鄒衛(wèi)華

中小學(xué)STEAM教學(xué)在開(kāi)展中，因?yàn)槭芨鞣N因素的影響，基本偏重編程平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)或3D打印模型設(shè)計(jì)等，而對(duì)工程建構(gòu)、特別是實(shí)物構(gòu)造的能力培養(yǎng)非常不足。STEAM教學(xué)中通常存在一個(gè)非常重要的工程建構(gòu)的實(shí)體對(duì)象——Robot（機(jī)器人），如果讓學(xué)生了解機(jī)器人搭建，學(xué)習(xí)機(jī)器人搭建，進(jìn)而能搭建出一個(gè)行動(dòng)靈巧、體型百變的機(jī)器人，則可以使學(xué)生從知識(shí)到應(yīng)用，從設(shè)計(jì)到創(chuàng)造，充分經(jīng)歷STEAM教學(xué)的工程建構(gòu)，并以此培養(yǎng)工程創(chuàng)新、創(chuàng)造力。更重要的是，在完善模型的結(jié)構(gòu)搭建中，涉及物理學(xué)中的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械學(xué)，以及數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)等知識(shí)，這些知識(shí)只有在搭建中讓學(xué)生形象感知并實(shí)際運(yùn)用，學(xué)生才能深入理解。

搭建機(jī)器人的“身軀”——學(xué)會(huì)構(gòu)造良性主體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人無(wú)論形態(tài)如何變化，都需要有一個(gè)“身軀”——主體結(jié)構(gòu)。一個(gè)性能良好的主體結(jié)構(gòu)，需要具備以下三點(diǎn)要求——穩(wěn)固、靈巧、平衡，這是機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)搭建中三個(gè)最重要的因素。

1.結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固

不論哪種機(jī)器人，其主體的穩(wěn)固性是第一位的，這是機(jī)器人完成任務(wù)最基本的要求。然而在實(shí)際教學(xué)中，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生搭出的機(jī)器人很漂亮、很有創(chuàng)意，卻會(huì)掉胳膊掉腿，或一碰就散架等情況，這是因?yàn)榇罱C(jī)器人的積木顆粒有一個(gè)較大的缺陷：結(jié)構(gòu)搭建不穩(wěn)固就容易散架。因此，教師需要教給學(xué)生一些穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的方法，促使學(xué)生去鉆研機(jī)械的支撐結(jié)構(gòu)，想辦法使其結(jié)構(gòu)牢固。以下是幾個(gè)比較好的解決方法。

①善用“梁”。圖1顯示了梁的許多連接方法。最常用的一種方式是水平梁與垂直梁交叉搭建，用垂直的梁將與之連接的兩根水平梁之間的積木鎖住，這樣可以搭建出堅(jiān)固的模型。水平梁與垂直梁互鎖實(shí)現(xiàn)的順序是：一根梁，兩塊板子，再一根梁，再兩塊板子……可以利用兩根梁之間加一層板的方式，將兩組梁疊在一起，這樣就可以得到一個(gè)底盤(pán)，有了底盤(pán)，結(jié)構(gòu)就非常結(jié)實(shí)了。

②善用分層結(jié)構(gòu)。合理的分層結(jié)構(gòu)可以使機(jī)器人結(jié)實(shí)。用梁和板子分層疊放，再用垂直的梁加固，可以得到輕巧、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定并不一定需要很多組件，而在于設(shè)計(jì)中的技巧。

③善用突點(diǎn)拼接。如下頁(yè)圖2所示，左邊僅連接一個(gè)突點(diǎn)的結(jié)構(gòu)（左）會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲變形，右邊的結(jié)構(gòu)則明顯穩(wěn)固。這能讓學(xué)生明白，兩點(diǎn)支撐與多點(diǎn)支撐在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中所起的作用的科學(xué)道理。

④善用銷固定。銷是連接固定常用的器件，適用于需要不同聯(lián)結(jié)緊密度的地方，但它的直徑有大有小，這時(shí)可以提醒學(xué)生注意銷直徑大小帶來(lái)的不同摩擦力，如在連接梁固定時(shí)，應(yīng)選更大摩擦力、與梁配合更緊密的銷;而在可轉(zhuǎn)動(dòng)連接時(shí)應(yīng)選摩擦力小的銷，如做杠桿與臂。

2.結(jié)構(gòu)的靈巧

正如變形金剛一樣，機(jī)器人的形體往往會(huì)隨著任務(wù)的變化而變換結(jié)構(gòu)，但又不可能在每次機(jī)器人需要形體發(fā)生變化時(shí)全部重新搭建，所以結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要便于安裝和拆卸。最好的方法是將機(jī)器人模塊化，即將積木顆粒組建成各類模塊型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模塊部件。如果說(shuō)整個(gè)機(jī)器人是一個(gè)完整的系統(tǒng)，那么這些模塊部件就是子系統(tǒng)。可以要求學(xué)生對(duì)以下一些部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以便將來(lái)拆裝某些組件時(shí)無(wú)需將整個(gè)機(jī)器人拆散與重構(gòu)。

