模块化滑翔机儿童玩教具设计

葛晓扬　包海默

摘要：以滑翔机为载体，研究并设计能够将力与运动相关的物理知识转化为符合7至012岁儿童认知规律的教具，通过实际操作建立感性体验，为之后的物理知识学习铺垫前期的感性经验基础。方案整体采用通用模块化设计思路，将组成飞机的重要部分设计为可以自由拼接的模块，让儿童可以自由组合滑翔机的布局并测试其飞行效果。方案以轻质板材为机身和机翼的主要材料，通过专门设计的通用锁扣连接件進行自由的组装拼接，并通过内置齿槽定位轨道的安装角度调节模块来设置不同的迎角与上/下反角。模块化滑翔机儿童玩教具可以让儿童按照想象自由组装各式各样布局的飞机。模块可以多次拆装、调节，让儿童可以在组装、试飞的实际操作过程中逐步理解速度、平衡、重心等力与运动相关的物理知识。

关键词：模块化设计 滑翔机 发现式学习 基础教育

中图分类号：J524.1 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）08-0128-04

引言

力与运动是物理知识中的基础内容，与这部分知识学习相关的经验感受应当在儿童时期建立起来。一方面，力与运动相关的知识可以在直观现象上被感受到;另一方面，儿童喜欢游戏、运动的天性正好与力、运动的内容相适应。根据皮亚杰对儿童认知规律的研究，约7到12岁之间处在“具体运算阶段”的儿童已经初步具备分析原因、计算数量变化等逻辑思维的基础能力。但这个阶段的儿童的逻辑思考过程仍然需要以具体事物为对象才能展开，较难达到抽象思维的水平。因此，为这个阶段的儿童设计力与运动知识相关的玩教具，应当遵循儿童的认知发展规律，通过实物操作的方式建立力与运动相关的体验和感受，为日后学习这些物理知识的概念、原理等精密逻辑知识建立基础的经验铺垫。

在各类运动方式中，飞行运动具有很强的综合性。与飞行运动相关的感受包括：速度、力量、方向、大小、重量、平衡性、稳定性等，这些感受对于日后理解对应的物理概念都是必不可少的经验前提。而且飞机也是深受儿童喜爱的一种玩具形式，以飞机作为玩教具设计的主题和载体，可以调动儿童的兴趣，在操作玩教具的过程中为儿童建立起丰富的与物理知识相关的感受和经验。

从学习理论的角度来看，布鲁纳的“发现式学习”理论适用于概括这个年龄儿童对自然科学知识的认知过程。通过在环境中探索、尝试，发现实物之间的关联和变化规律。儿童玩教具的使用方式应当主要是儿童自主探索，自主尝试，教师或家长的指导应当起辅助作用。因此，产品方案应当能够为儿童提供丰富、自由的组合方式，并且通过不同的组合和测试，让儿童能够发现不同的部分，也就是不同的因素对飞行运动结果能够产生不同的影响，逐步从中发现这些因素之间的相互关系，最终达到发现式学习的目的。同时也达成了不使用抽象概念或数学计算，而是在实物操作的基础上建立起和物理知识相关的经验感受这一设计目标。

如表1所示，模块化滑翔机玩教具设计基本框架展示了从总设计目标到儿童认知规律，再到相关学习理论，最后得出设计方案诸项标准的设计分析全过程。在儿童认知规律和上述设计目标的前提要求下，以力与运动等相关物理知识为内容的飞行类玩教具设计应当满足表1中的设计标准：

1.玩教具由模块化的积木组成，每个模块应当具有明确的意义，对应飞机的各个主要组成部件;

2.各类模块应当有不同的尺寸，用以对应飞机各参数和因素的不同量值;

3.模块具有方便的组装和拆卸方式，无需使用胶粘或辅助工具，让儿童可以多次修改和测试;

4.模块间具有通用统一的连接结构，以实现丰富且便捷的自由组合效果，同时减少产品的学习负荷。

一、飞机相关的知识和因素与模块化设计思路

固定翼飞机一般由多个主要部件组合而成，具体包括：机身、机翼、水平安定翼、垂直安定翼等。根据不同的布局方式，有的飞机还会在飞机前端安装鸭翼（前置翼），或者将水平安定翼替换为倾斜的垂直安定翼等，如图1所示。这些部件是飞机飞行最重要的影响因素，而这些因素的不同状态构成了飞机的各项主要参数，包括机身长度、翼展、翼根弦长、翼尖弦长、后掠角、上/下反角、迎角等。

