葛曉揚　包海默

摘要：以滑翔機為載體，研究并設(shè)計能夠?qū)⒘εc運動相關(guān)的物理知識轉(zhuǎn)化為符合7至012歲兒童認知規(guī)律的教具，通過實際操作建立感性體驗，為之后的物理知識學習鋪墊前期的感性經(jīng)驗基礎(chǔ)。方案整體采用通用模塊化設(shè)計思路，將組成飛機的重要部分設(shè)計為可以自由拼接的模塊，讓兒童可以自由組合滑翔機的布局并測試其飛行效果。方案以輕質(zhì)板材為機身和機翼的主要材料，通過專門設(shè)計的通用鎖扣連接件進行自由的組裝拼接，并通過內(nèi)置齒槽定位軌道的安裝角度調(diào)節(jié)模塊來設(shè)置不同的迎角與上/下反角。模塊化滑翔機兒童玩教具可以讓兒童按照想象自由組裝各式各樣布局的飛機。模塊可以多次拆裝、調(diào)節(jié)，讓兒童可以在組裝、試飛的實際操作過程中逐步理解速度、平衡、重心等力與運動相關(guān)的物理知識。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計 滑翔機 發(fā)現(xiàn)式學習 基礎(chǔ)教育

中圖分類號：J524.1 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）08-0128-04

引言

力與運動是物理知識中的基礎(chǔ)內(nèi)容，與這部分知識學習相關(guān)的經(jīng)驗感受應(yīng)當在兒童時期建立起來。一方面，力與運動相關(guān)的知識可以在直觀現(xiàn)象上被感受到;另一方面，兒童喜歡游戲、運動的天性正好與力、運動的內(nèi)容相適應(yīng)。根據(jù)皮亞杰對兒童認知規(guī)律的研究，約7到12歲之間處在“具體運算階段”的兒童已經(jīng)初步具備分析原因、計算數(shù)量變化等邏輯思維的基礎(chǔ)能力。但這個階段的兒童的邏輯思考過程仍然需要以具體事物為對象才能展開，較難達到抽象思維的水平。因此，為這個階段的兒童設(shè)計力與運動知識相關(guān)的玩教具，應(yīng)當遵循兒童的認知發(fā)展規(guī)律，通過實物操作的方式建立力與運動相關(guān)的體驗和感受，為日后學習這些物理知識的概念、原理等精密邏輯知識建立基礎(chǔ)的經(jīng)驗鋪墊。

在各類運動方式中，飛行運動具有很強的綜合性。與飛行運動相關(guān)的感受包括：速度、力量、方向、大小、重量、平衡性、穩(wěn)定性等，這些感受對于日后理解對應(yīng)的物理概念都是必不可少的經(jīng)驗前提。而且飛機也是深受兒童喜愛的一種玩具形式，以飛機作為玩教具設(shè)計的主題和載體，可以調(diào)動兒童的興趣，在操作玩教具的過程中為兒童建立起豐富的與物理知識相關(guān)的感受和經(jīng)驗。

從學習理論的角度來看，布魯納的“發(fā)現(xiàn)式學習”理論適用于概括這個年齡兒童對自然科學知識的認知過程。通過在環(huán)境中探索、嘗試，發(fā)現(xiàn)實物之間的關(guān)聯(lián)和變化規(guī)律。兒童玩教具的使用方式應(yīng)當主要是兒童自主探索，自主嘗試，教師或家長的指導應(yīng)當起輔助作用。因此，產(chǎn)品方案應(yīng)當能夠為兒童提供豐富、自由的組合方式，并且通過不同的組合和測試，讓兒童能夠發(fā)現(xiàn)不同的部分，也就是不同的因素對飛行運動結(jié)果能夠產(chǎn)生不同的影響，逐步從中發(fā)現(xiàn)這些因素之間的相互關(guān)系，最終達到發(fā)現(xiàn)式學習的目的。同時也達成了不使用抽象概念或數(shù)學計算，而是在實物操作的基礎(chǔ)上建立起和物理知識相關(guān)的經(jīng)驗感受這一設(shè)計目標。

如表1所示，模塊化滑翔機玩教具設(shè)計基本框架展示了從總設(shè)計目標到兒童認知規(guī)律，再到相關(guān)學習理論，最后得出設(shè)計方案諸項標準的設(shè)計分析全過程。在兒童認知規(guī)律和上述設(shè)計目標的前提要求下，以力與運動等相關(guān)物理知識為內(nèi)容的飛行類玩教具設(shè)計應(yīng)當滿足表1中的設(shè)計標準：

