仿生“跳跳蟲”：連桿機(jī)構(gòu)與循環(huán)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)——SPIKEPrime機(jī)器人初中課程教學(xué)設(shè)計(jì)一、教學(xué)內(nèi)容分析??本節(jié)課隸屬于初中信息科技/通用技術(shù)課程中“設(shè)計(jì)與智造”模塊，其設(shè)計(jì)深度錨定于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中“跨學(xué)科主題”與“計(jì)算思維”的核心要求。從知識(shí)技能圖譜看，本課處于“從簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)到程序邏輯控制”的樞紐位置：學(xué)生已初步掌握馬達(dá)的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)與傳感器的基礎(chǔ)應(yīng)用，本節(jié)課將在此基礎(chǔ)上，聚焦于“曲柄搖桿機(jī)構(gòu)”這一核心機(jī)械概念的理解與搭建，并引入“循環(huán)結(jié)構(gòu)”這一關(guān)鍵編程邏輯，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)行為的跨越。其認(rèn)知要求從“識(shí)記”部件功能，躍升至“應(yīng)用”機(jī)構(gòu)原理與“綜合”編程控制以解決復(fù)雜任務(wù)。在過程方法上，本課天然承載了“工程設(shè)計(jì)與優(yōu)化”的學(xué)科思想方法。學(xué)生將經(jīng)歷“觀察仿生原型（跳蚤、螞蚤）—抽象機(jī)構(gòu)模型（連桿）—設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案—迭代測(cè)試優(yōu)化”的完整微型工程探究流程。素養(yǎng)價(jià)值的滲透則如鹽溶于水：在機(jī)械調(diào)試中培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度；在小組協(xié)作攻克技術(shù)難關(guān)時(shí)，體驗(yàn)共情與堅(jiān)持；在賦予機(jī)器人“生命感”的創(chuàng)意裝飾中，激發(fā)審美感知與人文關(guān)懷；最終，通過理解仿生學(xué)“向自然學(xué)習(xí)”的智慧，初步樹立技術(shù)與自然和諧共生的可持續(xù)發(fā)展觀念。??基于“以學(xué)定教”原則，學(xué)情研判需立體展開。學(xué)生已有基礎(chǔ)包括：能夠熟練拼接SPIKEPrime基礎(chǔ)構(gòu)件，熟悉編程環(huán)境中運(yùn)動(dòng)模塊的基本設(shè)置?？赡艿恼J(rèn)知障礙在于：其一，將抽象的“曲柄搖桿”原理與具體的物理結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系存在跨度；其二，理解循環(huán)結(jié)構(gòu)如何精確控制跳躍的節(jié)奏與次數(shù)，需克服線性思維的慣性。興趣點(diǎn)則高度集中于讓機(jī)器人“動(dòng)起來”并完成挑戰(zhàn)。為此，教學(xué)調(diào)適應(yīng)提供差異化路徑：對(duì)于概念理解較快的學(xué)生，引導(dǎo)其探究連桿長(zhǎng)度與跳躍幅度、穩(wěn)定性的關(guān)系；對(duì)于編程邏輯感到困難的學(xué)生，提供“半成品”程序框圖作為腳手架，降低入門門檻。貫穿課堂的形成性評(píng)價(jià)將依托觀察小組討論焦點(diǎn)、分析搭建過程中的試錯(cuò)路徑、檢視程序注釋的清晰度來動(dòng)態(tài)把握學(xué)情，并即時(shí)調(diào)整講解的深度與演示的粒度。二、教學(xué)目標(biāo)??知識(shí)目標(biāo)：學(xué)生能夠準(zhǔn)確闡釋曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為搖桿往復(fù)擺動(dòng)的機(jī)械原理，并能辨析其在本課“跳跳蟲”模型中的具體應(yīng)用形式；同時(shí)，學(xué)生能清晰說明“循環(huán)結(jié)構(gòu)”在控制跳躍行為重復(fù)執(zhí)行中的作用，理解其與“等待時(shí)間”參數(shù)協(xié)同控制動(dòng)作節(jié)奏的邏輯關(guān)系。??