“教学用可调多线笔”项目设计

“教学用可调多线笔”项目设计

黄志宽

绥棱县教师进修学校  黑龙江省绥化市  152200

一、项目主题          

同学们发现，在学习中老师和同学经常需要在黑板上画线、绘图，特别是画五线谱、拼音格，有时需要边绘图边讲解，需要频繁更换直尺、量角器、圆规等绘图工具，不但浪费时间，绘图不规范，还不利于讲解示范，同学们提出解决这一问题的策略，结合学生STEAM课程目标，在教师的引导下，帮助学生生成开发“教学用可调多线笔”这一项目主题。

二、项目简介

教学用可调多线笔，是一种可编程，具有多种控制方式的手动、自动一体的画线绘图用具。是通过对传统画线工具的分析和研究后，设计的一种便于小学语文、数学、英语和音乐学科教师的教学和学生学习使用的演示画图用具，以便提高画线的精确度和效率。项目主要内容是“教学用可调多线笔”的设计与制作，项目时长两年。

三、核心概念

该项目的学习，涉及数学学科数据收集、分析、处理、制图、测量、计算、统计、整理等内容；涉及科学学科猜想、实验、验证、电路安装、结构设计等内容；涉及信息技术学科编程、数据分析、人工智能等知识；涉及综合实践课程的活动设计、同伴互助、网络购物等实践活动。

通过项目学习使学生数学、科学、信息技术、综合实践等学科素养得到融合提升。

四、驱动问题

学生在课堂学习中，发现老师经常需要在黑板上画多条平行直线，特别是音乐老师画五线谱、语文老师画拼音格、数学老师画几何图形等，每次画线老师都要借助直尺一条线一条线地画，有时画一条长线，需要挪动两三次直尺，不但画线的速度慢，画出的线还不规范，而且教师画线时，不能同时画多条，每两条线之间的距离往往不一致，经常是老师画完线了，同学们已经没有了学习热情，所以说这种画线方法影响了学生学习的积极性和学习效果，传统的画线用具结构单一，使用范围受到了极大的限制，从而耽误学习进程。

学生在数学课堂学习中，画图是必备的知识之一，老师经常要用直尺画出各种图形来供学生参考做题，但传统的直尺结构过于单一，只能绘画简单的平面图形，当需要绘制圆形或其他几何图形时需借助别的教具，来回更换教具会浪费老师的上课时间，给老师和学生的学习带来不便。

为了解决以上问题，同学们就提出:能不能研制一种自动绘图工具，可以一次画多条线，同时能把绘图人员的双手解脱出来，这样就能便于讲解、示范，也能解决行动不便的教学人员绘图讲解问题，由此提出了“教学用可调多线笔的设计和制作”。

五、学习评价

（一）终结性评价

1.学习成果的实用性。适用于语文、数学、音乐、英语等多学科教学，是小学课堂教学中经常需要用到的教学用具。

2.学习成果的创新性。目前，市场上没有同款的教学用具，“教学用可调多线笔”的板书画线绘图及演示功能具有创新价值。

（二）过程性评价

1.设计与研究过程中发挥团队精神，通过小组合作探究，及时发现问题、解决问题。

2.在同伴互助过程中发挥协作、沟通和奉献精神，在动手实践的同时培养科技意识。

六、实施过程

（一）提出问题

同学们，今天老师想请大家观看一段我们平时学习的场景，大家看视频。(播放语文课上老师用尺子一段一段画拼音四线格视频，音乐老师用直尺一条一条画五线谱视频，数学老师演示画平行四边形而被老师身体遮挡的视频)大家看了这段视频有什么想法吗？生1:用尺子画太慢了！

生2:老师画得不标准！

生3:老师演示、同学看不见！

生4:能不能发明一个自动笔！

……

师：同学们能从实际学习生活中发现问题，大家不但善于观察，而且还能认真思考并提出问题。这是所有发明创造的基础，许多科学家就是因为像你们一样，发现问题、提出问题，在解决问题的过程中历经千辛万苦、经过无数次失败，但最后都取得了举世瞩目的成就。

（二）准备阶段

1.调查研究定项目。针对所研究项目的必要性和所开发的画线工具功能采取了调查统计的方法，调查的对象主要是面向小学教师和学生。从问卷结果看，比较集中的想法是需要开发一种具有可调多功能的画图演示用具。

