基于STEAM理念的項目化課例設計
——以兩軸式四擋簡易手動變速器為例

朱曼曼

（南京新港中等專業學校，江蘇 南京 210046）

1 項目設計思路

STEAM教育理念最早是美國政府提出的教育倡議，為加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術以及數學的教育，鼓勵孩子在科學、技術、工程和數學領域的發展和提高，培養孩子的綜合素養，從而提升其全球競爭力。STEAM是一種教育理念，倡導課程整合或跨學科。現實世界的許多工作或研究場所已由專注于單學科的專業實踐轉變為強調多學科的合作，如生物醫學工程，智能網聯汽車，電動汽車等，筆者所處的是汽車行業，汽車自1886年被卡爾·奔馳制造出以機械為主要核心技術的三輪汽車，經過100多年的發展，中間電控發動機，電控底盤，車身控制模塊的出現，使汽車和電子緊密的聯系在一起，而現在現代通訊與網絡技術、控制模塊、車載傳感器的加持，實現V2X車路云智能信息交換共享，使得汽車的發展更加智能化、科技化、網聯化，最終實際無人駕駛。技術的發展趨勢就是產業的融合，產業的發展離不開人才的培養，單一技能的人才已經無法支撐未來科學技術的發展，未來，我們需要的是多方面的綜合型人才，而這需要教師在日常教學過程中逐步滲透STEAM教育理念。

本文以中職兩軸式四擋簡易手動變速器的設計的教學為例，從情境引入、探究原理、設計制作和評價反饋4 個方面，探討基于STEAM教育的綜合性項目課程設計，凸顯STEAM課程設計理念，培養復合型人才，表1為設計思路。

2 項目實施過程

2.1 情境引入——激發學生興趣

沒有變速器，汽車也能走，但只能以一個速度前進，不能減速和加速，甚至一個小坡就能讓汽車望而卻步，不能滿足不同行駛工況的需要，所以變速器的作用尤為重要。

設計意圖：通過汽車在生活中出現的實際應用場景，加速，減速，倒車都是如何實現的呢？引發學生思考，同時引入本節課任務，簡易式手動變速器的設計。

2.2 探究原理——驗證猜想

機械基礎里學習過各種類型的傳動機構，加速，減速其實都是速度的變化，那什么機構可以方便的實現傳動比的改變呢？

學生想到可以通過最簡單的齒輪傳動來實現，當小齒輪帶動大齒輪轉動，則輸出軸(從動齒輪)的轉速就降低，即為減速傳動（i＞1）；當以大齒輪帶動小齒輪轉動時，則輸出軸(從動齒輪)的轉速就升高了，即為加速傳動（i＜1）；當齒數相同的兩個齒輪嚙合，則輸出軸的速度不變，就是等速傳動。那到底這個猜想對不對呢？同學們找來齒輪開始驗證，模型圖如下圖1。

第一組發現，當紅色的小齒輪1帶動藍色的大齒輪2轉動時，明顯的大齒輪（輸出）的轉速降低了。

第二組發現：當藍色的大齒輪2帶動紅色的小齒輪1轉動時，明顯的小齒輪（輸出）的轉速升高了。

第三組發現：當兩個相同的紅色齒輪1帶動藍色齒輪3時，兩個齒輪的轉速相同。

圖1 齒輪傳動原理驗證

經過觀察計算，發現紅色齒輪1共28個齒數，藍色齒輪2共有42個齒數，藍色齒輪3共有28個齒，傳動比如何計算呢？引導學生總結出主動齒輪轉速與從動齒輪轉速之比值，也等于從動齒輪的齒數與主動齒輪齒數之比。i=Z2/Z1

第一組計算的傳動比為Z（一組）=Z2/Z1=42/28=1.5；第二組計算的傳動比Z（二組）=Z1/Z2=28/42=0.6666；第三組傳動比Z（三組）=Z3/Z1=28/28=1。

那么汽車倒退行駛如何解決呢？教師繼而提出第二個問題，同學們開始探究，有一組同學經過實驗發現，一對相嚙合的外齒輪旋向相反，即齒輪帶動齒輪1轉動，齒輪2順時針，齒輪1是逆時針，每經過一傳動副，其軸改變一次轉向，那如果再加入一個齒輪（倒擋輪），就可以實現傳動旋向的改變，從而實現車輪的反轉，倒退行駛。近而突破倒退行駛問題。

表1 兩軸式四擋簡易手動變速器的案例設計

設計意圖：通過學生進行齒輪實驗讓學生體驗齒輪運動過程，驗證、總結齒輪傳動規律，從而加強知識點的理解，獲得豐富的學習體驗，符合我國著名教育家陶行知提出的“教學做合一”的教育主張，注重在做中學，學中做，培養了學生勇于探究，勇于嘗試的探索精神。

