智能设计中工程项目制作的过程方法

高凯

用Arduino开展智能设计活动，一个重要的活动类别是进行工程应用的设计，针对学生在学习和生活中遇到的真实问题，创造一种新的解决方法，或者改进现有的解决方案。在活动过程中，要注重培养学生发现问题、解决问题的能力，引导学生从自己的生活中找到问题，并能够用自己所学对这些问题提出改进意见，或者能够完成模型制作。

如何引导学生发现生活中的问题

在我们的生活中从不缺少创意，尤其是在当今这个科学技术飞速发展的时代，也许我们缺少的是一双发现创意的眼睛。引导学生养成良好的观察习惯，关注身边的人和事，有助于引导学生形成正确的人生观和价值观。问题的发现更多地是一个用心思考的过程。下面就给大家介绍几种简单有效的方法，能够帮助学生发现问题。

缺陷列举法

我们经常会听到很多人抱怨生活中有各种不如意的地方，不要小看这种抱怨，其实在抱怨的同时我们就已经发现了问题。当我们发现了生活中这些不方便的情况时，就要及时把它们记录下来。可以在手机备忘录中建立一个文件夹，随手将它们记录下来。这样，当我们进行项目选题讨论的时候就可以从中找到许多有意义的选题，因为你感觉到的这些不方便也一定会在其他人身上体现出来。创意的来源是生活的点点滴滴，注意观察生活，我们就不会缺乏创意。

如果问学生们在学校中会遇到什么不方便或者需要改进的地方，我想可能很多学生都会回答说，擦黑板时的粉笔末让他们感到非常不舒服。发现了学校中的这个问题，也就是发现了我们的选题内容——如何解决教室中擦黑板时产生的粉笔末？同学们可以就这一问题展开讨论，集思广益想出解决办法。

再比如，近年来新闻中经常报道由于一些大货车超载、超高驶入城市道路，造成大货车撞桥的事件屡屡发生。交管部门为了能够解决这一问题，在许多立交桥的入口处都增加了限高杆，虽然撞桥事故有所缓解，但是还会发生大货车撞杆的情况，同样影响交通通行。那么这个问题有没有更好的解决方案呢？

在以上2个案例中，同学们可以使用Arduino控制器实现问题的解决。在擦黑板的案例中，使用Arduino结合电机驱动板控制带有抹布的机器人在黑板上走S形軌迹，就可以将黑板擦干净，同时还可以避免同学们吸入过多的粉笔末。

观察学习法

在这种方法中，学生要注意观察别人的尤其是同龄人的优秀作品。每年各级各类主办方都会举办各种创新创意类竞赛。我们可以引导学生在这些活动中寻找自己感兴趣的项目和作品，发掘出作品的核心技术点，并通过思考将这些技术点运用于其他领域，这样就能够形成新的创新作品。

例如，我们曾经见到过一种很酷的无人机控制方式：在手套中嵌入弯曲度传感器，飞手带上手套，只要弯曲手指就可以实现对无人机的控制。这个项目的核心技术就是运用了弯曲度传感器，将手指的弯曲转化为电阻的变化发送给控制器。了解了这个核心技术以后，有的学生就想到将弯曲度传感器运用到手语翻译中，聋哑人带上手套做出手语动作，系统就自动将手语翻译成汉字，方便交流。

在这个项目中，同样可以使用Arduino系列控制器完成项目制作。结合LCD屏幕和弯曲度传感器，控制器可以检测到手指的不同弯曲程度，从而控制屏幕上显示不同的内容。在使用LCD屏幕时，Arduino为开发者内置了液晶屏显示的库文件，我们可以直接调用它帮助我们完成现实的工作。

词组造句法

这种方法能够帮助学生快速形成创意，能够在短时间内产生很多创意点子。但是有些点子会让人感觉太过于天马行空，需要教师进行适当引导。使用这种方法的时候，我们可以让学生想出两种物品，一种是“甲”，另一种则是“乙”，然后让学生造句，“带有甲的乙”和“带有乙的甲”。这样就能够帮助学生快速形成创意。