①將主機(jī)、電源模塊化。機(jī)器人的動(dòng)力之源是“主機(jī)+電源”，這兩者就是一個(gè)子系統(tǒng)。在搭建過(guò)程中，這個(gè)子系統(tǒng)會(huì)被頻繁拆裝，這是因?yàn)椋弘娫葱枰粩喔鼡Q;主機(jī)是最貴重的部件，數(shù)量較少，會(huì)將其分別搭建在很多個(gè)機(jī)器人上。因此，在主機(jī)上加上幾個(gè)簡(jiǎn)單的銷與梁，組建成一個(gè)可以在不同機(jī)器人框架上進(jìn)行安插、拆卸的部件系統(tǒng)，就變得非常必要。

②將傳動(dòng)部件模塊化。機(jī)器人最復(fù)雜的組件搭建之一是傳動(dòng)裝置，如導(dǎo)向輪、升降機(jī)、機(jī)械臂（爪）、差速器等，而這些部件往往是根據(jù)某種科學(xué)定律搭建出來(lái)的，搭建麻煩但通用性較高，當(dāng)把它們模塊化后，就能方便地從這個(gè)機(jī)器人身上拆裝到另一個(gè)機(jī)器人身上。

③將傳感部件模塊化。傳感器也是機(jī)器人中的貴重部件，且是用于接受外來(lái)信號(hào)的，往往安裝在機(jī)器人結(jié)構(gòu)的最外層。將傳感器與積木搭成一個(gè)安插部件很有必要，同時(shí)這個(gè)部件系統(tǒng)要考慮到傳感器聯(lián)接主機(jī)的數(shù)據(jù)線的排放。

④將載物部件模塊化。機(jī)器人完成任務(wù)時(shí)最常用的子系統(tǒng)就是載物部件了?？梢怨膭?lì)學(xué)生發(fā)揮想象力，盡可能多地搭建出各種形體的載體部件，當(dāng)遇上某種取物、送物任務(wù)時(shí)，就能馬上應(yīng)用。

⑤將支撐框架模塊化。支撐框架是機(jī)器人主體的聯(lián)結(jié)，將其模塊化的最大好處是，方便將以上各類子系統(tǒng)進(jìn)行安插與拆卸。如果設(shè)計(jì)得巧妙，不僅機(jī)器人穩(wěn)固靈巧，安裝拆卸更是省時(shí)省力。

3.結(jié)構(gòu)的平衡

機(jī)器人的一個(gè)最大特點(diǎn)是會(huì)“動(dòng)”，動(dòng)就必然涉及一個(gè)特性：平衡。無(wú)論是車輛類機(jī)器人還是步行爬行類機(jī)器人，結(jié)構(gòu)的平衡是行動(dòng)的先決條件，尤其是搭建步行機(jī)器人，平衡問(wèn)題是至關(guān)重要的。

①調(diào)校底盤(pán)。一個(gè)平穩(wěn)的底盤(pán)是整個(gè)機(jī)器人平衡的基石，是保證機(jī)器人（尤其是車輛類機(jī)器人）平衡的關(guān)鍵所在。搭建（調(diào)校）好了一個(gè)四平八穩(wěn)的底盤(pán)，就很容易再安裝輪子或齒輪，這樣學(xué)生就很容易用數(shù)顆粒單位來(lái)分辨出前后左右的重量分布。

②講究對(duì)稱。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)圈等，會(huì)受到負(fù)載和慣性的影響，在搭建時(shí)，如果沒(méi)有特殊需求，建議以對(duì)稱結(jié)構(gòu)為主。對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，可以平衡負(fù)載，也可以將慣性的影響降到最小。

③追求低重心。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度往往是比較快的，尤其是還會(huì)有加速、減速等過(guò)程，由于慣性的作用，機(jī)器人往往會(huì)失衡，這時(shí)最好的方法就是盡量降低機(jī)器人的重心，以減小慣性帶來(lái)的不穩(wěn)定性。

④減輕重量。由于常強(qiáng)調(diào)使用梁與板來(lái)使機(jī)器人穩(wěn)固，學(xué)生會(huì)常常使用大量的梁、板，只是這樣會(huì)大大增加機(jī)器人的重量，反而不利于機(jī)器人的平衡。所以也要讓學(xué)生明白，能用一根梁固定的，就盡量不要用第二根。相對(duì)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)使用組件少，重量更輕，利于機(jī)器人平衡。