能力目標(biāo)：學(xué)生能夠獨(dú)立或協(xié)作完成一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能完整的“跳跳蟲”機(jī)器人實(shí)體搭建；能夠綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)模塊與流程控制模塊，編寫出實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定跳躍動(dòng)作的程序，并具備通過參數(shù)微調(diào)來優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的基本調(diào)試能力。??情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：在小組合作探索中，學(xué)生能主動(dòng)傾聽同伴意見，在遭遇搭建或編程失敗時(shí)表現(xiàn)出積極的抗挫折心態(tài)和互助精神；通過欣賞自然界生物的跳躍機(jī)制，初步形成關(guān)注仿生學(xué)、樂于從自然中汲取設(shè)計(jì)靈感的技術(shù)審美取向。??科學(xué)（學(xué)科）思維目標(biāo)：重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生的“系統(tǒng)思維”與“模型建構(gòu)”能力。引導(dǎo)他們將機(jī)器人視為“機(jī)械結(jié)構(gòu)”與“控制程序”相互耦合的完整系統(tǒng)進(jìn)行思考，并經(jīng)歷將生物跳躍功能抽象為可工程實(shí)現(xiàn)的連桿機(jī)構(gòu)模型這一思維過程。??評(píng)價(jià)與元認(rèn)知目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)“結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性”、“動(dòng)作連貫性”、“創(chuàng)意表現(xiàn)力”等量規(guī)要點(diǎn)，對(duì)自有及他組作品進(jìn)行初步評(píng)價(jià)；鼓勵(lì)學(xué)生在課后反思學(xué)習(xí)單上記錄調(diào)試過程中的關(guān)鍵決策與思維轉(zhuǎn)折點(diǎn)，培養(yǎng)其“計(jì)劃監(jiān)控調(diào)節(jié)”的元認(rèn)知習(xí)慣。三、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)??教學(xué)重點(diǎn)：本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生理解并實(shí)現(xiàn)“曲柄搖桿機(jī)構(gòu)”的機(jī)械傳動(dòng)。確立此為重點(diǎn)，源于其在課程標(biāo)準(zhǔn)中作為“結(jié)構(gòu)與功能”大概念的典型載體，是連通機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)與機(jī)器人動(dòng)態(tài)行為設(shè)計(jì)的核心樞紐。掌握此機(jī)構(gòu)，不僅為本次跳躍任務(wù)提供解決方案，更是為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)更復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)（如履帶、機(jī)械臂）奠定了不可或缺的認(rèn)知與技能基礎(chǔ)。從能力立意看，能否成功搭建并調(diào)試該機(jī)構(gòu)，直接決定了項(xiàng)目的成敗，是工程實(shí)踐能力的集中體現(xiàn)。??教學(xué)難點(diǎn)：本課的難點(diǎn)預(yù)計(jì)出現(xiàn)在“機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制程序的協(xié)同調(diào)試與優(yōu)化”環(huán)節(jié)。其成因在于，這是一個(gè)涉及多變量（如連桿孔位、馬達(dá)功率、循環(huán)延遲時(shí)間）動(dòng)態(tài)調(diào)整的系統(tǒng)工程，要求學(xué)生克服單點(diǎn)式思維，建立關(guān)聯(lián)性思考。學(xué)生常出現(xiàn)的典型問題是：?jiǎn)为?dú)調(diào)整結(jié)構(gòu)或程序后，未進(jìn)行整合測(cè)試，導(dǎo)致問題歸因困難。