智能設計中工程項目制作的過程方法

高凱

用Arduino開展智能設計活動，一個重要的活動類別是進行工程應用的設計，針對學生在學習和生活中遇到的真實問題，創造一種新的解決方法，或者改進現有的解決方案。在活動過程中，要注重培養學生發現問題、解決問題的能力，引導學生從自己的生活中找到問題，并能夠用自己所學對這些問題提出改進意見，或者能夠完成模型制作。

如何引導學生發現生活中的問題

在我們的生活中從不缺少創意，尤其是在當今這個科學技術飛速發展的時代，也許我們缺少的是一雙發現創意的眼睛。引導學生養成良好的觀察習慣，關注身邊的人和事，有助于引導學生形成正確的人生觀和價值觀。問題的發現更多地是一個用心思考的過程。下面就給大家介紹幾種簡單有效的方法，能夠幫助學生發現問題。

缺陷列舉法

我們經常會聽到很多人抱怨生活中有各種不如意的地方，不要小看這種抱怨，其實在抱怨的同時我們就已經發現了問題。當我們發現了生活中這些不方便的情況時，就要及時把它們記錄下來。可以在手機備忘錄中建立一個文件夾，隨手將它們記錄下來。這樣，當我們進行項目選題討論的時候就可以從中找到許多有意義的選題，因為你感覺到的這些不方便也一定會在其他人身上體現出來。創意的來源是生活的點點滴滴，注意觀察生活，我們就不會缺乏創意。

如果問學生們在學校中會遇到什么不方便或者需要改進的地方，我想可能很多學生都會回答說，擦黑板時的粉筆末讓他們感到非常不舒服。發現了學校中的這個問題，也就是發現了我們的選題內容——如何解決教室中擦黑板時產生的粉筆末？同學們可以就這一問題展開討論，集思廣益想出解決辦法。

再比如，近年來新聞中經常報道由于一些大貨車超載、超高駛入城市道路，造成大貨車撞橋的事件屢屢發生。交管部門為了能夠解決這一問題，在許多立交橋的入口處都增加了限高桿，雖然撞橋事故有所緩解，但是還會發生大貨車撞桿的情況，同樣影響交通通行。那么這個問題有沒有更好的解決方案呢？

在以上2個案例中，同學們可以使用Arduino控制器實現問題的解決。在擦黑板的案例中，使用Arduino結合電機驅動板控制帶有抹布的機器人在黑板上走S形軌跡，就可以將黑板擦干凈，同時還可以避免同學們吸入過多的粉筆末。

觀察學習法

在這種方法中，學生要注意觀察別人的尤其是同齡人的優秀作品。每年各級各類主辦方都會舉辦各種創新創意類競賽。我們可以引導學生在這些活動中尋找自己感興趣的項目和作品，發掘出作品的核心技術點，并通過思考將這些技術點運用于其他領域，這樣就能夠形成新的創新作品。

例如，我們曾經見到過一種很酷的無人機控制方式：在手套中嵌入彎曲度傳感器，飛手帶上手套，只要彎曲手指就可以實現對無人機的控制。這個項目的核心技術就是運用了彎曲度傳感器，將手指的彎曲轉化為電阻的變化發送給控制器。了解了這個核心技術以后，有的學生就想到將彎曲度傳感器運用到手語翻譯中，聾啞人帶上手套做出手語動作，系統就自動將手語翻譯成漢字，方便交流。

在這個項目中，同樣可以使用Arduino系列控制器完成項目制作。結合LCD屏幕和彎曲度傳感器，控制器可以檢測到手指的不同彎曲程度，從而控制屏幕上顯示不同的內容。在使用LCD屏幕時，Arduino為開發者內置了液晶屏顯示的庫文件，我們可以直接調用它幫助我們完成現實的工作。

詞組造句法

這種方法能夠幫助學生快速形成創意，能夠在短時間內產生很多創意點子。但是有些點子會讓人感覺太過于天馬行空，需要教師進行適當引導。使用這種方法的時候，我們可以讓學生想出兩種物品，一種是“甲”，另一種則是“乙”，然后讓學生造句，“帶有甲的乙”和“帶有乙的甲”。這樣就能夠幫助學生快速形成創意。

