创客教育材料漫谈

陈染

创客教育是一种基于创造的教育模式，而创造离不开对工具的掌握和对材料的灵活使用。谈到创客教育，我们常常会联想到开源硬件、3D打印、激光切割、数控机床等明星工具，但我们更要知道，工具使用的基础是对材料性质的深入理解。当我们设计一个创客作品时，会首先考虑需要用哪些材料构建制作的主体，然后才能选择工具进行加工。

2017年，本专栏介绍了从简单到复杂的创客教育工具；2018年，我们将进一步介绍创客教育中常见的材料。这里的材料是指应用于成品中，通常不会被拆卸下来重复使用的东西。根据用途的区别，创客教育中的材料可以分为2种类型：结构材料和功能材料。结构材料是指以力学性能为基础的材料，在创客作品中用于制作受力的结构；功能材料是有电、光、磁、化学等特定作用的材料，在创客作品用于实现特定的功能。尽管这种分类方式并非泾渭分明，但它能够让我们认识到它们在创客作品中的作用。

在接下来的专栏文章中，我们将分别以结构材料和功能材料2个方面逐一介绍创客教育中的常见材料。在结构材料的内容中，我们主要以物理、化学属性对材料进行划分，如纸质、木质、金属、塑料、布料等；在功能材料中，我们主要以材料的用途进行划分，如导电材料、发光材料等。论述不尽完善之处，我们再以其他的分类方法进行补充。

我们从纸质材料说起。纸，是学生随手可得的材料，更是一种构成创客制作的重要结构材料。作为文字的重要载体，纸张在2000多年的历史长河中对人类文明有着重要的意义。为了满足不同需求，人们发明了各种各样的纸，它们的材料性质也各有不同，有些纸能防水、有些纸硬度大、有些纸轻盈柔软，这就给创客制作提供了非常多的材料选择。在创客制作中，我们关注最多的属性是纸的强度，根据强度不同我们将纸分为纸张和纸板2类。纸张

通常，我们将200g/㎡以下的纸称之为纸张，其中，150～200g/㎡的纸张我们称之为卡纸。我们在日常生活经常能够接触到各种各样的纸张，例如各种克重的打印纸、铜版纸、新闻纸、宣纸等。纸张的特性轻薄，容易折叠，容易裁剪成多种形状，但同时我们也要注意，大多数纸张不防水、强度较小，容易撕开，不适用于潮湿场合及需要经常做机械运动的部件。

创客教育中纸张的使用范围非常广，最能够体现纸张物理属性的创客活动就是折纸了。折纸是一项传承了数百年的传统手工艺项目，而现代折纸更是将折纸艺术推向了一个新的高峰。现代折纸采用复杂的蛇腹折法，无需经过裁剪，一张方形的纸就可以折叠成形象生动的立体形状。现代折纸不仅是一种精致的艺术，更是一项具有挑战性的工程活动，需要作者有丰富的空间想象力。在一些科学和工程问题上，现代折纸还有深入的应用，最知名的例子是“三浦折叠法”，这种折叠法能够让物体的体积减少25倍、只需要通过推拉的动作就可以将纸张展开或收回，目前三浦折叠法广泛应用于航空航天领域。这些技术为折纸的创客教育提供了基础。

以往，折纸课程往往只出现在低年级的手工课中，但在创客教育的视野下，更多折纸的潜能也逐渐深挖出来。折纸主题的创客课程最直接的一个好处是对硬件支持的需求非常低，只需要提供若干纸张，就可以满足大多数课程的材料要求。

北京师范大学教育技术学院的傅骞和刘鹏飞设计的创客课程“小空间里的大个头”就是一个优秀的折纸主题例子。该课程通过“飞行器负重飞向太空的成本”引入工程问题，让学生明白需要通过用折纸设计一种太阳能板的折叠方式。接下来通过学生模仿折叠1张5x5的方格纸，教师向学生讲解怎样学会看折痕图，以及折痕图中的数学关系。然后通过拓展任务，让学生探索在7x7方格纸中怎样完成旋转并达到更好的收拢效果，激发学生思考和讨论折纸在生活中其他方面的应用。最后，学生以小组的形式协同设计新的折纸主题，完成折纸作品，进行交流讨论和分享。