預(yù)設(shè)的突破方向是提供“分步調(diào)試策略”腳手架：先確保機(jī)構(gòu)在手動(dòng)推動(dòng)下能順暢運(yùn)動(dòng)，再測(cè)試單次跳躍程序，最后嵌入循環(huán)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生采用“改變一個(gè)變量，觀察效果”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，降低調(diào)試的復(fù)雜性。四、教學(xué)準(zhǔn)備清單1.教師準(zhǔn)備??1.1媒體與教具：教學(xué)課件（含跳蚤慢動(dòng)作跳躍視頻、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖解、分層任務(wù)卡）；教師演示用“跳跳蟲”完整模型12個(gè)；SPIKEApp編程環(huán)境投影。??1.2學(xué)習(xí)資源：分層學(xué)習(xí)任務(wù)單（含基礎(chǔ)搭建指引圖、挑戰(zhàn)任務(wù)提示卡）；課堂過程性評(píng)價(jià)量表（小組互評(píng)表）。2.學(xué)生準(zhǔn)備??2.1硬件與軟件：每小組（23人）一套SPIKEPrime核心套裝；已安裝SPIKEApp并完成基礎(chǔ)連接的平板電腦或筆記本電腦。??2.2前置經(jīng)驗(yàn)：復(fù)習(xí)馬達(dá)模塊和“等待”模塊的使用；簡(jiǎn)單觀察昆蟲跳躍的圖片或視頻。3.環(huán)境準(zhǔn)備??3.1場(chǎng)地布置：小組合作式座位安排，中間預(yù)留足夠的作品測(cè)試與展示區(qū)域；準(zhǔn)備平坦的起跳區(qū)（如大地墊或指定地板區(qū)域）。五、教學(xué)過程第一、導(dǎo)入環(huán)節(jié)??1.情境創(chuàng)設(shè)與動(dòng)機(jī)激發(fā)：“同學(xué)們，你們觀察過自然界中的昆蟲嗎？比如螞蚱、跳蚤，它們是怎么實(shí)現(xiàn)跳躍的？讓我們看一段慢動(dòng)作視頻。（播放視頻）看，它們的后腿就像一對(duì)精密的彈射杠桿！今天，我們的工程挑戰(zhàn)就是：向大自然這位頂級(jí)設(shè)計(jì)師學(xué)習(xí)，用手中的SPIKEPrime零件，創(chuàng)造我們自己的機(jī)械‘跳跳蟲’！”??1.1問題提出與舊知關(guān)聯(lián)：“要讓我們的機(jī)器人模仿‘跳躍’，大家想想，我們需要解決哪兩個(gè)最關(guān)鍵的問題？對(duì)，第一是‘怎么動(dòng)起來’——這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)能把馬達(dá)的‘旋轉(zhuǎn)’變成‘彈跳’的機(jī)械結(jié)構(gòu)。第二是‘怎么有節(jié)奏地跳’——這就需要編程來控制它。這和我們已經(jīng)學(xué)過的讓小車直行，有什么相同和不同呢？”??1.2路徑明晰與目標(biāo)預(yù)告：“本節(jié)課，我們將化身仿生機(jī)械工程師。首先，揭秘并搭建核心的‘彈跳機(jī)構(gòu)’；然后，為它編寫‘跳躍節(jié)奏’程序；最后，來一場(chǎng)創(chuàng)意與功能兼具的‘跳跳蟲’挑戰(zhàn)賽。準(zhǔn)備好了嗎？讓我們開始探索！”第二、新授環(huán)節(jié)任務(wù)一：解構(gòu)“跳躍”——從生物運(yùn)動(dòng)到機(jī)械模型教師活動(dòng)：首先，引導(dǎo)學(xué)生聚焦視頻中昆蟲腿部與身體的連接和運(yùn)動(dòng)軌跡。拋出引導(dǎo)性問題：“大家注意看，昆蟲的腿是不是圍繞一個(gè)‘支點(diǎn)’在快速擺動(dòng)？這個(gè)擺動(dòng)如何把身體‘推’出去？”隨后，展示一個(gè)簡(jiǎn)化的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)示意圖，并用實(shí)物長(zhǎng)連桿和銷軸進(jìn)行類比演示?！罢?qǐng)看，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤（指曲柄）就像我們的馬達(dá)軸，這根擺動(dòng)的桿（指搖桿）可以模擬昆蟲的腿。當(dāng)‘曲柄’轉(zhuǎn)一圈，‘搖桿’就會(huì)來回?cái)[一次。這就是我們今天要用的核心魔法——曲柄搖桿機(jī)構(gòu)?！蔽視?huì)走動(dòng)到各小組，確保他們都能觀察到演示。學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生集中觀看視頻和圖示，嘗試用語言描述觀察到的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換過程。他們可能會(huì)說“腿猛地一蹬”、“繞著關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)”。