基于STEAM理念的项目化课例设计——以两轴式四挡简易手动变速器为例

朱曼曼

（南京新港中等专业学校，江苏 南京 210046）

1 项目设计思路

STEAM教育理念最早是美国政府提出的教育倡议，为加强美国K12关于科学、技术、工程、艺术以及数学的教育，鼓励孩子在科学、技术、工程和数学领域的发展和提高，培养孩子的综合素养，从而提升其全球竞争力。STEAM是一种教育理念，倡导课程整合或跨学科。现实世界的许多工作或研究场所已由专注于单学科的专业实践转变为强调多学科的合作，如生物医学工程，智能网联汽车，电动汽车等，笔者所处的是汽车行业，汽车自1886年被卡尔·奔驰制造出以机械为主要核心技术的三轮汽车，经过100多年的发展，中间电控发动机，电控底盘，车身控制模块的出现，使汽车和电子紧密的联系在一起，而现在现代通讯与网络技术、控制模块、车载传感器的加持，实现V2X车路云智能信息交换共享，使得汽车的发展更加智能化、科技化、网联化，最终实际无人驾驶。技术的发展趋势就是产业的融合，产业的发展离不开人才的培养，单一技能的人才已经无法支撑未来科学技术的发展，未来，我们需要的是多方面的综合型人才，而这需要教师在日常教学过程中逐步渗透STEAM教育理念。

本文以中职两轴式四挡简易手动变速器的设计的教学为例，从情境引入、探究原理、设计制作和评价反馈4 个方面，探讨基于STEAM教育的综合性项目课程设计，凸显STEAM课程设计理念，培养复合型人才，表1为设计思路。

2 项目实施过程

2.1 情境引入——激发学生兴趣

没有变速器，汽车也能走，但只能以一个速度前进，不能减速和加速，甚至一个小坡就能让汽车望而却步，不能满足不同行驶工况的需要，所以变速器的作用尤为重要。

设计意图：通过汽车在生活中出现的实际应用场景，加速，减速，倒车都是如何实现的呢？引发学生思考，同时引入本节课任务，简易式手动变速器的设计。

2.2 探究原理——验证猜想

机械基础里学习过各种类型的传动机构，加速，减速其实都是速度的变化，那什么机构可以方便的实现传动比的改变呢？

学生想到可以通过最简单的齿轮传动来实现，当小齿轮带动大齿轮转动，则输出轴(从动齿轮)的转速就降低，即为减速传动（i＞1）；当以大齿轮带动小齿轮转动时，则输出轴(从动齿轮)的转速就升高了，即为加速传动（i＜1）；当齿数相同的两个齿轮啮合，则输出轴的速度不变，就是等速传动。那到底这个猜想对不对呢？同学们找来齿轮开始验证，模型图如下图1。

第一组发现，当红色的小齿轮1带动蓝色的大齿轮2转动时，明显的大齿轮（输出）的转速降低了。

第二组发现：当蓝色的大齿轮2带动红色的小齿轮1转动时，明显的小齿轮（输出）的转速升高了。

第三组发现：当两个相同的红色齿轮1带动蓝色齿轮3时，两个齿轮的转速相同。

图1 齿轮传动原理验证

经过观察计算，发现红色齿轮1共28个齿数，蓝色齿轮2共有42个齿数，蓝色齿轮3共有28个齿，传动比如何计算呢？引导学生总结出主动齿轮转速与从动齿轮转速之比值，也等于从动齿轮的齿数与主动齿轮齿数之比。i=Z2/Z1

第一组计算的传动比为Z（一组）=Z2/Z1=42/28=1.5；第二组计算的传动比Z（二组）=Z1/Z2=28/42=0.6666；第三组传动比Z（三组）=Z3/Z1=28/28=1。

那么汽车倒退行驶如何解决呢？教师继而提出第二个问题，同学们开始探究，有一组同学经过实验发现，一对相啮合的外齿轮旋向相反，即齿轮带动齿轮1转动，齿轮2顺时针，齿轮1是逆时针，每经过一传动副，其轴改变一次转向，那如果再加入一个齿轮（倒挡轮），就可以实现传动旋向的改变，从而实现车轮的反转，倒退行驶。近而突破倒退行驶问题。

表1 两轴式四挡简易手动变速器的案例设计

设计意图：通过学生进行齿轮实验让学生体验齿轮运动过程，验证、总结齿轮传动规律，从而加强知识点的理解，获得丰富的学习体验，符合我国著名教育家陶行知提出的“教学做合一”的教育主张，注重在做中学，学中做，培养了学生勇于探究，勇于尝试的探索精神。

