一、課程背景與目標(biāo)（一）課程背景機(jī)械鐘表是經(jīng)典機(jī)械系統(tǒng)的代表，融合了力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料科學(xué)等多學(xué)科知識，其核心機(jī)構(gòu)（如擒縱系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)）體現(xiàn)了人類對“精準(zhǔn)計(jì)時(shí)”的智慧探索。在STEM教育背景下，制作機(jī)械鐘表作為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）載體，可有效培養(yǎng)學(xué)生的工程思維（問題定義、方案設(shè)計(jì)、迭代優(yōu)化）、動(dòng)手能力（工具使用、零件加工）及創(chuàng)新意識（傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、功能拓展）。（二）課程目標(biāo)1.知識目標(biāo)：掌握機(jī)械鐘表的核心原理（等時(shí)性、齒輪傳動(dòng)、擒縱機(jī)制）；理解發(fā)條動(dòng)力系統(tǒng)的力矩特性；能計(jì)算齒輪速比以實(shí)現(xiàn)時(shí)分秒指示的匹配。2.能力目標(biāo)：能獨(dú)立完成機(jī)械鐘表的方案設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)規(guī)劃、材料選型）；掌握鋸割、鉆孔、裝配等基本機(jī)械加工技能；能通過調(diào)試解決走時(shí)不準(zhǔn)、停擺等常見問題。3.情感目標(biāo)：感受機(jī)械系統(tǒng)的美感與邏輯；培養(yǎng)耐心與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虘B(tài)度；激發(fā)對傳統(tǒng)機(jī)械文化的興趣。二、機(jī)械鐘表核心原理分析機(jī)械鐘表的工作邏輯可概括為：動(dòng)力系統(tǒng)提供能量→傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞動(dòng)力→擒縱系統(tǒng)控制能量釋放→指示系統(tǒng)顯示時(shí)間。其中，擒縱系統(tǒng)是“心臟”，擺輪游絲系統(tǒng)是“時(shí)間基準(zhǔn)”。（一）動(dòng)力系統(tǒng)：發(fā)條的力矩特性發(fā)條通過彈性形變存儲(chǔ)機(jī)械能，釋放時(shí)產(chǎn)生扭矩驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。其力矩隨發(fā)條放松而逐漸減?。ǔ跏剂卮?，末期力矩?。?，需通過發(fā)條盒（齒輪減速）優(yōu)化力矩輸出，確保傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定。（二）傳動(dòng)系統(tǒng)：齒輪速比設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心是匹配時(shí)分秒指針的轉(zhuǎn)速。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械鐘表的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：秒針：60轉(zhuǎn)/小時(shí)（1轉(zhuǎn)/分鐘）分針：1轉(zhuǎn)/小時(shí)時(shí)針：1轉(zhuǎn)/12小時(shí)齒輪速比計(jì)算遵循公式：\[\text{速比}=\frac{\text{主動(dòng)輪齒數(shù)}}{\text{從動(dòng)輪齒數(shù)}}=\frac{\text{從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速}}{\text{主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速}}\]例如，秒針與分針的速比需為60:1（秒針轉(zhuǎn)60圈，分針轉(zhuǎn)1圈），分針與時(shí)針的速比需為12:1。實(shí)際設(shè)計(jì)中，需通過多組齒輪組合實(shí)現(xiàn)（如秒針→中間輪→分針→中間輪→時(shí)針）。（三）擒縱系統(tǒng)：精準(zhǔn)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵擒縱系統(tǒng)的作用是將連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為間歇的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并通過擺輪游絲的等時(shí)性控制能量釋放速率。常見的學(xué)生可制作的擒縱機(jī)構(gòu)為杠桿式擒縱（又稱“錨式擒縱”），其工作原理如下：1.傳動(dòng)齒輪（擒縱輪）的齒推動(dòng)擒縱叉的一側(cè)，釋放擺輪游絲的彈性勢能；2.