1.玩教具由模塊化的積木組成，每個模塊應(yīng)當具有明確的意義，對應(yīng)飛機的各個主要組成部件;

2.各類模塊應(yīng)當有不同的尺寸，用以對應(yīng)飛機各參數(shù)和因素的不同量值;

3.模塊具有方便的組裝和拆卸方式，無需使用膠粘或輔助工具，讓兒童可以多次修改和測試;

4.模塊間具有通用統(tǒng)一的連接結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)豐富且便捷的自由組合效果，同時減少產(chǎn)品的學習負荷。

一、飛機相關(guān)的知識和因素與模塊化設(shè)計思路

固定翼飛機一般由多個主要部件組合而成，具體包括：機身、機翼、水平安定翼、垂直安定翼等。根據(jù)不同的布局方式，有的飛機還會在飛機前端安裝鴨翼（前置翼），或者將水平安定翼替換為傾斜的垂直安定翼等，如圖1所示。這些部件是飛機飛行最重要的影響因素，而這些因素的不同狀態(tài)構(gòu)成了飛機的各項主要參數(shù)，包括機身長度、翼展、翼根弦長、翼尖弦長、后掠角、上/下反角、迎角等。

翼展和機身長度確定了飛機的總體大小。翼根、翼尖弦長和后掠角確定了機翼的形狀和面積，同時，后掠角越大阻力越小，機翼面積越大飛機在空氣中的穩(wěn)定性相對較好。上/下反角主要影響飛機側(cè)滾運動的穩(wěn)定性，具有一定上反角的飛機不易側(cè)向翻滾，因此客機、運輸機的機翼往往具有一定上反角，以增加飛行穩(wěn)定性。相對的，主翼下反角可以增強飛機的側(cè)向翻滾機動性，因此很多戰(zhàn)斗機主翼都有一定程度的下反角。迎角是飛機機翼前端上仰的程度，一定量的迎角可以增大飛機升力，但過大的迎角反而會造成飛機失速墜落。

模塊化滑翔機玩教具應(yīng)當以飛機主要組成部件為依據(jù)，對應(yīng)設(shè)計可自由組裝的模塊。在此基礎(chǔ)上，每種模塊包含不同的尺寸規(guī)格。以機翼模塊為例，設(shè)置不同翼形、翼展、后掠角的規(guī)格，從平直形到三角形，均可供兒童選擇安裝，讓兒童在試飛過程中觀察不同因素對飛行效果的影響，例如相同尺寸和發(fā)射條件下三角形機翼的飛機比平直機翼的飛機飛行速度快等。

固定翼飛機有多種多樣的布局模式，常見的幾種布局如圖1右上方所示，包括平直翼布局、三角/鴨翼布局、后掠翼布局、前掠翼布局等。不同布局的飛機在飛行過程中具有不同的性能表現(xiàn)，模塊化滑翔機玩教具應(yīng)當能夠讓兒童自由選擇部件組合為不同的布局。這要求各個模塊的組裝點位和連接件具有很強的兼容性，因此，通用的連接件設(shè)計是整體方案設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵點。

二、方案模塊設(shè)計

根據(jù)上文所述的設(shè)計要求，結(jié)合飛機各組成部分和規(guī)格參數(shù)的特點，模塊化滑翔機玩教具采用如圖2所示的整體設(shè)計方案：

1.機身、機翼模模塊采用KT泡沫板材制作而成，滿足重量輕且形態(tài)規(guī)整便于組裝的要求。同時KT板強度適合制作玩教具，切割加工成本低且易于印刷表面圖案;

2.機身和機翼設(shè)有不同形狀和尺寸的模塊，可以組裝出不同形狀、大小的飛機形態(tài)：

3.各個連接模塊之間通過塑料材質(zhì)模塊連接器進行組裝。根據(jù)飛機布局設(shè)計要求，具體包括延伸連接器、轉(zhuǎn)角連接器、雙點兩軸連接器以及單點兩軸連接器;

4.各連接器之間的拼接使用通用的連接桿，以保證模塊間可以自由進行組合。

（一）模塊連接桿設(shè)計

模塊連接桿和連接鎖是模塊化滑翔機設(shè)計方案中的核心部件。其設(shè)計標準必須滿足通用性和易用性兩個標準：①連接桿可以連接套件中的任意兩個連接器，②連接鎖的操作無需借助額外工具。具體設(shè)計如圖3所示，連接桿的兩端設(shè)有兩瓣突起卡榫，相應(yīng)的，連接鎖的鎖孔也設(shè)有兩瓣凸起的擋板。這種結(jié)構(gòu)可以讓連接桿在一定角度下穿過連接鎖孔，并在連接鎖旋轉(zhuǎn)90。之后用凸起擋板卡住連接桿末端的卡榫，從而阻止連接桿拔出。另外，連接桿中段為八邊形柱體，相比圓柱體，這種形態(tài)可以有效限定連接桿兩端模塊的安裝角度，防止模塊間相互旋轉(zhuǎn)偏移。