2.数据比较法选方案。在材料选择、难点方案设计上采用了对比筛选的方法。在笔盒的原材料的选择上，要根据需求指标，针对市面现有笔盒进行筛选。

在众多款式粉笔套中筛选出以上三种比较接近选材的笔套，再近一步地对比以上三种粉笔套，取第二种“自动粉笔套”最适合作为笔盒材料，因为重量轻，宽度小，塑料材质便于改造。在横梁的原材料选择上，需要轻便、适合安装滑块的铝合金材料，选取了市面上的几种商品对比。

通过对比，双轴心导轨更具备横梁材质的要求，选取SGR10导轨和SGB15-3轮滑块。

本装置在设计横向传动、角度传动和笔盒传动时，设计了几种传动方案，根据各部分传

动环境和特征，依据几种设计的优缺点对比分析，选择使用合理的设计方案。

横向传动，因为相对负荷较大，选择轻便耐用的“轮胎摩擦式传动”设计方案比较适合；

角度传动因为受到绘图尺重力的作用，当角度与横梁不垂直时，受到的负荷加大，笔盒传动部分因为随着角度滑槽的变化，角度会在0——180度内变化，负荷也会随时改变，因此，角度传动和笔盒传动选择“齿轮链条式传动”比较适合，除了传动之外，还能起到固定作用。

（三）阐述制作

笔盒槽的设计与制作采用了实践研究的方法。笔盒槽作为本教学用可调多线笔主体与笔盒相连接的部件，具有其特殊功能，因此笔盒槽的设计是否合理，直接影响着绘图效果。

确定研究的具体问题：一是要研究笔盒槽的按装部位。笔盒槽需要安装在笔盒电机输出轮上，按装的位置要恰当，也就是需要保证输出轮作90度转动时，笔盒达到起笔和收笔的效果。二是笔盒槽的结构要便于笔盒拆卸，便于更换笔盒，便于笔盒安装粉笔。三是笔盒槽对笔盒的按压力适当，为了绘图的持续进行，保证粉笔与黑板面的接触，笔盒槽对笔盒要具有一个适当的按压力，压力过大，会使电机不能驱动笔盒运动，压力过小，会出现绘图断断续续的情况。

在角度滑槽的安装过程中采用了实验改进的方法。

实验部件：滑块、绘图尺、指针、驱动电机。

实验目的：把角度滑槽固定在滑块上，把绘图尺放在角度滑槽上、并通过中心转轴使其能做180度自由旋转，把驱动电机安装在绘图尺指针端，把链条安装在角度滑槽上，呈半圆形，驱动电机输出安装齿轮，通过齿轮与链条的配合起到固定和旋转绘图尺的作用。

改进思路：一是弄清角度滑槽与滑块的关系。为了实现绘图时的水平运动，角度滑槽及绘图尺需要安装在滑块上。二是弄清角度滑槽与绘图尺的关系。通过角度滑槽把驱动电机的动力转化成绘图尺的偏转角度，可以把绘图尺需要安装在角度滑槽上，由于绘图尺的偏转、绘图尺受就会发生变化，为了保证绘图的需要，角度滑槽需要起到控制绘图尺的功能。三是弄清角度滑槽与驱动电机的关系。通过驱动电机的旋转经过角度滑槽控制绘图尺的偏转角度，电机可以在角度滑槽上、也可以在绘图尺的指针上。

改进步骤：一是选用半圆形带刻度钢尺作为角度滑槽主体，在角度滑槽主体的直径上按照滑块的四个螺丝孔数据打孔，并加垫安装，把角度滑槽固定在滑块上。二是在角度滑槽主体圆心点安装中轴，中轴上加垫，然后把绘图尺末端留出指针长度打孔并安装到中轴上，使其能做180度自由旋转。中轴上面加垫后用螺丝固定。三是把驱动电机安装在指针上，驱动电机减速齿输出安装塑料齿轮，齿轮平面与角度滑槽平面平行，并与滑槽平面相距2-3毫米，保证与链条咬合。四是在角度滑槽上安装半圆形链条，使其与驱动电机输出齿轮配合，既能固定绘图尺又能控制绘图尺的偏转角度。

七、学习成果

工作原理:“教学用可调多线笔”的工作原理为：控制系统按照编程或接收到遥控指令启动电机，电机带动减速齿轮使输出轮转动，通过链条带动绘图笔盒作出起笔、收笔、平移、弧形等绘图运动。

      本“教学用可调多线笔”可以更换笔盒实现单线笔、多线笔、板擦笔的更换，从而实现功能拓展。本“教学用可调多线笔”笔盒可以保证粉笔被牢固夹持住，防止粉笔掉落，也有利于粉笔的更换。