翼展和机身长度确定了飞机的总体大小。翼根、翼尖弦长和后掠角确定了机翼的形状和面积，同时，后掠角越大阻力越小，机翼面积越大飞机在空气中的稳定性相对较好。上/下反角主要影响飞机侧滚运动的稳定性，具有一定上反角的飞机不易侧向翻滚，因此客机、运输机的机翼往往具有一定上反角，以增加飞行稳定性。相对的，主翼下反角可以增强飞机的侧向翻滚机动性，因此很多战斗机主翼都有一定程度的下反角。迎角是飞机机翼前端上仰的程度，一定量的迎角可以增大飞机升力，但过大的迎角反而会造成飞机失速坠落。

模块化滑翔机玩教具应当以飞机主要组成部件为依据，对应设计可自由组装的模块。在此基础上，每种模块包含不同的尺寸规格。以机翼模块为例，设置不同翼形、翼展、后掠角的规格，从平直形到三角形，均可供儿童选择安装，让儿童在试飞过程中观察不同因素对飞行效果的影响，例如相同尺寸和发射条件下三角形机翼的飞机比平直机翼的飞机飞行速度快等。

固定翼飞机有多种多样的布局模式，常见的几种布局如图1右上方所示，包括平直翼布局、三角/鸭翼布局、后掠翼布局、前掠翼布局等。不同布局的飞机在飞行过程中具有不同的性能表现，模块化滑翔机玩教具应当能够让儿童自由选择部件组合为不同的布局。这要求各个模块的组装点位和连接件具有很强的兼容性，因此，通用的连接件设计是整体方案设计过程中的一个关键点。

二、方案模块设计

根据上文所述的设计要求，结合飞机各组成部分和规格参数的特点，模块化滑翔机玩教具采用如图2所示的整体设计方案：

1.机身、机翼模模块采用KT泡沫板材制作而成，满足重量轻且形态规整便于组装的要求。同时KT板强度适合制作玩教具，切割加工成本低且易于印刷表面图案;

2.机身和机翼设有不同形状和尺寸的模块，可以组装出不同形状、大小的飞机形态：

3.各个连接模块之间通过塑料材质模块连接器进行组装。根据飞机布局设计要求，具体包括延伸连接器、转角连接器、双点两轴连接器以及单点两轴连接器;

4.各连接器之间的拼接使用通用的连接杆，以保证模块间可以自由进行组合。

（一）模块连接杆设计

模塊连接杆和连接锁是模块化滑翔机设计方案中的核心部件。其设计标准必须满足通用性和易用性两个标准：①连接杆可以连接套件中的任意两个连接器，②连接锁的操作无需借助额外工具。具体设计如图3所示，连接杆的两端设有两瓣突起卡榫，相应的，连接锁的锁孔也设有两瓣凸起的挡板。这种结构可以让连接杆在一定角度下穿过连接锁孔，并在连接锁旋转90。之后用凸起挡板卡住连接杆末端的卡榫，从而阻止连接杆拔出。另外，连接杆中段为八边形柱体，相比圆柱体，这种形态可以有效限定连接杆两端模块的安装角度，防止模块间相互旋转偏移。

（二）延伸连接器设计

延伸连接器是模块化滑翔机中最基本的连接部件。它可以沿着机身或机翼板件所在平面继续拓展安装新的板件。图4中，延伸连接器主要由模块安装孔和其后方装配的模块固定锁组成，连接器整体嵌入在机身或机翼板件边缘的开槽处，并用专用的按钉固定。组装时，在两个机身或机翼模块的延伸连接器之间插入模块连接杆，并将两边的连接锁旋转关闭，即可实现模块在平面方向上的拓展与固定。通过延伸连接器，机身和机翼可以连续接长，形成不同机身长度或不同翼展长度的飞机形态。

（三）转角连接器设计

与延伸连接器相同，转角连接器也是在机身或机翼边缘处进行连接的部件。不同之处在于，延伸连接器只是沿着板件所在平面进行拓展组合，转角连接器则能够实现两个机身或机翼模块呈角度地组装。从而实现机翼或机身的转折造型，例如机翼末端上折的翼尖等用途。

