖1。

第一組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅色的小齒輪1帶動(dòng)藍(lán)色的大齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，明顯的大齒輪（輸出）的轉(zhuǎn)速降低了。

第二組發(fā)現(xiàn)：當(dāng)藍(lán)色的大齒輪2帶動(dòng)紅色的小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，明顯的小齒輪（輸出）的轉(zhuǎn)速升高了。

第三組發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩個(gè)相同的紅色齒輪1帶動(dòng)藍(lán)色齒輪3時(shí)，兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速相同。

圖1 齒輪傳動(dòng)原理驗(yàn)證

經(jīng)過觀察計(jì)算，發(fā)現(xiàn)紅色齒輪1共28個(gè)齒數(shù)，藍(lán)色齒輪2共有42個(gè)齒數(shù)，藍(lán)色齒輪3共有28個(gè)齒，傳動(dòng)比如何計(jì)算呢？引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速與從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速之比值，也等于從動(dòng)齒輪的齒數(shù)與主動(dòng)齒輪齒數(shù)之比。i=Z2/Z1

第一組計(jì)算的傳動(dòng)比為Z（一組）=Z2/Z1=42/28=1.5；第二組計(jì)算的傳動(dòng)比Z（二組）=Z1/Z2=28/42=0.6666；第三組傳動(dòng)比Z（三組）=Z3/Z1=28/28=1。

那么汽車倒退行駛?cè)绾谓鉀Q呢？教師繼而提出第二個(gè)問題，同學(xué)們開始探究，有一組同學(xué)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一對(duì)相嚙合的外齒輪旋向相反，即齒輪帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2順時(shí)針，齒輪1是逆時(shí)針，每經(jīng)過一傳動(dòng)副，其軸改變一次轉(zhuǎn)向，那如果再加入一個(gè)齒輪（倒擋輪），就可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)旋向的改變，從而實(shí)現(xiàn)車輪的反轉(zhuǎn)，倒退行駛。近而突破倒退行駛問題。

表1 兩軸式四擋簡(jiǎn)易手動(dòng)變速器的案例設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生進(jìn)行齒輪實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn)齒輪運(yùn)動(dòng)過程，驗(yàn)證、總結(jié)齒輪傳動(dòng)規(guī)律，從而加強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)的理解，獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，符合我國(guó)著名教育家陶行知提出的“教學(xué)做合一”的教育主張，注重在做中學(xué)，學(xué)中做，培養(yǎng)了學(xué)生勇于探究，勇于嘗試的探索精神。

同時(shí)STEAM教育倡導(dǎo)以活動(dòng)為基礎(chǔ)，是一種動(dòng)手做的課堂體驗(yàn)，不是直接教授給學(xué)生相關(guān)知識(shí)，而是讓學(xué)生在活動(dòng)過程中自己去探究，歸納。

2.3 應(yīng)用原理——設(shè)計(jì)制作

活動(dòng)一：手動(dòng)變速器原理圖設(shè)計(jì)，剖析

在通過齒輪機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)了解手動(dòng)變速器的原理之后，運(yùn)用不同的傳動(dòng)比得到不同的檔位，同學(xué)們開始兩軸式四擋簡(jiǎn)易手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)。

圖2 手動(dòng)變速器設(shè)計(jì)原理示意圖

第一步同學(xué)們先小組討論，在腦海里構(gòu)思手動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)原理圖，在白紙上開始設(shè)計(jì)，要有一個(gè)輸入軸，一個(gè)輸出軸，實(shí)現(xiàn)3個(gè)前進(jìn)擋，一個(gè)倒擋，借助CAD制圖軟件畫出，如圖2所示，其中一組設(shè)計(jì)方案如下：

當(dāng)掛入一檔時(shí)，一、二檔同步器結(jié)合套左移，與一檔結(jié)合，動(dòng)力便從輸入軸傳到一檔主動(dòng)齒輪（與軸一體），通過齒輪嚙合傳到一檔從動(dòng)齒輪（與軸空套），一、二檔同步器結(jié)合套，花鍵轂，輸出軸。

Z1=Z（1擋從動(dòng)）/Z（一檔主動(dòng)）=29/12=2.416

當(dāng)掛入二檔時(shí)，一、二檔同步器結(jié)合套右移，與二檔結(jié)合，動(dòng)力便從輸入軸傳到二檔主動(dòng)齒輪（與軸一體），通過齒輪嚙合傳到二檔從動(dòng)齒輪（與軸空套），一、二檔同步器結(jié)合套，花鍵轂，輸出軸。