在教師演示時(shí)，他們會(huì)跟隨引導(dǎo)，將生物部位（腿、關(guān)節(jié)）與機(jī)械部件（搖桿、銷軸）建立初步關(guān)聯(lián)，并提出疑問，如“那我們的‘身體’（主機(jī)）安在哪里？”即時(shí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1.觀察描述是否具體：能否指出“支點(diǎn)”和“擺動(dòng)”等關(guān)鍵特征。2.類比聯(lián)想能力：是否能初步將生物結(jié)構(gòu)與教師展示的機(jī)械模型相聯(lián)系。3.提問的相關(guān)性：提出的問題是否圍繞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換與結(jié)構(gòu)搭建。形成知識(shí)、思維、方法清單：★核心概念曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)擺動(dòng)（或反之）的經(jīng)典機(jī)械裝置。由曲柄（輸入件）、連桿、搖桿（輸出件）和機(jī)架組成。在本課中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)曲柄（通常是一個(gè)帶孔梁或輪轂），帶動(dòng)連桿，從而使搖桿（模擬蟲腿）擺動(dòng)?！鴮W(xué)科方法觀察與建模：工程技術(shù)中，常從自然或生活現(xiàn)象中提取關(guān)鍵功能（如“彈跳”），并將其抽象簡(jiǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的機(jī)械模型，這是工程思維的起點(diǎn)。任務(wù)二：搭建核心——“跳跳蟲”的骨架與肌肉教師活動(dòng)：不直接提供完整步驟圖，而是發(fā)放“關(guān)鍵連接點(diǎn)”示意圖，并設(shè)置階梯式引導(dǎo)。“第一個(gè)小目標(biāo)：請(qǐng)用灰色銷和長(zhǎng)連桿，制作一個(gè)可以靈活擺動(dòng)的‘搖桿腿’。注意，它的一端需要固定在我們的‘身體’（主機(jī)或大型框架）上作為支點(diǎn)?！毖惨曋校槍?duì)搖桿固定不牢或擺動(dòng)卡頓的小組進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)?！暗诙€(gè)目標(biāo)：如何將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)傳遞給你的‘搖桿腿’？回想一下剛才的‘曲柄’。試試用最短的藍(lán)色銷和十字軸，在馬達(dá)上安裝一個(gè)‘曲柄’?！睂?duì)于進(jìn)展快的小組，提出深化問題：“試試改變曲柄上連接連桿的孔位，感覺一下擺動(dòng)的幅度有什么變化？”學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生以小組為單位，根據(jù)提示進(jìn)行探索性搭建。他們需要決策“搖桿腿”與主機(jī)的連接位置和方式，測(cè)試其擺動(dòng)順暢度。隨后，嘗試將馬達(dá)與曲柄部件組合，并尋找合適的連桿將曲柄與搖桿連接起來。他們會(huì)經(jīng)歷嘗試、調(diào)整、甚至推倒重來的過程，并初步感知結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔位）對(duì)輸出運(yùn)動(dòng)的影響。即時(shí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1.結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性：“搖桿腿”的固定點(diǎn)是否牢固，整體結(jié)構(gòu)在手動(dòng)測(cè)試時(shí)是否松散。2.運(yùn)動(dòng)流暢性：完成連接后，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)軸，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否順滑，有無卡滯。3.協(xié)作有效性：小組成員是否有明確分工（如一人持結(jié)構(gòu)，一人安裝銷軸），能否就搭建方案進(jìn)行有效溝通。形成知識(shí)、思維、方法清單：★關(guān)鍵技能結(jié)構(gòu)化搭建：在復(fù)雜模型中，遵循“子系統(tǒng)優(yōu)先集成”原則，先確保核心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿）的獨(dú)立工作正常，再將其安裝到主體框架上?！