例如，有的學生想出兩個物品，一個是水杯，另一個是麥克風。那么學生的創意就是：帶有水杯的麥克風或者是帶有麥克風的水杯。我們可以讓學生不受限制地造句，將自己的創意記錄下來，然后再組織學生進行甄別和討論，找出哪些作品可以實現。

創意作品制作的幾個步驟

上面給大家介紹了幾種發現問題的方法，接下來給大家講講如何將想法變為現實。擁有了想法和創意只是參與工程項目設計和制作的第一步，下面再給大家介紹幾個“物化”作品的步驟。

明確主題目標，形成個人解決方案

首先，我們要明確小組要完成的項目主題。根據項目主題小組學生進行獨立思考，形成個人的解決方案。在此過程中，學生以個體為單位進行思考、資料查找等工作。在查找資料時，要了解前人已經做了哪些研究，獲得了什么樣的成果，還有哪些問題沒有解決。

例如，有的學生想要制作月球車模型。在制作之前就要明確，月球車的工作環境是怎樣的，有哪些問題是必須要解決的，前人已經做了哪些模型，測試結果又怎樣。了解了這些問題之后，學生將自己作品的重點放在了月球車輪子的設計上。在之前的設計中，有人使用履帶，有人使用行星輪，有人使用輪子和履帶結合的方式……分析了這些方案之后，學生經過思考提出了一種新的輪子，即“輪腿復合式”，也就是將輪子和腿整合在一起。針對此項目主題，還有學生提出了其他解決方案，比如將機器人的輪子做成可以變形的，在圓形和橢圓形之間可以隨意切換。機器人在較為平整的路面上運行時，使用圓形輪子；在崎嶇不平的路面上移動時，輪子則變成橢圓形，增加機器人的越障能力。

頭腦風暴，確定最終實施方案

在上面的環節中，學生已經根據自己的理解完成了初步設計方案。接下來就是以小組討論的形式確定每個小組的最終方案。作品的設計和制作是以小組為單位完成的，那么最終方案的確定需要小組所有成員共同討論。同時，在這一環節中也培養了學生的傾聽能力和習慣，從別人的方案中找到優點，同時也要善于闡述自己方案中的優勢，獲得組內成員的認可。在討論過程中，很有可能會產生新的問題，此時可以采用頭腦風暴的方式嘗試提出多種解決方案，最后確定更為合理可行的內容。

在一個主題為“主動氣囊防護功能智能車”的項目中，學生針對氣囊的氣體發生裝置展開激烈的討論。有人認為應該采用化學方法產生二氧化碳作為充氣氣體；有人認為應該使用高壓氣瓶產生氣體，能夠迅速充滿氣囊；還有人認為可以使用低壓氣泵產生氣體，這樣對于控制系統而言更容易控制氣體發生量。經過小組成員的討論和測試，最終確定了一種使用低壓氣泵的方式。其實，學生能夠想到這種方式也是源于他們對生活的觀察，他們是從自動血壓計中得到啟發，最終想到使用低壓氣泵作為氣體發生裝置的。

最終，學生使用Arduino。控制器、超聲波傳感器、加速度傳感器、電磁繼電器等核心控制部件完成了作品。超聲波傳感器檢測與前方障礙物的距離，然后通過加速度傳感器檢測小車的“剎車速度”，如果無法避免碰撞，繼電器就控制小氣泵開始工作，給小車外部的氣囊充氣，減少碰撞損失。

