高中物理教学中加入科技小发明——以智能收作业机器人的发明为例

文_吕志文

在高中物理的教学过程中，教师一味地进行理论知识的教学，以及让学生做大量物理习题很容易让学生对物理学习产生厌烦情绪，进而影响学生的听课效率和学习质量，造成学生物理学习成绩的倒退。并且如果高中物理学习当中缺乏实践内容，会导致物理理论学习空洞、抽象，增加学生理解物理知识的难度。

而采取科技小发明的形式，鼓励学生把物理知识应用到实践中，亲自动手设计制作一个科技小发明，一方面提高了物理学习的质量，加强了物理理论和实践的联系；另一方面能够让学生对物理学产生学习的兴趣，进而去学习了解物理学的相关知识，提高学习的主动性。

高中物理教学中加入科技小发明的意义

第一，增强学生对理论知识的掌握程度。高中学生学习物理学最大的问题就是物理规律和公式太难理解，因为物理当中的很多内容都是在现实物理现象中抽象出来的，所以尽管有现实事例作为参考，但是理解概念还是相当困难。比如“力的分解”这个部分一直是高中物理学习中的难点，因为力是看不见的，虽然每个人都能够感受到力的存在，但是并不能确切感受到自己受了哪些力，不知道这些力又是以怎样的状态施加在自己身上的，所以学习起来很困难。但是如果采取科技小发明的形式，为了使小发明能够成功运作，学生就必须考虑这个小发明中的力是怎样的状态，每个组件能够提供哪些力，应该怎么利用这些力，在思考这些问题的过程中，力的分解就自然而然进行了。科技小发明使学生有充足的动力去探究问题，也让学生体会到了物理知识在生活中的应用，能够增强学生对理论知识的掌握程度。

第二，增强学生的实践动手能力，加强知识和实际的联系。物理科技小发明的研究制作过程对于学生的实践动手能力能够产生非常积极的作用，尤其是设计比较精密、零部件较多的小发明，更加能够增强学生的动手能力。因为零件的加工制作也需要学生本人操作，安装也是本人亲自动手进行，所以锻炼效果很好。

第三，增强学生间的团队合作能力。因为科技小发明很多时候都是小组制作完成的，所以在制作改进的过程中，能够培养学生的团队合作能力、人际交往能力，增进学生间的感情。

科技小发明的制作过程

对于学生本人来说，制作一个科技小发明主要的流程包括项目构思、小发明设计、前期准备、零件制作、零件安装、功能测试、修改、再次测试、完工提交作品。这些流程实施的过程都有主要的关键点。

项目构思：对于高中物理科技小发明，构思应该相对简单，以可操作性和实用性为主，构思的主题以生活中常见的现象为主。当然，能力出众的学生可以选择高深难的项目构思。以高中智能收作业机器人这个小发明为例，其项目构思的主要内容就是这个机器人的功能，即智能收作业，因此它需要一定的承重能力、导航能力，还有简单的语音功能。而且教室的空间比较小，机器人的大小应该和一只宠物狗的大小差不多。设计这个机器人的主要目的是方便教师收作业，教师可以在办公室遥控机器人收作业，也可以设定时间，让机器人自行启动收作业。

设计：在构思了小发明基本功能和构造之后，就需要对小发明进行精细化的设计，包括整体的构造，零件样式、大小和安装方式，整体外观等内容，这其中，整体构造和零件的设计是关键内容。整体构造就是指这个小发明大体分为哪几个部分，用怎样的方式实现构思的功能。零件的设计是在整体构造的基础上进行的，需研究分析每个构造怎样实现，需要怎样的零件。在设计这部分工作的时候，学生应该多向教师寻求帮助，多上网查找资料。设计环节是整个科技小发明制作的最关键环节，也是对物理知识应用和思考、理解最多的、最深入的环节，故进行这个环节时应该细致具体。并且设计环节直接决定了科技小发明成功或者失败，需要花费很多的时间和精力。

在智能收作业机器人的设计中，最主要的环节就是机器人的货架和导航能力的设计，在机器人的顶部需安装一个长方体货架，收作业时让学生把作业放在货架中。机器人前端需安装一个三百六十度摄像头，并在机器人四周安装红外线传感器、机器人的传动系统（这个部分可以参考遥控车进行设计）。此外，还要安装语音系统，一方面可以通过教师的遥控器对讲传音，传达教师的话；另一方面，机器人自带简单的语音功能，包括“交作业啦”“借过借过”等简单的语音包。机器人的外观也要进行设计，尽量可爱、美观一些。在实际设计的过程中，对摄像头和传感器的安装设计是比较困难的部分，对于设计中的困难，学生找教师解决是非常好的方法，教师也应主动帮助学生进行这个方面的实践。