镆族e(cuò)點(diǎn)過約束與自由度：確保機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件只受到必要的約束。例如，連接搖桿的銷軸若同時(shí)插入兩個(gè)過于緊密的孔，會(huì)導(dǎo)致摩擦增大、運(yùn)動(dòng)不暢，此時(shí)需檢查孔位選擇或考慮使用摩擦較小的軸套。任務(wù)三：注入“生命”——編寫單次跳躍程序教師活動(dòng)：“現(xiàn)在我們的‘跳跳蟲’有了強(qiáng)健的‘腿’，但還不會(huì)自己動(dòng)。怎么命令它跳一次呢？”引導(dǎo)學(xué)生分析動(dòng)作序列：“一次完整的跳躍，是不是可以分解為‘蓄力’（腿向后擺）、‘爆發(fā)’（腿向前快速擺動(dòng)）、‘復(fù)位’？對(duì)應(yīng)到我們的馬達(dá)，應(yīng)該怎么轉(zhuǎn)？”帶領(lǐng)學(xué)生口頭規(guī)劃：馬達(dá)先向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度（蓄力），然后快速反向轉(zhuǎn)動(dòng)（爆發(fā)）。隨后，演示在SPIKEApp中拖拽“馬達(dá)旋轉(zhuǎn)指定度數(shù)”模塊和“等待時(shí)間”模塊進(jìn)行組合。“特別注意，‘等待’模塊就像動(dòng)作之間的‘呼吸’，決定了節(jié)奏。大家先嘗試編寫一個(gè)讓蟲子成功跳起一次的程序?！睂W(xué)生活動(dòng)：學(xué)生跟隨教師的引導(dǎo)，分解動(dòng)作，并討論馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向與角度的設(shè)定。他們?cè)谄桨迳蟿?dòng)手操作，拖拽編程模塊，嘗試設(shè)置合理的度數(shù)（如正向180度，反向180度）和等待時(shí)間（如0.5秒）。編寫后到主機(jī)進(jìn)行測(cè)試，觀察機(jī)器人的實(shí)際動(dòng)作是否與預(yù)期相符。即時(shí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1.邏輯分解能力：能否將連續(xù)跳躍動(dòng)作合理分解為幾個(gè)可編程的電機(jī)動(dòng)作階段。2.程序與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)：測(cè)試失敗后，能否有意識(shí)地檢查程序參數(shù)（如旋轉(zhuǎn)方向、度數(shù)）與機(jī)械動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.調(diào)試的耐心與策略：是否愿意并有方法地進(jìn)行多次嘗試，而不是盲目隨機(jī)修改參數(shù)。形成知識(shí)、思維、方法清單：★核心概念動(dòng)作序列化編程：將復(fù)雜連續(xù)動(dòng)作拆解為多個(gè)有序的電機(jī)指令單元，是機(jī)器人控制的基礎(chǔ)思維?！镏匾怼暗却蹦K的作用：它不僅控制動(dòng)作間隔的時(shí)間長(zhǎng)短，更關(guān)鍵的是，它為機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)到位和系統(tǒng)穩(wěn)定提供了必要的時(shí)間緩沖，是保證動(dòng)作準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。任務(wù)四：讓它“停不下來”——引入循環(huán)結(jié)構(gòu)教師活動(dòng)：“很棒！很多小組的蟲子已經(jīng)能跳一下了。但怎么讓它連續(xù)跳，比如跳5次呢？難道要把剛才的程序復(fù)制粘貼5遍嗎？有沒有更聰明的辦法？”引出“循環(huán)”結(jié)構(gòu)的概念?！霸诰幊汤铮覀兛梢哉?qǐng)出一個(gè)好幫手——‘循環(huán)’模塊。它就像告訴機(jī)器人：‘請(qǐng)把框里的這些動(dòng)作，重復(fù)執(zhí)行N次。’”演示在現(xiàn)有程序外套上一個(gè)“循環(huán)”模塊，并修改循環(huán)次數(shù)?！按蠹椰F(xiàn)在試試，讓你的跳跳蟲自動(dòng)跳3次。注意，循環(huán)就像個(gè)‘籠子’，要把所有需要重復(fù)的動(dòng)作都‘關(guān)’進(jìn)去哦。”學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生理解循環(huán)的概念后，動(dòng)手修改自己的程序。他們將已有的動(dòng)作序列模塊拖入“循環(huán)”模塊的內(nèi)部。設(shè)置循環(huán)次數(shù)（如3次），再次測(cè)試。