Z2=Z（2擋從動(dòng)）/Z（2檔主動(dòng)）=26/15=1.733

當(dāng)掛入三檔時(shí)，三、倒檔同步器結(jié)合套左移，與三檔結(jié)合，動(dòng)力便從輸入軸傳到三、倒擋同步器花鍵轂，結(jié)合套，三檔主動(dòng)齒輪（與軸空套），三擋從動(dòng)齒輪（與軸一體），輸出軸。

Z3=Z（3擋從動(dòng)）/Z（3檔主動(dòng)）=17/24=0.708

當(dāng)掛入倒檔時(shí)，三、倒檔同步器結(jié)合套右移，與倒檔結(jié)合，動(dòng)力便從輸入軸傳到三、倒擋同步器花鍵轂，結(jié)合套，倒檔主動(dòng)齒輪（與軸空套），倒擋惰輪，倒擋從動(dòng)齒輪（與軸一體），輸出軸。

Z3=Z（倒擋從動(dòng)）/Z（倒檔主動(dòng)）=24/12=2

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在齒輪傳動(dòng)原理基礎(chǔ)上通過不同齒輪的組合得到幾組不同的傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)變速器的功能，學(xué)生通過小組討論，頭腦風(fēng)暴，集思廣益，設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)易式手動(dòng)變速器并用CAD制圖相關(guān)知識(shí)，將想法用圖紙形式表達(dá)出來，通過不同學(xué)科知識(shí)整合，運(yùn)用底盤知識(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，數(shù)學(xué)學(xué)科計(jì)算不同檔位傳動(dòng)比，CAD繪圖最終呈現(xiàn)作品的設(shè)計(jì)思路，體現(xiàn)了STEAM的整合理念，取消學(xué)科間的界限，讓學(xué)科之間互相滲透，優(yōu)化組合，多元化角度運(yùn)用知識(shí)，將所有學(xué)科內(nèi)容整合到新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，使學(xué)生能更好的適應(yīng)社會(huì)，適應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目，成為復(fù)合型人才。

活動(dòng)二：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合機(jī)械基礎(chǔ)相關(guān)公式，對(duì)齒輪參數(shù)計(jì)算，利用軟件建模進(jìn)行3D打印

已知齒輪模數(shù)m=1，壓力角為20°，齒寬為6mm，每組嚙合齒輪齒數(shù)之和為41，一檔主動(dòng)齒輪齒輪齒數(shù)z1主=12，一檔從動(dòng)齒輪z1從=29；二擋主動(dòng)齒輪z2主=15，二擋從動(dòng)齒輪z2從=26；三擋主動(dòng)齒輪z3主=24，二擋從動(dòng)齒輪z3從=17；倒擋主動(dòng)齒輪z倒主=12，倒擋從動(dòng)齒輪z倒從=24，倒擋惰輪齒輪z倒惰輪=12；結(jié)合公式齒輪分度圓直徑d=mz，齒頂圓直徑da=（z+2）*m，計(jì)算得出

d1主=12mm，da1主=14mm；d1從=29mm，da1從=31mm；以此類推d2，d3。d倒；利用Lumion軟件建模如圖3：

圖3 手動(dòng)變速器建模圖

圖4 手動(dòng)變速器組裝圖

活動(dòng)三：結(jié)合設(shè)計(jì)示意圖，進(jìn)行手動(dòng)變速器組裝，模擬不同檔位

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同齒輪按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行組裝，如圖4所示，通過調(diào)試，裝上電池，模擬不同檔位變換，極大的鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的積極性。

2.4 評(píng)價(jià)反饋——共享成果

在各組學(xué)生設(shè)計(jì)出自己的簡(jiǎn)易式手動(dòng)變速器后，教師進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生以小組的形式對(duì)本節(jié)課零散的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)化整理，如手動(dòng)變速器的工作原理，手從變速器的傳動(dòng)路線，齒輪的計(jì)算等。不同組之間分享自己組的設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)制作過程遇到的困難和心得，不斷優(yōu)化，進(jìn)行成果展示。

3 項(xiàng)目總結(jié)及反思

通過項(xiàng)目?jī)奢S式四擋簡(jiǎn)易手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)將原本分散的教學(xué)內(nèi)容統(tǒng)一融合在一起，以核心課程《汽車底盤》為中心，關(guān)聯(lián)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《CAD制圖》等專業(yè)必修課以及《數(shù)學(xué)》《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》等基礎(chǔ)課的知識(shí)，著力培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，STEAM

教育在于打破學(xué)科界限，由單學(xué)科的專業(yè)實(shí)踐轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)的融合與合作，在科技不斷發(fā)展的今天，行業(yè)的合作共贏，多學(xué)科交叉，應(yīng)用更顯得尤為重要，STEAM理念在教學(xué)中應(yīng)用，從課堂上培養(yǎng)學(xué)生的STEAM理念，培養(yǎng)復(fù)合型人才，為今后的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。