同時STEAM教育倡導以活動為基礎，是一種動手做的課堂體驗，不是直接教授給學生相關知識，而是讓學生在活動過程中自己去探究，歸納。

2.3 應用原理——設計制作

活動一：手動變速器原理圖設計，剖析

在通過齒輪機構的實驗了解手動變速器的原理之后，運用不同的傳動比得到不同的檔位，同學們開始兩軸式四擋簡易手動變速器的設計。

圖2 手動變速器設計原理示意圖

第一步同學們先小組討論，在腦海里構思手動變速器的結構原理圖，在白紙上開始設計，要有一個輸入軸，一個輸出軸，實現3個前進擋，一個倒擋，借助CAD制圖軟件畫出，如圖2所示，其中一組設計方案如下：

當掛入一檔時，一、二檔同步器結合套左移，與一檔結合，動力便從輸入軸傳到一檔主動齒輪（與軸一體），通過齒輪嚙合傳到一檔從動齒輪（與軸空套），一、二檔同步器結合套，花鍵轂，輸出軸。

Z1=Z（1擋從動）/Z（一檔主動）=29/12=2.416

當掛入二檔時，一、二檔同步器結合套右移，與二檔結合，動力便從輸入軸傳到二檔主動齒輪（與軸一體），通過齒輪嚙合傳到二檔從動齒輪（與軸空套），一、二檔同步器結合套，花鍵轂，輸出軸。

Z2=Z（2擋從動）/Z（2檔主動）=26/15=1.733

當掛入三檔時，三、倒檔同步器結合套左移，與三檔結合，動力便從輸入軸傳到三、倒擋同步器花鍵轂，結合套，三檔主動齒輪（與軸空套），三擋從動齒輪（與軸一體），輸出軸。

Z3=Z（3擋從動）/Z（3檔主動）=17/24=0.708

當掛入倒檔時，三、倒檔同步器結合套右移，與倒檔結合，動力便從輸入軸傳到三、倒擋同步器花鍵轂，結合套，倒檔主動齒輪（與軸空套），倒擋惰輪，倒擋從動齒輪（與軸一體），輸出軸。

Z3=Z（倒擋從動）/Z（倒檔主動）=24/12=2

設計意圖：讓學生在齒輪傳動原理基礎上通過不同齒輪的組合得到幾組不同的傳動比，從而實現手動變速器的功能，學生通過小組討論，頭腦風暴，集思廣益，設計出一款簡易式手動變速器并用CAD制圖相關知識，將想法用圖紙形式表達出來，通過不同學科知識整合，運用底盤知識，機械設計知識，數學學科計算不同檔位傳動比，CAD繪圖最終呈現作品的設計思路，體現了STEAM的整合理念，取消學科間的界限，讓學科之間互相滲透，優化組合，多元化角度運用知識，將所有學科內容整合到新的學習領域，使學生能更好的適應社會，適應實際項目，成為復合型人才。

活動二：引導學生結合機械基礎相關公式，對齒輪參數計算，利用軟件建模進行3D打印

已知齒輪模數m=1，壓力角為20°，齒寬為6mm，每組嚙合齒輪齒數之和為41，一檔主動齒輪齒輪齒數z1主=12，一檔從動齒輪z1從=29；二擋主動齒輪z2主=15，二擋從動齒輪z2從=26；三擋主動齒輪z3主=24，二擋從動齒輪z3從=17；倒擋主動齒輪z倒主=12，倒擋從動齒輪z倒從=24，倒擋惰輪齒輪z倒惰輪=12；結合公式齒輪分度圓直徑d=mz，齒頂圓直徑da=（z+2）*m，計算得出

d1主=12mm，da1主=14mm；d1從=29mm，da1從=31mm；以此類推d2，d3。d倒；利用Lumion軟件建模如圖3：

圖3 手動變速器建模圖

圖4 手動變速器組裝圖

活動三：結合設計示意圖，進行手動變速器組裝，模擬不同檔位

引導學生對不同齒輪按照設計圖進行組裝，如圖4所示，通過調試，裝上電池，模擬不同檔位變換，極大的鍛煉了學生的動手能力，激發學生的積極性。

2.4 評價反饋——共享成果

在各組學生設計出自己的簡易式手動變速器后，教師進行總結，引導學生以小組的形式對本節課零散的知識點進行系統化整理，如手動變速器的工作原理，手從變速器的傳動路線，齒輪的計算等。不同組之間分享自己組的設計成果和設計制作過程遇到的困難和心得，不斷優化，進行成果展示。

3 項目總結及反思

通過項目兩軸式四擋簡易手動變速器的設計將原本分散的教學內容統一融合在一起，以核心課程《汽車底盤》為中心，關聯《機械設計基礎》《CAD制圖》等專業必修課以及《數學》《計算機基礎》等基礎課的知識，著力培養學生的綜合應用能力，與傳統教學相比，STEAM

教育在于打破學科界限，由單學科的專業實踐轉變為強調多學科知識的融合與合作，在科技不斷發展的今天，行業的合作共贏，多學科交叉，應用更顯得尤為重要，STEAM理念在教學中應用，從課堂上培養學生的STEAM理念，培養復合型人才，為今后的發展奠定良好基礎。