他們會(huì)興奮地看到機(jī)器人自動(dòng)完成連續(xù)跳躍。部分學(xué)生會(huì)好奇地嘗試修改循環(huán)次數(shù)為“無限”，觀察效果。即時(shí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1.概念遷移應(yīng)用：能否正確使用循環(huán)模塊包裹已有的動(dòng)作序列。2.程序結(jié)構(gòu)意識(shí)：是否理解循環(huán)的邊界，有無將不必要的模塊（如程序啟動(dòng)模塊）錯(cuò)誤地放入循環(huán)內(nèi)。3.探索精神：是否主動(dòng)嘗試改變循環(huán)次數(shù)，觀察不同效果。形成知識(shí)、思維、方法清單：★核心概念循環(huán)結(jié)構(gòu)：用于控制程序中的特定語句塊重復(fù)執(zhí)行的控制流結(jié)構(gòu)。它能極大簡(jiǎn)化代碼，提高編程效率，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、重復(fù)性任務(wù)的關(guān)鍵?！锼季S提升抽象與模式化：識(shí)別出“單次跳躍”是一個(gè)可重復(fù)的模式單元，并用循環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行抽象封裝，這是計(jì)算思維中“模式識(shí)別”與“抽象”能力的體現(xiàn)。任務(wù)五：優(yōu)化與挑戰(zhàn)——讓跳躍更穩(wěn)、更遠(yuǎn)、更有趣教師活動(dòng)：組織“優(yōu)化工作坊”。“現(xiàn)在進(jìn)入工程師最喜歡的環(huán)節(jié)——優(yōu)化！請(qǐng)大家思考：1.（基礎(chǔ)優(yōu)化）怎么調(diào)整能讓它跳得更穩(wěn)，不側(cè)翻？2.（進(jìn)階挑戰(zhàn)）怎么讓它跳得更遠(yuǎn)？可以從程序（功率、角度）和結(jié)構(gòu)（連桿孔位）兩方面想辦法。3.（創(chuàng)意拓展）給你的跳跳蟲增加點(diǎn)個(gè)性吧！比如加上觸角、眼睛，或者為它的跳躍配個(gè)音效？”為不同需求的小組提供提示卡，并宣布準(zhǔn)備進(jìn)行最后的“跳躍距離賽”和“創(chuàng)意展示”。學(xué)生活動(dòng)：各小組進(jìn)入個(gè)性化探究與優(yōu)化階段。有的小組嘗試在機(jī)身底部增加配重或拓寬“腳掌”以增強(qiáng)穩(wěn)定性；有的小組協(xié)作實(shí)驗(yàn)，一人調(diào)整連桿孔位，一人微調(diào)馬達(dá)功率和角度，尋找最佳組合；還有的小組開始用其他零件進(jìn)行裝飾。他們?yōu)樽罱K的展示和比賽做準(zhǔn)備，氣氛活躍。即時(shí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1.問題解決策略：針對(duì)優(yōu)化目標(biāo)（穩(wěn)、遠(yuǎn)），是否能有邏輯地提出并嘗試多種調(diào)整方案。2.跨變量調(diào)試能力：在調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，是否意識(shí)到需要同步微調(diào)程序參數(shù)以適配。3.創(chuàng)意表達(dá)：裝飾或功能擴(kuò)展是否體現(xiàn)了小組的獨(dú)特想法和對(duì)主題的理解。形成知識(shí)、思維、方法清單：▲工程思維迭代優(yōu)化：工程設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷“設(shè)計(jì)測(cè)試分析改進(jìn)”的迭代過程。沒有一蹴而就的完美設(shè)計(jì)，優(yōu)化貫穿始終。▲跨學(xué)科聯(lián)系穩(wěn)定性與重心：機(jī)器人的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與它的重心位置、支撐面大小密切相關(guān)。這是物理學(xué)知識(shí)在工程實(shí)踐中的直接應(yīng)用。第三、當(dāng)堂鞏固訓(xùn)練??1.基礎(chǔ)層（全員必測(cè)）：“請(qǐng)各小組派代表，演示你們的跳跳蟲能夠穩(wěn)定、連續(xù)地完成至少3次跳躍。”此環(huán)節(jié)重點(diǎn)鞏固機(jī)構(gòu)搭建與循環(huán)程序的核心掌握情況。教師巡回檢查，對(duì)仍存在卡頓或程序錯(cuò)誤的小組進(jìn)行針對(duì)性輔導(dǎo)。??2.綜合層（小組選擇挑戰(zhàn)）：設(shè)置兩項(xiàng)挑戰(zhàn)任務(wù)供小組選擇或依次嘗試。