（二）延伸連接器設(shè)計

延伸連接器是模塊化滑翔機中最基本的連接部件。它可以沿著機身或機翼板件所在平面繼續(xù)拓展安裝新的板件。圖4中，延伸連接器主要由模塊安裝孔和其后方裝配的模塊固定鎖組成，連接器整體嵌入在機身或機翼板件邊緣的開槽處，并用專用的按釘固定。組裝時，在兩個機身或機翼模塊的延伸連接器之間插入模塊連接桿，并將兩邊的連接鎖旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，即可實現(xiàn)模塊在平面方向上的拓展與固定。通過延伸連接器，機身和機翼可以連續(xù)接長，形成不同機身長度或不同翼展長度的飛機形態(tài)。

（三）轉(zhuǎn)角連接器設(shè)計

與延伸連接器相同，轉(zhuǎn)角連接器也是在機身或機翼邊緣處進行連接的部件。不同之處在于，延伸連接器只是沿著板件所在平面進行拓展組合，轉(zhuǎn)角連接器則能夠?qū)崿F(xiàn)兩個機身或機翼模塊呈角度地組裝。從而實現(xiàn)機翼或機身的轉(zhuǎn)折造型，例如機翼末端上折的翼尖等用途。

轉(zhuǎn)角連接器主要是由一對帶有角度固定孔的單向模塊連接桿組成。兩個角度固定孔內(nèi)都分布有內(nèi)齒，通過穿入一根帶有相同模數(shù)外齒的折角固定栓固定在一起。角度固定孔和折角固定栓在圓周上分布有36個三角齒，能夠?qū)崿F(xiàn)最小6°的轉(zhuǎn)折精度。折角固定栓的頭部為流線型椎體，便于減小空氣阻力，其末端設(shè)有與模塊連接桿類似的鎖扣結(jié)構(gòu)，通過套上并旋轉(zhuǎn)零件固定帽來鎖定整個轉(zhuǎn)角連接器的裝配，如圖5所示。由于零件固定帽的開閉操作是以板件邊緣為軸的旋轉(zhuǎn)運動，這個旋轉(zhuǎn)方向一般與飛機飛行方向不在同一個平面，因此不會受到飛機飛行或降落過程中的慣性影響而導致固定帽意外解鎖脫落，從而保障了轉(zhuǎn)角連接器的穩(wěn)定性。

（四）雙點兩軸連接器設(shè)計

雙點兩軸連接器是模塊化滑翔機中比較復雜的模塊連接器，用以實現(xiàn)機翼和機身的連接以及不同上/下反角和迎角的調(diào)節(jié)功能。固定翼飛機布局有三個重要參數(shù)：后掠角、上/下反角、迎角。其中后掠角通過不同形狀的板件實現(xiàn)，上/下反角和迎角則都集中設(shè)置在機翼翼根邊緣與機身側(cè)面的連接位置上。因此固定機翼模塊與機身模塊的連接器是整個模塊化滑翔機玩教具中最復雜的結(jié)構(gòu)，詳細的設(shè)計分析如下：

1.飛機主翼的翼根弦長一般較長，且翼根位置承擔大面積機翼懸挑的受力，因此主翼翼根邊緣需要配備兩個延伸連接器。相應(yīng)的，機身一側(cè)的連接器也需要對應(yīng)配有兩個模塊連接桿。這就是“雙點”連接的原因;

2.由于機翼的迎角和上/下反角都是翼根處的安裝變化，因此機身一側(cè)與機翼相連的連接器不僅需要具備轉(zhuǎn)角連接器控制上/下反角的功能，還要能夠讓機翼以機身所在平面的法線方向為軸進行旋轉(zhuǎn)。因此這個位置的連接器需要具備機翼邊緣軸線和機身平面的法線方向軸線兩個旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)和固定功能。

為實現(xiàn)上述設(shè)計分析所提出的功能要求，具體的設(shè)計方案如圖6所示：

1.雙點兩軸連接器主要由迎角固定器和兩軸模塊連接器組成，迎角固定器通過兩側(cè)6根固定釘裝配在機身側(cè)面，兩軸模塊連接器裝入迎角固定器中，并與機翼邊緣的延伸連接器相連，完成機翼與機身的組裝;