例如，有的学生想出两个物品，一个是水杯，另一个是麦克风。那么学生的创意就是：带有水杯的麦克风或者是带有麦克风的水杯。我们可以让学生不受限制地造句，将自己的创意记录下来，然后再组织学生进行甄别和讨论，找出哪些作品可以实现。

创意作品制作的几个步骤

上面给大家介绍了几种发现问题的方法，接下来给大家讲讲如何将想法变为现实。拥有了想法和创意只是参与工程项目设计和制作的第一步，下面再给大家介绍几个“物化”作品的步骤。

明确主题目标，形成个人解决方案

首先，我们要明确小组要完成的项目主题。根据项目主题小组学生进行独立思考，形成个人的解决方案。在此过程中，学生以个体为单位进行思考、资料查找等工作。在查找资料时，要了解前人已经做了哪些研究，获得了什么样的成果，还有哪些问题没有解决。

例如，有的学生想要制作月球车模型。在制作之前就要明确，月球车的工作环境是怎样的，有哪些问题是必须要解决的，前人已经做了哪些模型，测试结果又怎样。了解了这些问题之后，学生将自己作品的重点放在了月球车轮子的设计上。在之前的设计中，有人使用履带，有人使用行星轮，有人使用轮子和履带结合的方式……分析了这些方案之后，学生经过思考提出了一种新的轮子，即“轮腿复合式”，也就是将轮子和腿整合在一起。针对此项目主题，还有学生提出了其他解决方案，比如将机器人的轮子做成可以变形的，在圆形和椭圆形之间可以随意切换。机器人在较为平整的路面上运行时，使用圆形轮子；在崎岖不平的路面上移动时，轮子则变成椭圆形，增加机器人的越障能力。

头脑风暴，确定最终实施方案

在上面的环节中，学生已经根据自己的理解完成了初步设计方案。接下来就是以小组讨论的形式确定每个小组的最终方案。作品的设计和制作是以小组为单位完成的，那么最终方案的确定需要小组所有成员共同讨论。同时，在这一环节中也培养了学生的倾听能力和习惯，从别人的方案中找到优点，同时也要善于阐述自己方案中的优势，获得组内成员的认可。在讨论过程中，很有可能会产生新的问题，此时可以采用头脑风暴的方式尝试提出多种解决方案，最后确定更为合理可行的内容。

在一个主题为“主动气囊防护功能智能车”的项目中，学生针对气囊的气体发生装置展开激烈的讨论。有人认为应该采用化学方法产生二氧化碳作为充气气体；有人认为应该使用高压气瓶产生气体，能够迅速充满气囊；还有人认为可以使用低压气泵产生气体，这样对于控制系统而言更容易控制气体发生量。经过小组成员的讨论和测试，最终确定了一种使用低压气泵的方式。其实，学生能够想到这种方式也是源于他们对生活的观察，他们是从自动血压计中得到启发，最终想到使用低压气泵作为气体发生装置的。

最终，学生使用Arduino。控制器、超声波传感器、加速度传感器、电磁继电器等核心控制部件完成了作品。超声波传感器检测与前方障碍物的距离，然后通过加速度传感器检测小车的“刹车速度”，如果无法避免碰撞，继电器就控制小气泵开始工作，给小车外部的气囊充气，减少碰撞损失。

