■江蘇省興化中學(xué)

孔明鎖相傳是三國時(shí)期諸葛孔明根據(jù)八卦玄學(xué)的原理而發(fā)明，又名“別悶棍”“六子聯(lián)方”“莫奈何”“難人木”等。它不用釘子和繩子，完全靠自身結(jié)構(gòu)的連接支撐，體現(xiàn)了古人的智慧。作為一種傳統(tǒng)的益智玩具，僅有很少的人能真正玩轉(zhuǎn)孔明鎖，很多人往往是拿在手中拆解不了，或者好不容易拆解了卻無法拼回原樣。

在一次STEM 科技實(shí)踐項(xiàng)目中，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生進(jìn)行三通孔明鎖制作的實(shí)踐。

圖1 三通孔明鎖

一、技術(shù)方案

采用增材制造技術(shù)進(jìn)行制作。增材制造技術(shù)是指基于可以離散排布的耗材，運(yùn)用層層堆積的原理，制作成結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的一種加工技術(shù)?；诓煌姆诸愒瓌t和理解方式，增材制造技術(shù)還有快速制造、3D 打印等多種稱謂。

作為STEM 科技實(shí)踐項(xiàng)目，本次活動(dòng)還需體現(xiàn)“綠色、低碳、環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)理念。在達(dá)到相同的技術(shù)性能的情況下，材料用量較少的方案得分會(huì)更高。

二、限定器材

本次活動(dòng)提供的材料和工具如下。

材料為椴木方木條1 根，其規(guī)格為20mm×20mm×1 000mm。

工具為手工鋸1 把，砂紙1 張，熱熔膠槍1 把，膠棒1 根，木工銼1 把，直尺1 把，角尺1 把，鉛筆1 支。

三、思路方案

將4 根邊長(zhǎng)為10mm 的方木條粘合在一起即可組成邊長(zhǎng)為20mm 的方木條，且如果在粘合前預(yù)留需空出的缺口，就不需要使用傳統(tǒng)的方法鋸槽了。具體如何制作呢？

（一）方案討論

假設(shè)1：如圖2 所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出40mm，即鎖件總長(zhǎng)為100mm，則三通孔明鎖總體積為：

V ＝20×20×20+20×20×40×6＝8 000+96 000 ＝104 000mm3。

則需要10mm×10mm 方木條的長(zhǎng)度為：

L ＝V/100 ＝104 000/100 ＝1 040mm，1 040mm ＞1 000mm。

圖2 三通孔明鎖設(shè)計(jì)圖紙

結(jié)論：此方案中，所供方木條的長(zhǎng)度不夠。

假設(shè)2：如圖紙所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出30mm，即鎖件總長(zhǎng)為80 mm，則三通孔明鎖總體積為：

V ＝20×20×20+20×20×30×6＝8 000+72 000 ＝80 000mm3。

則需要10mm×10mm 方木條的長(zhǎng)度為：

L ＝V/100 ＝80 000/100 ＝800mm，800mm ＜1 000mm。

結(jié)論：此方案中，所供方木條長(zhǎng)度足夠，如果沒有鋸切操作的失誤，將剩余200mm的木條。

假設(shè)3：如圖紙所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出20mm，即鎖件總長(zhǎng)為60mm。此方案所供方木條長(zhǎng)度雖然足夠，但作品比較小，使用時(shí)手感較差，手能持握的部位較短，且會(huì)影響作品的美觀。

假設(shè)4：如圖紙所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出10mm，則作品會(huì)更小，使用時(shí)手感差等問題將更突出。

由此可見，方案2 為最優(yōu)選。

（二）數(shù)量統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)出各種規(guī)格長(zhǎng)度的木條分別所需的數(shù)量，如表1。

表1

四、制作過程

（一）木條鋸切

按表1 分別鋸出不同規(guī)格的木條，用木工銼將木條的毛刺修整平滑。由于鎖件2 的中間是圓柱體，所以需用木工銼將其中一根80mm 的木條的最中間20mm 銼成圓柱體，即兩端各預(yù)留30mm 的長(zhǎng)度，保證圓柱體部分處于中間。

（二）鎖件合成

用熱熔膠槍依照?qǐng)D紙將木條粘合成3 個(gè)鎖件。注意：為便于裝配，鎖件中間的間隙應(yīng)略大，如兩個(gè)30mm 鎖件間應(yīng)空20mm，實(shí)際粘合時(shí)需空22mm； 30mm、40mm 鎖件間應(yīng)空10mm，實(shí)際粘合時(shí)需空12mm。與總長(zhǎng)80mm 的木條相比，兩端正好各多1mm，最后可通過砂紙磨平。

圖3

（三）鎖件組裝

將粘合好的3 個(gè)鎖件進(jìn)行組裝，無法拼裝的可以用銼刀再進(jìn)行細(xì)微修改。

首次玩孔明鎖的人可能要嘗試20 多分鐘才能悟出其中的訣竅，所以本次活動(dòng)將安排45min ～120min 的時(shí)間供學(xué)生組裝、解開孔明鎖。最終制作而成的三通孔明鎖如圖4 所示。

圖4

五、評(píng)價(jià)與交流

讓學(xué)生展示自己制作完成的孔明鎖，并進(jìn)行交流發(fā)言。依據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給每個(gè)作品打分。

1.按要求完成3 個(gè)鎖件的制作，每個(gè)鎖件計(jì)20 分，共計(jì)60 分。

2.鎖件能完美組合成孔明鎖，計(jì)20 分。

3.孔明鎖光滑、美觀，鎖件間的縫隙很小，計(jì)20 分。

六、提升與反思

（一）“解鎖大法”

要玩轉(zhuǎn)孔明鎖，需要反復(fù)拆解孔明鎖，總結(jié)其中的規(guī)律。師生們總結(jié)了三通孔明鎖解鎖與上鎖的 “五字要訣”。

解鎖操作要領(lǐng)：偏轉(zhuǎn)鎖件2，取下鎖件1，移去鎖件2，放下鎖件3；

上鎖操作要領(lǐng)：手持鎖件3，偏放鎖件2，正放鎖件1，旋正鎖件2。

（二）識(shí)破“設(shè)計(jì)陷阱”

在方案確認(rèn)階段，為何不能依據(jù)三通孔明鎖的圖紙直接鋸切制作？

這里可用“整體法”進(jìn)行分析：在原三通孔明鎖的構(gòu)造圖紙中，3 個(gè)鎖件組裝完成后，從X、Y、Z 三個(gè)方向觀察，相當(dāng)于都 有1 根20mm×20mm×100mm 的方木條，但這3 根方木條中，重疊了2 個(gè)20mm×20mm×20mm 的立方塊。

原圖紙中的三通孔明鎖總體積為：

V1＝20×20×100×3－20×20×20×2＝104 000mm3

而教師提供的原材料木條總體積為：

V2＝10×10×1 000＝100 000mm3

本次STEM 科技實(shí)踐活動(dòng)中，預(yù)先設(shè)有“陷阱”，如果不加以必要的分析就做不出一個(gè)成功的三通孔明鎖。

圖5

七、小結(jié)

本次活動(dòng)創(chuàng)造性地融合了增材制造技術(shù)的原理，大大提高了手工制作孔明鎖的效率，化繁為簡(jiǎn)。它不僅能讓學(xué)生了解木工加工的工藝，而且能讓學(xué)生從三通孔明鎖的結(jié)構(gòu)中感受傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的獨(dú)特魅力，加深對(duì)增材制造技術(shù)的理解。