2.圖7中，迎角固定器內(nèi)側(cè)由兩個對稱的迎角固定齒槽扇形軌道組成。兩軸模塊固定器的內(nèi)側(cè)設(shè)有模數(shù)相同的迎角固定齒插接頭，通過嵌入迎角固定器內(nèi)兩側(cè)的齒槽來固定機翼的迎角。兩軸模塊連接器正面設(shè)有迎角調(diào)節(jié)鎖，根據(jù)模塊表面繪制的開閉鎖提示圖標，可旋轉(zhuǎn)解鎖調(diào)節(jié)鎖從而讓內(nèi)側(cè)的迎角固定齒可以向內(nèi)滑動，抽離迎角固定齒槽。此時可以旋轉(zhuǎn)整個兩軸模塊連接器以調(diào)節(jié)機翼迎角，而無需拆下整個機翼。迎角固定齒槽每兩個三角齒的間隔為3°，機翼可以以最小3°的精度調(diào)節(jié)迎角;

3.雙點兩軸連接器對機翼上下反角的調(diào)節(jié)方式與轉(zhuǎn)角連接器的結(jié)構(gòu)類似。通過一個帶有角度固定孔的模塊連接桿和上/下反角固定栓來連接并固定機翼的上/下反角。與轉(zhuǎn)角連接器相同，角度固定孔和角度固定栓上配有的三角齒為一圓周36個，能夠?qū)崿F(xiàn)每6°一個位置的調(diào)節(jié)精度。上/下反角固定栓的末端采用與模塊連接桿相同的鎖扣結(jié)構(gòu)，整個雙點兩軸連接器的安裝和調(diào)節(jié)操作無需其他工具輔助即可完成。

（五）單點兩軸連接器設(shè)計

單點兩軸連接器從功能上看與雙點兩軸連接器相同，都是為了連接機身和機翼，并設(shè)置機翼不同的上/下反角和迎角。但由于水平安定翼、鴨翼等尺寸較小的機翼翼根弦長較短，沒有足夠的空間設(shè)置兩個模塊連接器孔位。因此需要設(shè)計只有一個連接桿的小尺寸單點兩軸連接器。具體設(shè)計方案如圖8所示：

1.單點兩軸連接器主要由小型迎角固定器和小型迎角連接器兩個部分組成。小型迎角固定器通過四個固定釘安裝在機身側(cè)面，其內(nèi)側(cè)分布有兩排間隔為3°的小型迎角固定齒槽，用以固定小型迎角連接器的迎角度數(shù);

2.小型迎角連接器的外側(cè)與延伸連接器的結(jié)構(gòu)相同，設(shè)有連接桿鎖孔機構(gòu)，通過模塊連接桿與機翼邊緣連接組裝。如果在此處將模塊連接桿替換為轉(zhuǎn)角連接器，則可以控制相連機翼的上/下反角;

3.小型迎角連接器的后端的圓柱插頭設(shè)有一圈凹槽，可以通過小型迎角調(diào)節(jié)鎖將其固定在小型迎角固定器中。如果需要調(diào)節(jié)該位置的迎角度數(shù)，可以向外旋轉(zhuǎn)兩個小型迎角調(diào)節(jié)鎖，解除對連接器后端的固定，取出迎角連接器并重新按照需要的迎角度數(shù)安裝。

三、模塊化組裝

模塊化滑翔機玩教具的設(shè)計目標是為兒童提供自由設(shè)計組裝飛機的條件，在—次次設(shè)計、試飛、調(diào)整的過程中逐步提升飛行效果。對影響飛行運動的各項因素，如速度、阻力、平衡等概念建立體驗和感受，為日后的物理知識學習鋪墊經(jīng)驗基礎(chǔ)。

在上文介紹的各類模塊和連接器的共同作用下，模塊化滑翔機可以形成各式各樣的組合方式，以圖9中所示的幾種布局為例：a方案是最普通的單翼布局飛機，帶有一定后掠角的主翼裝配在機身中段的雙點兩軸連接器上，翼尖小翼通過轉(zhuǎn)角連接器與主翼末端相連，并可以設(shè)置轉(zhuǎn)角以提升飛行的穩(wěn)定性;b方案是三角/鴨翼布局的方案，這種布局打破了一般a方案中較大的主翼設(shè)在較小的安定翼前面的設(shè)計思路，讓兒童可以在機翼面積和飛機整體平衡性上嘗試和探索更多的可能性;c方案代表的是三層機翼的布局方式，通過在機上下各增添一個配有單點兩軸連接器的拓展機身板件，飛機可以在中段上下羅列裝配三層機翼。通過這種組裝方式，兒童可以嘗試多層機翼對飛行帶來的影響，以及飛機前后平衡與飛行效果的影響關(guān)系;d方案沿主翼并排配置了三個機身模塊，其參考原型是著名的P-38型戰(zhàn)斗機。這種布局方案一方面打破了常規(guī)的以單一機身為中軸進行布局的設(shè)計思路，同時這種方案也必須考慮較翼展兩端的重量對飛機強度的影響。兒童在設(shè)計自己的飛機方案時可以在這些不尋常的布局基礎(chǔ)上繼續(xù)拓展，比如結(jié)合d方案和c方案的設(shè)計思路，將飛機在橫向和縱向上都做延伸拓展，形成立體框架結(jié)構(gòu)，在增大飛機橫向板件面積的同時增強飛機整體的穩(wěn)固性。