确定分工，发挥个人最大价值

在项目制作过程中，小组分工合作是非常重要的内容。在学生的日常学习中，大多是以个人学习方式完成知识学习的。所以，在项目实践的过程中教师要为学生创造更多合作学习、共同交流的机会。在项目小组成立时，教师可以尝试将不同特长和兴趣爱好的学生组合在一起。为了更好地增加学生的存在感和获得感，在分组时可以考虑将每个学生分配一个特定的角色，例如项目组长、硬件工程师、程序工程师等。在每个项目实施过程中，每个角色都要完成自己的职责，而每一个角色的职责可以由小组成员共同讨论确定。从全面培养学生工程素养的角度出发，我认为每个小组的角色在不同的项目中可以进行转换，学生的角色不宜固定，可以让学生尝试不同的角色，这样能够让他们全面了解项目制作过程中的技术难点，并通过交流讨论的方式获得解决方案。

撰写设计方案，绘制作品草图

经历上述过程之后，學生们就可以撰写最终确定的研究方案了。研究方案中要涉及具体可以实施操作的内容。要将项目制作中需要的所有零件及加工材料明确出来，争取一次采购成功。学生还可以结合自己项目的功能，在电商平台上寻找适合自己作品、同时性价比较高的硬件。因为在所有的工程项目中，成本控制都是一项必不可少的考虑因素，我们要让学生在项目制作的过程中养成成本控制的习惯。

在撰写项目方案时，特别要注意的一点是，一定要增加时间管理的内容。任何项目都有项目完成的时间节点，学生要能够根据项目完成的时间，制订自己的时间安排表，明确项目各个环节完成的时间，从而保证项目最终能够按时保质保量完成。

在“无轨电车自动挂线装置”项目中，学生的设计希望改变现有无轨电车挂线的方式。现有的挂线方式是，集电杆（“大辫子”）自动升起，但是如果没有成功挂线，则需要司机手动完成。学生希望制作一个具有自动挂线功能的装置，采用传感器采集集电杆的位置信息并尝试和电线对接，那么学生就要明确带动集电杆运动的电机的数据，包括选用舵机的扭矩、工作电压等。此外，根据项目要求，选用何种控制器，要根据需要连接的外围输入输出设备确定控制器的端口数量。例如如果选用Arduino系列控制器，是选择UNO合适，还是2560合适，需要根据项目最终确定的功能明确下来。前面提到了要注意控制成本，如果选用UNO可以实现，那么比使用2560要便宜几十元。

在这个项目中可以选择Arduino UNO控制器、IO拓展板、舵机及光电传感器实现。光电传感器检测集电杆和电线的位置关系，集电杆在舵机的带动下完成转动，以便能够对准电线的位置。

精确模型尺寸，完成首版制作

到此为止，学生就可以开始动手制作了。做好前期准备工作能够使制作过程变得更加高效，起到事半功倍的效果。在制作环节中，学生可以根据自己的设计方案，采用数控加工工具和手工加工工具相结合的方式进行项目加工。常用的数控加工设备包括3D打印机和激光雕刻机。二者具有很好的互补性，一个是增材制造，一个则是减材制造；一个速度较慢，一个速度较快。当把所有零件都加工完成后，就可以进行装配了。在装配过程中特别要注意装配流程，如果没有按照一定的流程装配，则很有可能出现返工的情况。接下来就是调试和测试的环节，根据方案中确定的功能调试程序。首版制作完成以后，为了确保作品能够在展示过程中顺利演示，可以让学生将作品带到不同地点进行测试。例如，如果用到光电传感器，则需要到不同光线下进行测试，确保作品能够正常运行。

上面几个环节是一个工程项目制作的一般步骤，根据不同的项目可以将环节进行合并或者反复循环。例如，在项目制作过程中，遇到一个很难解决的技术问题，或者很难在短时间内完成，那么学生就要重新修改方案。

个人认为，一个工程项目的制作有助于培养学生的工程思维和整体观。同时，工程思维、创新设计等素养也是培养学生核心素养全面发展的重要组成部分。学生要能够从项目大局出发思考和考虑问题，而不是只专注于自己关心的领域。在项目制作过程中，要让学生灵活运用知识，充分为学生创造学以致用的机会。在团队合作中，发挥每个学生的最大潜能。