擺輪擺動(dòng)至極限位置時(shí)，擒縱叉的另一側(cè)卡住擒縱輪，阻止其繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；3.擺輪反向擺動(dòng)時(shí)，再次釋放擒縱輪的一個(gè)齒，循環(huán)往復(fù)。（四）時(shí)間基準(zhǔn)：擺輪游絲的等時(shí)性擺輪游絲系統(tǒng)的擺動(dòng)周期由游絲的彈性系數(shù)和擺輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定，公式為：\[T=2\pi\sqrt{\frac{I}{k}}\]其中，\(T\)為擺動(dòng)周期，\(I\)為擺輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，\(k\)為游絲彈性系數(shù)。等時(shí)性是指：在小振幅（通常<50°）下，擺動(dòng)周期與振幅無關(guān)。這是機(jī)械鐘表精準(zhǔn)計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)，因此需確保擺輪游絲的加工精度（如游絲的圈數(shù)、擺輪的質(zhì)量分布）。三、方案規(guī)劃與設(shè)計(jì)（一）需求分析1.用戶定位：中學(xué)生（課程實(shí)踐）或鐘表愛好者（興趣拓展）；2.功能需求：實(shí)現(xiàn)時(shí)分秒指示、手動(dòng)上鏈、可視化機(jī)械結(jié)構(gòu)；3.性能指標(biāo)：走時(shí)誤差≤±10秒/天（學(xué)生作品）、續(xù)航時(shí)間≥24小時(shí)（發(fā)條滿弦后）；4.約束條件：材料易獲?。ㄈ鐏喛肆?、木板）、工具簡單（手工或小型機(jī)床）、成本低廉（≤50元）。（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械鐘表的結(jié)構(gòu)可分為五大模塊（見圖1），各模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)**動(dòng)力系統(tǒng)**選擇玩具發(fā)條（扭矩適中、易獲?。辉O(shè)計(jì)發(fā)條盒（用PVC管制作，內(nèi)置齒輪減速）。**傳動(dòng)系統(tǒng)**采用3組齒輪（秒針輪、分針輪、時(shí)針輪）；齒輪模數(shù)選擇0.5（小型齒輪，嚙合穩(wěn)定）。**擒縱系統(tǒng)**杠桿式擒縱（擒縱輪齒數(shù)15，擒縱叉用黃銅片制作）；擺輪用鋁片制作（減輕重量）。**指示系統(tǒng)**指針用硬紙板或亞克力板切割（秒針最長、時(shí)針最短）；刻度盤用打印紙或木板繪制。**機(jī)架**用亞克力板（透明，便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)）或木板（易加工）制作；設(shè)計(jì)安裝孔位（固定齒輪軸、發(fā)條盒）。（三）材料與工具清單1.材料：玩具發(fā)條（1個(gè)）、塑料齒輪（模數(shù)0.5，齒數(shù)15/30/60各1個(gè)）、鋁片（擺輪）、黃銅片（擒縱叉）、亞克力板（機(jī)架）、螺絲螺母（M3，固定零件）、游絲（手表舊零件或鋼絲自制）。2.工具：手鋸（切割亞克力/木板）、電鉆（鉆孔）、銼刀（修整零件）、鑷子（裝配小零件）、螺絲刀（固定螺絲）、秒表（調(diào)試誤差）。3.安全工具：護(hù)目鏡（防止切割飛濺）、手套（保護(hù)手部）。四、制作流程與關(guān)鍵步驟（一）步驟1：機(jī)架加工1.根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，用手鋸切割亞克力板（或木板）為機(jī)架主體（尺寸約20cm×15cm）；2.用電鉆在機(jī)架上鉆孔（直徑2mm，用于固定齒輪軸、發(fā)條盒）；3.用銼刀修整孔位邊緣（避免刮傷零件）。（二）步驟2：動(dòng)力系統(tǒng)安裝1.將發(fā)條裝入發(fā)條盒（注意發(fā)條的纏繞方向：順時(shí)針纏繞，末端固定在發(fā)條盒內(nèi)壁）；2.將發(fā)條盒固定在機(jī)架上（用M3螺絲）；3.安裝發(fā)條盒輸出齒輪（與傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入齒輪嚙合）。（三）步驟3：傳動(dòng)系統(tǒng)裝配1.將齒輪軸插入機(jī)架的安裝孔（用熱熔膠固定軸的一端，確保轉(zhuǎn)動(dòng)靈活）；2.依次安裝秒針輪、中間輪、分針輪、中間輪、時(shí)針輪（注意齒輪嚙合間隙：0.1-0.2mm，避免卡滯）；3.調(diào)整齒輪位置，確保傳動(dòng)順暢（用手轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條盒，觀察齒輪是否同步轉(zhuǎn)動(dòng)）。（四）步驟4：擒縱系統(tǒng)調(diào)試1.將擒縱輪安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)的末端（與分針輪嚙合）；2.用黃銅片制作擒縱叉（形狀如“錨”，兩端有叉口），固定在機(jī)架上（軸孔與擒縱輪軸平行）；3.安裝擺輪游絲（游絲一端固定在擺輪上，另一端固定在機(jī)架上）；4.