前期准备：在完成了设计之后，就需要准备制作零件的材料和工具，通常这些东西在学校的物理实验室都有，学生只需要向教师申请使用就可以。在这个环节还要学习要用的工具的使用方式，以及简单的材料加工方式，比如锯割、挫削、打磨抛光等。收作业机器人的前期准备主要就是从遥控车上面取零件，以及购买各种材料、摄像头。

零件制作：这个环节是训练学生动手能力的主要环节，高中物理科技小发明零件的设计往往不会很精密，只需要加工成大致的形状，然后对粗加工的零件进行简单的打磨就可以了。这个环节的关键在于从材料到零件的加工，首先需要选择合适的材料，比如钢板，然后用记号笔在钢板上精确绘出材料的形状，接着用机床或者手锯对材料进行切割，把材料加工成需要的形状。尽管对于零件的精确度要求不是很高，但是零件的误差也不能太大，因此还是比较考验学生的动手能力。对于加工明显不合格的零件，学生需要重新制作。此外，还需要对锯割出来的零件进行简单的打磨，一方面是提高零件的精确度，另一方面是增加整个小发明的美观程度。收作业机器人的零件比较多，主要的是外观零件和货架，不过收作业机器人的零件精度并不需要很高。智能机器人主要的功能实现还是依靠电路和传感器，对机械零件的要求不是很高，能够保障机器人的正常运作即可。

零件安装：这个环节相对简单，只需要按照设计图纸的要求将零件安装起来即可，也比较考验学生的动手能力，尤其是细心程度。

功能测试：一般的科技小发明功能测试的内容比较简单，包括测试小发明能否实现构思的目标以及小发明的稳定性、副作用，比如噪声、发热等问题。对于科技含量较高的小发明则需要进行更为专业的测试，比如速度测试、电压测试等。对于满足了测试目标的小发明，只需要再进行简单的外观和结构上的优化，去掉不必要的零件即可。如果测试没有达标，则需要返修。如收作业机器人测试的主要内容是承重量和导航能力、遥控能力，可以通过模拟教室的具体情况进行测试，初次测试的效果还不错，只需要给机器人前后加装防护栏，避免在碰撞中损坏机器人。

返修：这个环节是相对比较复杂的环节，要从设计和零件制作、电路设计等多个方面去寻找测试不达标的原因。其中最难解决的问题是设计问题，理论应用到实践的过程中，难免会产生差别，可能小发明的设计在理论上可行，但是在实际制作的时候，可能没有实现设计的目标，这种情况教师就需要提供帮助，指导学生改善设计方案。如果是零件制作的问题，重新制作零件即可，解决起来比较简单。收作业机器人的返修主要是加装防护栏和强化货架的稳定性，以及对系统中一些不稳定的地方进行优化，整个返修过程比较简单。

再次测试：在修改了设计或者重新制作安装了零件之后，要再次对小发明进行测试，通常来说，修改过的小发明大多数都能够通过第二次测试。但是如果修改过后还是没有通过测试，那就需要对项目的可行性进行检验分析了，需要再次返修，测试，重复这个过程。

完工提交作品：在测试达标之后，就可以完工提交作品了，但是在提交之前，最好对小发明的外观进行一些加工，包括上色和造型，使小发明有一定的艺术性。

在前后经过了数次测试之后，笔者的收作业机器人成功制作出来了，并且依靠它获得了学校科技创新比赛一等奖，目前已经正式投入班级使用，受到了老师和同学的欢迎。这个小发明主要的难点在于线路的排布，电学是高中物理的重要内容，但是高中的物理课程并没有详细介绍电路排布，需要查找资料、咨询老师以及有经验的电工。对于高中物理科技小发明的制造来说，知识的全面性和综合应用非常重要，要实现一个小发明，需要的知识非常繁杂，需要依靠日常的积累，如果积累不足，就要到网上查资料和问老师。

以上就是制作一个高中物理科技小发明的基本流程和每个环节的细节要求，按照这个流程实施制作的小发明基本能够实现构思的功能。

存在的问题和建议

在笔者实际制作科技小发明的过程中，出现了一些问题，这些问题也是其他高中生制作小发明容易出现的问题，在此一一列出，以供参考。

首先，设计的时候参考资料不足，并且请教老师也不到位。在设计小发明的时候，仅靠自身的知识积累是远远不够的，很多的理论都不知道，想要的功能应该怎样实现也没有头绪，这个时候查看网上的资料和请教老师非常有必要。设计是一个很耗时间的过程，故不能急于求成，要多查资料、多问老师。问老师时，一定要细致、深入。其次，零件加工的时候尽可能精确，因为在这种小发明中，零件的精确度越高，功能的实现程度越高，小发明的稳定性也就越高。

高中物理科技小发明的研究制作应该作为高中素质教育和学生全面发展的一个重点内容进行教学，一方面，科技小发明能够提高学生对物理知识的理解和应用能力；另一方面，科技发明能够锻炼学生的实践动手能力和人际交往能力，还能培养学生对物理学习的兴趣，具有很多的优点，因此学校可以经常开展相关的科技小发明竞赛。