這幾種組合方案只是無數(shù)模塊化滑翔機玩教具所能組合出的結(jié)果中的一小部分，更多的組合方式和飛行運動效果在實際操作過程中會有更多更豐富的表現(xiàn)。

四、設(shè)計方案的改進和優(yōu)化分析

模塊化滑翔機玩教具通過自由拼接組裝的模塊部件，能夠?qū)崿F(xiàn)多種多樣、造型迥異的飛機形態(tài)。根據(jù)實際組裝測試的結(jié)果來看，組裝過程無需額外工具輔助，并可根據(jù)飛行效果多次調(diào)節(jié)機翼布局和各類安裝角度，實現(xiàn)了設(shè)計的預(yù)期目標。在具體的幾個環(huán)節(jié)上，當前方案仍有可繼續(xù)改進和優(yōu)化的必要。

1.單點兩軸連接器由于尺寸的限制，在當前方案下調(diào)節(jié)迎角需要將機翼完全拆卸。相比雙點兩軸連接器，這種調(diào)節(jié)方式較為復雜，這部分的連接方式在未來的方案中應(yīng)當重新設(shè)計。具體改進思路為延長小型迎角連接器根部的連接軸，并將其結(jié)構(gòu)設(shè)計為特定角度可插入或拔出連接器的鎖頭。從而改進為解鎖并拔起一個固定高度后即可調(diào)節(jié)角度的方案，而不必完全拆卸。

2.轉(zhuǎn)角連接器雖然可以讓機翼之間形成豐富的轉(zhuǎn)折角度，但是當前的方案版本會讓設(shè)有轉(zhuǎn)角的機翼之間形成約1.5cm的間隙，這不僅對飛機整體造型的連續(xù)性產(chǎn)生了一定影響，而且在氣動效果方面也仍然值得繼續(xù)改進。具體改進思路有兩種：首先可以設(shè)計若干種不同角度彎折的模塊連接桿。其次可以將轉(zhuǎn)角連接器改進為從外側(cè)固定到延伸連接器的方案，從而避免在模塊之間形成孔隙。兩種思路具體的效果需在未來實際的方案改進中進一步驗證。

3.飛機的模塊化自定義可以產(chǎn)生很多不同的飛機布局，這些飛機不同飛行效果應(yīng)當在相同的發(fā)射條件下才能進行有效的測量比較。因此，應(yīng)當根據(jù)模塊化滑翔機的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計對應(yīng)的可控發(fā)射裝置，讓兒童在游玩過程中建立控制變量的科學實驗意識。具體的設(shè)計思路主要為彈簧或皮筋彈射式發(fā)射架，主要的控制變量包括發(fā)射的力度、軌道長度和發(fā)射仰角三個參數(shù)，即最終控制發(fā)射迎角與初速度兩個重要的影響因素。

結(jié)論

兒童在具體運算階段的學習方法應(yīng)當以實物操作為基礎(chǔ)，建立感性體驗，為將來相關(guān)知識的抽象概念學習和精密計算鋪墊經(jīng)驗基礎(chǔ)。模塊化滑翔機兒童玩教具以力與運動相關(guān)的物理知識為內(nèi)容，整體采用輕質(zhì)板材加通用鎖扣連接件的模塊化設(shè)計思路，將飛機布局的各個組成部分對應(yīng)設(shè)計為可以自由組裝的模塊積木，配合專用的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，可以在組裝過程中對各類安裝角度參數(shù)進行調(diào)整。讓兒童可以更輕松地實現(xiàn)自己的想象，并驗證其運行效果。在游玩的過程中逐步建立起力與運動相關(guān)的一系列經(jīng)驗感受，通過設(shè)計、組裝、試驗、改進的過程培養(yǎng)兒童科學實證的意識基礎(chǔ)。