转角连接器主要是由一对带有角度固定孔的单向模块连接杆组成。两个角度固定孔内都分布有内齿，通过穿入一根带有相同模数外齿的折角固定栓固定在一起。角度固定孔和折角固定栓在圆周上分布有36个三角齿，能够实现最小6°的转折精度。折角固定栓的头部为流线型椎体，便于减小空气阻力，其末端设有与模块连接杆类似的锁扣结构，通过套上并旋转零件固定帽来锁定整个转角连接器的装配，如图5所示。由于零件固定帽的开闭操作是以板件边缘为轴的旋转运动，这个旋转方向一般与飞机飞行方向不在同一个平面，因此不会受到飞机飞行或降落过程中的惯性影响而导致固定帽意外解锁脱落，从而保障了转角连接器的稳定性。

（四）双点两轴连接器设计

双点两轴连接器是模块化滑翔机中比较复杂的模块连接器，用以实现机翼和机身的连接以及不同上/下反角和迎角的调节功能。固定翼飞机布局有三个重要参数：后掠角、上/下反角、迎角。其中后掠角通过不同形状的板件实现，上/下反角和迎角则都集中设置在机翼翼根边缘与机身侧面的连接位置上。因此固定机翼模块与机身模块的连接器是整个模块化滑翔机玩教具中最复杂的结构，详细的设计分析如下：

1.飞机主翼的翼根弦长一般较长，且翼根位置承担大面积机翼悬挑的受力，因此主翼翼根边缘需要配备两个延伸连接器。相应的，机身一侧的连接器也需要对应配有两个模块连接杆。这就是“双点”连接的原因;

2.由于机翼的迎角和上/下反角都是翼根处的安装变化，因此机身一侧与机翼相连的连接器不仅需要具备转角连接器控制上/下反角的功能，还要能够让机翼以机身所在平面的法线方向为轴进行旋转。因此这个位置的连接器需要具备机翼边缘轴线和机身平面的法线方向轴线两个旋转轴的转角调节和固定功能。

为实现上述设计分析所提出的功能要求，具体的设计方案如图6所示：

1.双点两轴连接器主要由迎角固定器和两轴模块连接器组成，迎角固定器通过两侧6根固定钉装配在机身侧面，两轴模块连接器装入迎角固定器中，并与机翼边缘的延伸连接器相连，完成机翼与机身的组装;

2.图7中，迎角固定器内侧由两个对称的迎角固定齿槽扇形轨道组成。两轴模块固定器的内侧设有模数相同的迎角固定齿插接头，通过嵌入迎角固定器内两侧的齿槽来固定机翼的迎角。两轴模块连接器正面设有迎角调节锁，根据模块表面绘制的开闭锁提示图标，可旋转解锁调节锁从而让内侧的迎角固定齿可以向内滑动，抽离迎角固定齿槽。此时可以旋转整个两轴模块连接器以调节机翼迎角，而无需拆下整个机翼。迎角固定齿槽每两个三角齿的间隔为3°，机翼可以以最小3°的精度调节迎角;

3.双点两轴连接器对机翼上下反角的调节方式与转角连接器的结构类似。通过一个带有角度固定孔的模块连接杆和上/下反角固定栓来连接并固定机翼的上/下反角。与转角连接器相同，角度固定孔和角度固定栓上配有的三角齿为一圆周36个，能够实现每6°一个位置的调节精度。上/下反角固定栓的末端采用与模块连接杆相同的锁扣结构，整个双点两轴连接器的安装和调节操作无需其他工具辅助即可完成。

（五）单点两轴连接器设计

单点两轴连接器从功能上看与双点两轴连接器相同，都是为了连接机身和机翼，并设置机翼不同的上/下反角和迎角。但由于水平安定翼、鸭翼等尺寸较小的机翼翼根弦长较短，没有足够的空间设置两个模块连接器孔位。因此需要设计只有一个连接杆的小尺寸单点两轴连接器。具体设计方案如图8所示：

1.单点两轴连接器主要由小型迎角固定器和小型迎角连接器两个部分组成。小型迎角固定器通过四个固定钉安装在机身侧面，其内侧分布有两排间隔为3°的小型迎角固定齿槽，用以固定小型迎角连接器的迎角度数;

2.小型迎角连接器的外侧与延伸连接器的结构相同，设有连接杆锁孔机构，通过模块连接杆与机翼边缘连接组装。如果在此处将模块连接杆替换为转角连接器，则可以控制相连机翼的上/下反角;

3.小型迎角连接器的后端的圆柱插头设有一圈凹槽，可以通过小型迎角调节锁将其固定在小型迎角固定器中。如果需要调节该位置的迎角度数，可以向外旋转两个小型迎角调节锁，解除对连接器后端的固定，取出迎角连接器并重新按照需要的迎角度数安装。