这个创客课程将纸张的物理属性体现得淋漓尽致，在这个课程中，学生能够了解刚性折叠的特性和应用，掌握折痕图的绘制方法，探究发现其他形状的旋转式折纸的折法，发展折纸的工程设计思维。

纸板

另一种常用于创客教育中的纸质材料便是纸板了。通常来说，我们把200g/㎡以上规格的纸称之为纸板，它常用于商品包装。纸板最大的特点就是硬度大，强度高，易于加工，创客们常常能够通过纸板制作出很多创意产品。纸板的类型有很多，其中最常用的就是瓦楞纸板了。

瓦楞纸板，又称瓦通纸，是纸质包装箱的常用材料。它最主要的特点在于有着波浪状的瓦楞，这些瓦楞能够让纸保持较好的形状。瓦楞纸硬度比纸张好，比木质材料更加轻盈，用美工刀就可以完成切割，价格又很便宜，这也是众多创客喜欢它的原因。但瓦楞纸不耐潮湿、容易发霉、不容易处理细节的特点，在创客作品制作之前也要考虑到。

只有对材料有深入认识，才能更好地运用材料。根据楞型的区别，瓦楞纸可以分为A型楞、B型楞、C型楞、E型楞和F型楞，不同的型号有不同的刚性，在创客制作的时候，选择合适的楞型是很重要的。根据瓦楞纸的层数，又可以分为单面单瓦楞纸板、单瓦楞纸板、双面双瓦楞纸板、双瓦楞纸板，以及多瓦楞纸。普通的纸板箱一般是单瓦楞纸板，一些较为高级的纸板箱会选择双面双瓦楞纸板，大多数制作选择单瓦楞纸板即可完成，部分对受力要求较高的制作可以选择双面双瓦楞纸板进行制作。

创客制作中加工瓦楞纸板的方法有很多，最常用的加工方法是切割和粘贴。用普通的美工刀即可将瓦楞纸切割成想要的形状，圆规刀、笔刀等工具能够切割特殊的形状，还可以用激光切割机进行精细切割；瓦楞纸板还可以用双面胶、热熔胶、白胶、502胶等材料粘贴。这些加工手段的成本和使用门槛都非常低，很适合作为创客教育的入门材料。

科技学堂设计的“戈德堡机械”就是一个能够很好展现瓦楞纸材料的一款创客制作（见题图）。戈德堡机械是指一种过度设计复杂的机械组合，用迂回曲折的方式完成一个简单的操作。虽然看上去荒谬滑稽，但戈德堡机械却能很好地锻炼学生对各种材料的应用。

这是一个非常简单的戈德堡机械的设计，拉动绳子，玻璃弹珠下滑，经过2个滑道，弹珠掉落到橡皮薄膜上，再弹进塑料瓶中，最终弹珠掉入瓶盖，通过杠杆原理抬起旗子。这个案例中用到多种材料，但它的基本结构是用单瓦楞纸板制成的。学生需要探索用怎么样的结构才能设计一个稳固的结构；而在滑道的设计上，需要学生对瓦楞纸内部结构有更深入的认识，才能设计出更耐用的作品。

除了切割和粘贴，瓦楞纸板还有更多的操作方法，如拼插、延伸、剥离、层叠等，这些方法将瓦楞纸的物理性质发挥到了极致。

创客教师还可以将眼光放远到生活中的其他纸板，想想你能用它们制作什么。比如卷纸筒，大多数人用完卷纸之后就随手将纸筒丢弃，但只要稍加留意，就会发现卷纸筒能够成为一种不可多得的创客教育材料，它不仅有纸板的各种性质，还避开了纸板加工成圆筒难度大的缺点。

紙张和纸板是创客教育常常用到的材料，除此之外，还有多种类型的特种纸，它们有着不一样的物理性质，囿于篇幅，我们不可能一一介绍。认真探索每一种纸的材料属性，再加上动手能力，就能做出不一样的作品。