確定分工，發揮個人最大價值

在項目制作過程中，小組分工合作是非常重要的內容。在學生的日常學習中，大多是以個人學習方式完成知識學習的。所以，在項目實踐的過程中教師要為學生創造更多合作學習、共同交流的機會。在項目小組成立時，教師可以嘗試將不同特長和興趣愛好的學生組合在一起。為了更好地增加學生的存在感和獲得感，在分組時可以考慮將每個學生分配一個特定的角色，例如項目組長、硬件工程師、程序工程師等。在每個項目實施過程中，每個角色都要完成自己的職責，而每一個角色的職責可以由小組成員共同討論確定。從全面培養學生工程素養的角度出發，我認為每個小組的角色在不同的項目中可以進行轉換，學生的角色不宜固定，可以讓學生嘗試不同的角色，這樣能夠讓他們全面了解項目制作過程中的技術難點，并通過交流討論的方式獲得解決方案。

撰寫設計方案，繪制作品草圖

經歷上述過程之后，學生們就可以撰寫最終確定的研究方案了。研究方案中要涉及具體可以實施操作的內容。要將項目制作中需要的所有零件及加工材料明確出來，爭取一次采購成功。學生還可以結合自己項目的功能，在電商平臺上尋找適合自己作品、同時性價比較高的硬件。因為在所有的工程項目中，成本控制都是一項必不可少的考慮因素，我們要讓學生在項目制作的過程中養成成本控制的習慣。

在撰寫項目方案時，特別要注意的一點是，一定要增加時間管理的內容。任何項目都有項目完成的時間節點，學生要能夠根據項目完成的時間，制訂自己的時間安排表，明確項目各個環節完成的時間，從而保證項目最終能夠按時保質保量完成。

在“無軌電車自動掛線裝置”項目中，學生的設計希望改變現有無軌電車掛線的方式。現有的掛線方式是，集電桿（“大辮子”）自動升起，但是如果沒有成功掛線，則需要司機手動完成。學生希望制作一個具有自動掛線功能的裝置，采用傳感器采集集電桿的位置信息并嘗試和電線對接，那么學生就要明確帶動集電桿運動的電機的數據，包括選用舵機的扭矩、工作電壓等。此外，根據項目要求，選用何種控制器，要根據需要連接的外圍輸入輸出設備確定控制器的端口數量。例如如果選用Arduino系列控制器，是選擇UNO合適，還是2560合適，需要根據項目最終確定的功能明確下來。前面提到了要注意控制成本，如果選用UNO可以實現，那么比使用2560要便宜幾十元。

在這個項目中可以選擇Arduino UNO控制器、IO拓展板、舵機及光電傳感器實現。光電傳感器檢測集電桿和電線的位置關系，集電桿在舵機的帶動下完成轉動，以便能夠對準電線的位置。

精確模型尺寸，完成首版制作

到此為止，學生就可以開始動手制作了。做好前期準備工作能夠使制作過程變得更加高效，起到事半功倍的效果。在制作環節中，學生可以根據自己的設計方案，采用數控加工工具和手工加工工具相結合的方式進行項目加工。常用的數控加工設備包括3D打印機和激光雕刻機。二者具有很好的互補性，一個是增材制造，一個則是減材制造；一個速度較慢，一個速度較快。當把所有零件都加工完成后，就可以進行裝配了。在裝配過程中特別要注意裝配流程，如果沒有按照一定的流程裝配，則很有可能出現返工的情況。接下來就是調試和測試的環節，根據方案中確定的功能調試程序。首版制作完成以后，為了確保作品能夠在展示過程中順利演示，可以讓學生將作品帶到不同地點進行測試。例如，如果用到光電傳感器，則需要到不同光線下進行測試，確保作品能夠正常運行。

上面幾個環節是一個工程項目制作的一般步驟，根據不同的項目可以將環節進行合并或者反復循環。例如，在項目制作過程中，遇到一個很難解決的技術問題，或者很難在短時間內完成，那么學生就要重新修改方案。

個人認為，一個工程項目的制作有助于培養學生的工程思維和整體觀。同時，工程思維、創新設計等素養也是培養學生核心素養全面發展的重要組成部分。學生要能夠從項目大局出發思考和考慮問題，而不是只專注于自己關心的領域。在項目制作過程中，要讓學生靈活運用知識，充分為學生創造學以致用的機會。在團隊合作中，發揮每個學生的最大潛能。