三、模块化组装

模块化滑翔机玩教具的设计目标是为儿童提供自由设计组装飞机的条件，在—次次设计、试飞、调整的过程中逐步提升飞行效果。对影响飞行运动的各项因素，如速度、阻力、平衡等概念建立体验和感受，为日后的物理知识学习铺垫经验基础。

在上文介绍的各类模块和连接器的共同作用下，模块化滑翔机可以形成各式各样的组合方式，以图9中所示的几种布局为例：a方案是最普通的单翼布局飞机，带有一定后掠角的主翼装配在机身中段的双点两轴连接器上，翼尖小翼通过转角连接器与主翼末端相连，并可以设置转角以提升飞行的稳定性;b方案是三角/鸭翼布局的方案，这种布局打破了一般a方案中较大的主翼设在较小的安定翼前面的设计思路，让儿童可以在机翼面积和飞机整体平衡性上尝试和探索更多的可能性;c方案代表的是三层机翼的布局方式，通过在机上下各增添一个配有单点两轴连接器的拓展机身板件，飞机可以在中段上下罗列装配三层机翼。通过这种组装方式，儿童可以尝试多层机翼对飞行带来的影响，以及飞机前后平衡与飞行效果的影响关系;d方案沿主翼并排配置了三个机身模块，其参考原型是著名的P-38型战斗机。这种布局方案一方面打破了常规的以单一机身为中轴进行布局的设计思路，同时这种方案也必须考虑较翼展两端的重量对飞机强度的影响。儿童在设计自己的飞机方案时可以在这些不寻常的布局基础上继续拓展，比如结合d方案和c方案的设计思路，将飞机在横向和纵向上都做延伸拓展，形成立体框架结构，在增大飞机横向板件面积的同时增强飞机整体的稳固性。

这几种组合方案只是无数模块化滑翔机玩教具所能组合出的结果中的一小部分，更多的组合方式和飞行运动效果在实际操作过程中会有更多更丰富的表现。

四、设计方案的改进和优化分析

模块化滑翔机玩教具通过自由拼接组装的模块部件，能够实现多种多样、造型迥异的飞机形态。根据实际组装测试的结果来看，组装过程无需额外工具辅助，并可根据飞行效果多次调节机翼布局和各类安装角度，实现了设计的预期目标。在具体的几个环节上，当前方案仍有可继续改进和优化的必要。

1.单点两轴连接器由于尺寸的限制，在当前方案下调节迎角需要将机翼完全拆卸。相比双点两轴连接器，这种调节方式较为复杂，这部分的连接方式在未来的方案中应当重新设计。具体改进思路为延长小型迎角连接器根部的连接轴，并将其结构设计为特定角度可插入或拔出连接器的锁头。从而改进为解锁并拔起一个固定高度后即可调节角度的方案，而不必完全拆卸。

2.转角连接器虽然可以让机翼之间形成丰富的转折角度，但是当前的方案版本会让设有转角的机翼之间形成约1.5cm的间隙，这不仅对飞机整体造型的连续性产生了一定影响，而且在气动效果方面也仍然值得继续改进。具体改进思路有两种：首先可以设计若干种不同角度弯折的模块连接杆。其次可以将转角连接器改進为从外侧固定到延伸连接器的方案，从而避免在模块之间形成孔隙。两种思路具体的效果需在未来实际的方案改进中进一步验证。

3.飞机的模块化自定义可以产生很多不同的飞机布局，这些飞机不同飞行效果应当在相同的发射条件下才能进行有效的测量比较。因此，应当根据模块化滑翔机的结构特点，设计对应的可控发射装置，让儿童在游玩过程中建立控制变量的科学实验意识。具体的设计思路主要为弹簧或皮筋弹射式发射架，主要的控制变量包括发射的力度、轨道长度和发射仰角三个参数，即最终控制发射迎角与初速度两个重要的影响因素。

结论

儿童在具体运算阶段的学习方法应当以实物操作为基础，建立感性体验，为将来相关知识的抽象概念学习和精密计算铺垫经验基础。模块化滑翔机儿童玩教具以力与运动相关的物理知识为内容，整体采用轻质板材加通用锁扣连接件的模块化设计思路，将飞机布局的各个组成部分对应设计为可以自由组装的模块积木，配合专用的角度调节机构，可以在组装过程中对各类安装角度参数进行调整。让儿童可以更轻松地实现自己的想象，并验证其运行效果。在游玩的过程中逐步建立起力与运动相关的一系列经验感受，通过设计、组装、试验、改进的过程培养儿童科学实证的意识基础。