同时STEAM教育倡导以活动为基础，是一种动手做的课堂体验，不是直接教授给学生相关知识，而是让学生在活动过程中自己去探究，归纳。

2.3 应用原理——设计制作

活动一：手动变速器原理图设计，剖析

在通过齿轮机构的实验了解手动变速器的原理之后，运用不同的传动比得到不同的档位，同学们开始两轴式四挡简易手动变速器的设计。

图2 手动变速器设计原理示意图

第一步同学们先小组讨论，在脑海里构思手动变速器的结构原理图，在白纸上开始设计，要有一个输入轴，一个输出轴，实现3个前进挡，一个倒挡，借助CAD制图软件画出，如图2所示，其中一组设计方案如下：

当挂入一档时，一、二档同步器结合套左移，与一档结合，动力便从输入轴传到一档主动齿轮（与轴一体），通过齿轮啮合传到一档从动齿轮（与轴空套），一、二档同步器结合套，花键毂，输出轴。

Z1=Z（1挡从动）/Z（一档主动）=29/12=2.416

当挂入二档时，一、二档同步器结合套右移，与二档结合，动力便从输入轴传到二档主动齿轮（与轴一体），通过齿轮啮合传到二档从动齿轮（与轴空套），一、二档同步器结合套，花键毂，输出轴。

Z2=Z（2挡从动）/Z（2档主动）=26/15=1.733

当挂入三档时，三、倒档同步器结合套左移，与三档结合，动力便从输入轴传到三、倒挡同步器花键毂，结合套，三档主动齿轮（与轴空套），三挡从动齿轮（与轴一体），输出轴。

Z3=Z（3挡从动）/Z（3档主动）=17/24=0.708

当挂入倒档时，三、倒档同步器结合套右移，与倒档结合，动力便从输入轴传到三、倒挡同步器花键毂，结合套，倒档主动齿轮（与轴空套），倒挡惰轮，倒挡从动齿轮（与轴一体），输出轴。

Z3=Z（倒挡从动）/Z（倒档主动）=24/12=2

设计意图：让学生在齿轮传动原理基础上通过不同齿轮的组合得到几组不同的传动比，从而实现手动变速器的功能，学生通过小组讨论，头脑风暴，集思广益，设计出一款简易式手动变速器并用CAD制图相关知识，将想法用图纸形式表达出来，通过不同学科知识整合，运用底盘知识，机械设计知识，数学学科计算不同档位传动比，CAD绘图最终呈现作品的设计思路，体现了STEAM的整合理念，取消学科间的界限，让学科之间互相渗透，优化组合，多元化角度运用知识，将所有学科内容整合到新的学习领域，使学生能更好的适应社会，适应实际项目，成为复合型人才。

活动二：引导学生结合机械基础相关公式，对齿轮参数计算，利用软件建模进行3D打印

已知齿轮模数m=1，压力角为20°，齿宽为6mm，每组啮合齿轮齿数之和为41，一档主动齿轮齿轮齿数z1主=12，一档从动齿轮z1从=29；二挡主动齿轮z2主=15，二挡从动齿轮z2从=26；三挡主动齿轮z3主=24，二挡从动齿轮z3从=17；倒挡主动齿轮z倒主=12，倒挡从动齿轮z倒从=24，倒挡惰轮齿轮z倒惰轮=12；结合公式齿轮分度圆直径d=mz，齿顶圆直径da=（z+2）*m，计算得出

d1主=12mm，da1主=14mm；d1从=29mm，da1从=31mm；以此类推d2，d3。d倒；利用Lumion软件建模如图3：

图3 手动变速器建模图

图4 手动变速器组装图

活动三：结合设计示意图，进行手动变速器组装，模拟不同档位

引导学生对不同齿轮按照设计图进行组装，如图4所示，通过调试，装上电池，模拟不同档位变换，极大的锻炼了学生的动手能力，激发学生的积极性。

2.4 评价反馈——共享成果

在各组学生设计出自己的简易式手动变速器后，教师进行总结，引导学生以小组的形式对本节课零散的知识点进行系统化整理，如手动变速器的工作原理，手从变速器的传动路线，齿轮的计算等。不同组之间分享自己组的设计成果和设计制作过程遇到的困难和心得，不断优化，进行成果展示。

3 项目总结及反思

通过项目两轴式四挡简易手动变速器的设计将原本分散的教学内容统一融合在一起，以核心课程《汽车底盘》为中心，关联《机械设计基础》《CAD制图》等专业必修课以及《数学》《计算机基础》等基础课的知识，着力培养学生的综合应用能力，与传统教学相比，STEAM

教育在于打破学科界限，由单学科的专业实践转变为强调多学科知识的融合与合作，在科技不断发展的今天，行业的合作共赢，多学科交叉，应用更显得尤为重要，STEAM理念在教学中应用，从课堂上培养学生的STEAM理念，培养复合型人才，为今后的发展奠定良好基础。