硬纸板自动机

李佩宁

在STEM领域，科学和技术正在不断与人类社会产生互动，通过各种方式影响着人们的日常生活。回首十八世纪末，当以欧洲为代表的精密仪器制造术进入鼎盛时期，一些极富才华的工程师把创造力挥洒在艺术创作领域，制造出了机械娃娃、机械动物、音乐盒……这是一个充满想象力和创造力的美好时代。科技不仅是一种提升效率的工具，科技本身也具有人文性，也包含了艺术的特质。近年来已不断有专家和学者提出，应将STEM扩充为STEAM，其中的“A”正是代表了艺术（Art）。如今，机械领域的辉煌已成为历史，微电子、基因生物工程、量子力學等正不断取得新的突破，而科技与人类的关系也正在引起人们的反思。

一、课程重点

通过制作硬纸板自动机，探究基本机械原理，考虑产品艺术性，认识科技和人类的关系。

【涉及领域】机械、工程、技术、物理、美术

【建议年级】小学中年级

【建议时间】基础课程165分钟

【材料】硬纸板，热熔胶枪，木质手工棒，白纸，细铁丝，裁纸刀，剪刀，胶水，胶带，水彩笔或蜡笔

二、课程任务

通过视频等方式了解硬纸板自动机的概念和基本制作方法，发挥创意完成一个硬纸板自动机的设计和制作。设计过程中不但要运用机械传动的一些基本原理，还要为硬纸板自动机设计一个故事情景，寻求机械结构的功能性和硬纸板自动机所展示的故事情景的协调统一。在活动中还将学习如何和他人进行交流与合作，分工协作完成故事情景、机械设计和制作等工作。

三、课程步骤

1.导入（20分钟）

为学生播放一些关于硬纸板自动机的视频（可在“必应搜索”中输入关键词“Cardboard Automata”获得动态图片或视频），同时出示教师自己制作的只能完成一个动作的硬纸板自动机模型。通过这些手段让学生了解，什么是硬纸板自动机，以及怎样制作硬纸板自动机。

视频内容要尽量包括不同的机械传动方式和模型运动形式。例如包括转动、上下运动、左右摆动、前后摆动、曲轴运动、偏心轮轨迹运动以及上述形式的组合式运动等。

学生观看后，进行讨论，教师用以下问题进行引导：

（1）硬纸板自动机有几个部分及作用是什么？

（2）为什么通过转动手柄，可以实现不同的运动形式？

（3）刚才看到的运动形式是怎样实现的？

（4）你还能想到什么别的运动形式？

（5）硬纸板自动机还能实现其他功能吗？比如能发出声音吗？

2.建构任务（30分钟）

每个小组要用硬纸板、剪刀、竹签、热熔胶枪设计2种不同的机械传动形式，到台前展示并说明传动原理。

在第一次设计中，学生可能会对如何实现某种运动形式无从下手，从而退回到选择最简单的上下移动或旋转运动。为了帮助学生进一步拓展思路，教师此时应当组织全班进行讨论。向学生提问“刚刚视频中出现了哪些运动形式？”并将学生的列举记录在黑板上，如果学生无法列举完整，教师可再次播放视频，然后补充记录。

针对所列举的不同运动形式，请每个小组花5分钟时间讨论其中一种，分析清楚其中的原理，并准备好草图，制作简易结构。如果有的组不能完成，也可以向其他组进行咨询。讨论后，教师组织每个小组轮流向其他小组讲解。

3.宣布课程任务和量规（10分钟）

宣布任务：制作一个硬纸板自动机，能够实现两种以上的运动（越多越好），并且能够展示一个合理的故事情景。同时呈现评价量规（见表1）。

4.初步设计（20分钟）

各小组开始独立设计。第一次设计的核心在于，首先思考要讲述的故事或实现的情景，然后再想办法让机械动作与之相配合。注意：不是先让模型随机动起来，然后再用故事或情境将其合理化；而是要先有了合理的想法，再使用技术来实现想法。各小组应首先进行头脑风暴，提出想要实现的情景，然后选择其中一至两个进行设计。教师可以用以下问题进行引导：

（1）你们想要展示什么情景？

（2）这个情景中应该有哪些动作？

（3）这些动作怎样进行配合？

（4）你们对实现这种类型的动作有什么疑问？

教师也可选取优秀合理的设计向其他小组展示，帮助大家开拓思路。

5.制作（40分钟）

设计图需要有外部形状、内部构造、关键部件的形状（如偏心轮、棘轮等）、所使用的材料和制作步骤。完成设计图并经教师检查过的小组可以开始制作。教师要提醒各小组合理分工，示范安全使用各种工具，观察学生的使用过程，并提醒安全注意事项。完成制作的小组，可先进行展示排练。图1为部分学生作品。其中有两个学生用纸板自动机模拟一只乌龟，当摇动把手时，“乌龟”的头会左右摇摆，“爪子”会旋转。爪子的动作来自于由橡皮筋实现的皮带传动，头的摆动来自于2个偏心轮组成的往复旋转运动。

6.展示和总结（30分钟）

给每个小组5分钟时间进行展示。首先展示硬纸板自动机所表现的故事或情景，形式不限。接下来需要介绍创意、设计及制作的过程，遇到了哪些问题以及如何解决的，是否改进了设计以及如何改进的。其他小组也可以提问。所有小组展示完成后，教师就全部作品做出评价，提出各组设计制作过程和成品的亮点。

（责任编辑 郭向和）