搭建機(jī)器人的“腳”——學(xué)會(huì)構(gòu)造靈活驅(qū)動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置是機(jī)器人的“腳”，是機(jī)器人“行動(dòng)”起來(lái)的基礎(chǔ)，這也是所有結(jié)構(gòu)中最靈活的構(gòu)建，學(xué)生構(gòu)建過(guò)程中需要使用齒輪、軸、渦桿、滑輪、鏈等部件，巧妙合理的組合才能讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。教學(xué)中，組合是關(guān)鍵，雖然沒(méi)有必要讓學(xué)生深刻理解各類運(yùn)動(dòng)部件中的數(shù)理分析，但需要讓他們認(rèn)識(shí)現(xiàn)象，由感知而理解。

1.齒輪的組合搭建

齒輪是機(jī)器中很重要的部件，它幾乎是機(jī)器的象征。單個(gè)齒輪幾乎沒(méi)有實(shí)際意義，但組合起來(lái)卻能產(chǎn)生奇妙的運(yùn)動(dòng)。沒(méi)必要讓學(xué)生懂得相互嚙合二齒輪之間的扭矩和角速度的等式關(guān)系等，但可以通過(guò)反復(fù)拼裝試驗(yàn)，讓學(xué)生逐漸感知這些組合實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)效果。例如，相互嚙合的齒輪，當(dāng)一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)另一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)另一個(gè)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)大齒輪帶動(dòng)小齒輪時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“加速”，當(dāng)一個(gè)小齒輪帶動(dòng)一個(gè)大齒輪時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“減速”。這樣的實(shí)踐過(guò)程，會(huì)讓學(xué)生明白齒輪是用于改變曲軸或軸間轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和扭矩的科學(xué)道理，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械工程的制造思維非常有幫助。

2.較特殊的傳動(dòng)方式搭建

利用齒輪有一些應(yīng)用也很難實(shí)現(xiàn)，這時(shí)可以利用其他的傳動(dòng)器件來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，教師需要讓學(xué)生在拼裝調(diào)試中了解這些器件的性能并靈活運(yùn)用。例如鏈條，鏈條有鏈節(jié)鏈條和履帶式鏈條兩種，采用了同一種傳動(dòng)原理，可以拼接成任意長(zhǎng)度，這樣就可以連接間距較大的軸。鏈條還可以增大受力面、加大摩擦力、防止打滑等。又如滑輪與皮帶，既能傳動(dòng)，又因其有打滑功能能保護(hù)馬達(dá)不受損。再如渦桿，可以把圓周運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng);渦輪適用于大比例減速力矩的場(chǎng)合，它還有的“自鎖”功能——可以驅(qū)動(dòng)小齒輪（正齒輪），但是小齒輪不能驅(qū)動(dòng)渦輪。學(xué)生明白了這些較特殊的傳動(dòng)器件的性能，就能根據(jù)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)種種傳動(dòng)效果，而這些效果常常會(huì)給人帶來(lái)出乎意料的精彩。

搭建機(jī)器人的“手”——學(xué)會(huì)構(gòu)建精巧動(dòng)力爪臂

如果說(shuō)有“腳”，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類人運(yùn)動(dòng)的第一步，那么有了“手”，才是機(jī)器人模仿人類完成如抓、取等動(dòng)作的關(guān)鍵一步。精巧的機(jī)械手，是要能模仿真實(shí)手的功能，如抓、搬、舉、拿、壓、夾、捏、推、拉等。在實(shí)際的搭建中，拼裝出一個(gè)機(jī)械臂是比較容易的，難的是“抓”，如何用“爪”來(lái)“握”住物體。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器爪的“抓”力來(lái)自馬達(dá)，教師在教授學(xué)生搭建時(shí)，要讓學(xué)生解決力的方向問(wèn)題，如通過(guò)渦輪和傳動(dòng)軸將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)抓取的控制動(dòng)作。需要明確的是，機(jī)械爪（臂）一般都是根據(jù)杠桿原理來(lái)搭建，所以在指導(dǎo)學(xué)生搭建時(shí)，應(yīng)先讓學(xué)生仔細(xì)分析實(shí)現(xiàn)任務(wù)所需要的抓取力的三個(gè)要素——運(yùn)動(dòng)方向、作用點(diǎn)和力的大小，然后再根據(jù)杠桿原理來(lái)設(shè)計(jì)合適的爪。不能盲目搭建，應(yīng)在思考中實(shí)踐，這樣才有助于培養(yǎng)學(xué)生在感性的搭建中形成對(duì)“力學(xué)”的理性認(rèn)知。

結(jié)語(yǔ)

“智慧出在手指尖上”——這句話用來(lái)形容學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的構(gòu)建非常適合。STEAM教學(xué)，注重對(duì)學(xué)生工程建構(gòu)能力的實(shí)際培養(yǎng)，讓學(xué)生手上可以搭建出無(wú)數(shù)的形體，實(shí)現(xiàn)各類運(yùn)動(dòng)方式，真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。