調(diào)試擒縱叉與擒縱輪的配合：擒縱輪的齒應(yīng)能推動(dòng)擒縱叉擺動(dòng)，擺輪擺動(dòng)時(shí)擒縱叉應(yīng)能卡住擒縱輪（調(diào)整擒縱叉的角度，確保間隙約0.1mm）。（五）步驟5：指示系統(tǒng)安裝1.將指針固定在齒輪軸上（秒針固定在秒針輪軸，分針固定在分針輪軸，時(shí)針固定在時(shí)針輪軸）；2.校準(zhǔn)指針位置：將秒針調(diào)至12點(diǎn)，分針、時(shí)針同步調(diào)至12點(diǎn)；3.安裝刻度盤（用膠水固定在機(jī)架上，確?？潭扰c指針對齊）。（六）步驟6：總裝與初調(diào)1.檢查所有零件是否固定牢固（齒輪軸、發(fā)條盒、擒縱叉）；2.手動(dòng)上鏈（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條盒旋鈕，約10圈）；3.釋放擺輪，觀察是否擺動(dòng)（若停擺，需調(diào)整擒縱叉角度或擺輪游絲長度）。五、調(diào)試與優(yōu)化（一）常見問題及解決方法問題原因分析解決方法**走時(shí)過快**擺輪游絲長度過短（周期過?。?；齒輪嚙合間隙過大（轉(zhuǎn)速過高）。加長游絲長度（剪去1-2圈）；調(diào)整齒輪位置（減小嚙合間隙）。**走時(shí)過慢**擺輪游絲長度過長（周期過大）；齒輪嚙合過緊（摩擦力過大）?？s短游絲長度（剪去1-2圈）；用潤滑油（縫紉機(jī)油）潤滑齒輪軸。**停擺**擒縱叉與擒縱輪卡住；擺輪游絲打結(jié)；發(fā)條力矩不足。調(diào)整擒縱叉角度（增大間隙）；重新整理游絲（避免纏繞）；增加上鏈圈數(shù)（≤15圈）。**指針轉(zhuǎn)動(dòng)卡頓**齒輪軸孔配合過緊；指針與刻度盤摩擦。用銼刀擴(kuò)大軸孔（增大間隙）；縮短指針長度（避免接觸刻度盤）。（二）優(yōu)化方向1.精度優(yōu)化：用3D打印制作齒輪（提高齒形精度）；更換硅游絲（溫度穩(wěn)定性更好）。2.功能拓展：增加手動(dòng)報(bào)時(shí)功能（用凸輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)敲鐘錘）；設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)游絲長度（用螺絲固定游絲，方便調(diào)試）。3.外觀優(yōu)化：用激光切割制作個(gè)性化指針（如動(dòng)物形狀）；在機(jī)架上繪制裝飾圖案（復(fù)古或現(xiàn)代風(fēng)格）。六、課程評價(jià)體系（一）評價(jià)指標(biāo)維度指標(biāo)權(quán)重**知識掌握**能解釋機(jī)械鐘表的核心原理（擒縱系統(tǒng)、等時(shí)性）；齒輪速比計(jì)算準(zhǔn)確。20%**制作過程**工具使用規(guī)范；能獨(dú)立解決裝配問題（如停擺、卡頓）；制作記錄完整。30%**作品性能**走時(shí)誤差（≤±10秒/天為優(yōu)秀）；續(xù)航時(shí)間（≥24小時(shí)為合格）；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（無松動(dòng)零件）。30%**創(chuàng)新點(diǎn)**對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)（如用3D打印零件、增加功能）；外觀設(shè)計(jì)的創(chuàng)意（如個(gè)性化指針、裝飾）。20%（二）評價(jià)方式1.學(xué)生自評：填寫《制作過程記錄表》（記錄遇到的問題及解決方法）；2.同伴互評：通過作品展示，對同學(xué)的作品進(jìn)行評分（重點(diǎn)評價(jià)創(chuàng)新點(diǎn)與性能）；3.教師評價(jià)：根據(jù)評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合學(xué)生的制作過程與作品性能，給出最終成績；4.作品答辯：學(xué)生介紹自己的設(shè)計(jì)思路、創(chuàng)新點(diǎn)及調(diào)試過程，回答教師與同學(xué)的問題。七、拓展與延伸（一）項(xiàng)目拓展1.進(jìn)階制作：嘗試制作陀飛輪鐘表（抵消重力對擺輪的影響，提高精度）；2.材料創(chuàng)新：用3D打印制作全部零件（如齒輪、機(jī)架），探索新型材料（如PLA、樹脂）的應(yīng)用；3.文化探究：參觀鐘表博物館（如北京故宮鐘表館、瑞士鐘表博物館），了解機(jī)械鐘表的歷史與文化。（二）跨學(xué)科延伸1.數(shù)學(xué)：計(jì)算擺輪游絲的擺動(dòng)周期（用秒表測量，驗(yàn)證公式\(T=2\pi\sqrt{I/k}\)）；2.物理：研究發(fā)條的彈性勢能（用彈簧測力計(jì)測量發(fā)條的拉力，計(jì)算能量存儲(chǔ)）；3.藝術(shù)：設(shè)計(jì)鐘表的外觀（結(jié)合復(fù)古、現(xiàn)代或抽象風(fēng)格，繪制設(shè)計(jì)圖）。結(jié)語制作機(jī)械鐘表是一項(xiàng)兼具科學(xué)性與趣味性的創(chuàng)新課程，通過“理論學(xué)習(xí)—方案設(shè)計(jì)—?jiǎng)邮种谱鳌?/p>