挑戰(zhàn)A（精準(zhǔn)控制）：“能否讓跳跳蟲正好跳完5次后，停在一個(gè)目標(biāo)圈（直徑約30cm）內(nèi)？”此任務(wù)綜合考驗(yàn)程序的精確性（循環(huán)次數(shù)）與機(jī)構(gòu)的一致性。挑戰(zhàn)B（適應(yīng)性調(diào)整）：“請(qǐng)你們?cè)诓桓淖兂绦虻那闆r下，僅通過快速調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)（如改變連桿孔位），讓跳躍的節(jié)奏（頻率）發(fā)生變化?！贝巳蝿?wù)深化對(duì)機(jī)械參數(shù)影響輸出特性的理解。??3.挑戰(zhàn)層（開放探究）：向所有學(xué)生提出思考題：“如果我們想做一個(gè)能調(diào)節(jié)跳躍力度的跳跳蟲，比如‘輕柔模式’和‘爆發(fā)模式’，在硬件和軟件上可以如何設(shè)計(jì)？”鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生在課后繼續(xù)探究。反饋機(jī)制采用“同伴觀察員”制度：在挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)，非展示小組需依據(jù)評(píng)價(jià)量表觀察他組表現(xiàn)，并從“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”、“程序穩(wěn)定”、“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”等方面給出一個(gè)優(yōu)點(diǎn)和一條建議，教師最后進(jìn)行集中點(diǎn)評(píng)與提煉。第四、課堂小結(jié)??1.知識(shí)整合與結(jié)構(gòu)化：“我們來一起繪制本節(jié)課的‘思維足跡圖’。從‘自然靈感’出發(fā)，經(jīng)過‘機(jī)械建?！ㄇ鷵u桿）和‘邏輯編碼’（循環(huán)結(jié)構(gòu)），最終完成‘工程創(chuàng)造’（跳跳蟲）。誰能來說說，這幾個(gè)部分是如何環(huán)環(huán)相扣的？”邀請(qǐng)學(xué)生代表發(fā)言，教師用板書或課件形成可視化總結(jié)。??2.方法提煉與元認(rèn)知：“回顧今天的制作過程，你認(rèn)為哪一步的調(diào)試最考驗(yàn)?zāi)托?？你用了什么方法來解決它？這種‘遇到問題分析原因嘗試解決’的流程，在未來解決其他技術(shù)問題時(shí)同樣適用?！??3.作業(yè)布置與展望：“今天的旅程結(jié)束，但創(chuàng)意不止。作業(yè)請(qǐng)查看任務(wù)單：必做部分是完善課堂學(xué)習(xí)筆記，并錄制一段跳跳蟲工作視頻。選做部分有兩項(xiàng)：一是在程序中加入聲音或燈光效果，讓你的跳跳蟲更有個(gè)性；二是研究除了曲柄搖桿，還有沒有其他機(jī)械結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)跳躍？我們下節(jié)課將分享大家的發(fā)現(xiàn)，并開啟新的挑戰(zhàn)——‘爬行蟲’！”六、作業(yè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性作業(yè)（全體必做）：??1.知識(shí)整理：在筆記本上用圖文結(jié)合的方式，總結(jié)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的工作原理和循環(huán)結(jié)構(gòu)在本次項(xiàng)目中的作用。??2.功能實(shí)錄：錄制一段時(shí)長(zhǎng)不超過1分鐘的視頻，展示最終優(yōu)化的跳跳蟲能夠連續(xù)、穩(wěn)定跳躍至少5次，并簡(jiǎn)單介紹小組成員的分工。拓展性作業(yè)（建議大多數(shù)學(xué)生嘗試）：??1.情境化應(yīng)用：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的故事情境，讓跳跳蟲成為故事主角（例如“逃離紙盒森林”）。通過調(diào)整程序，使跳跳蟲的跳躍動(dòng)作（節(jié)奏、次數(shù)）符合劇情需要，并錄制帶有解說的小短片。??2.參數(shù)探究報(bào)告：簡(jiǎn)要探究“馬達(dá)功率”（或“連桿連接孔位”）這一參數(shù)的變化對(duì)跳躍距離或穩(wěn)定性的影響。記錄3組不同的參數(shù)設(shè)置及對(duì)應(yīng)的跳躍效果（可用文字或簡(jiǎn)單測(cè)量數(shù)據(jù)描述），并得出一個(gè)初步結(jié)論。探究性/創(chuàng)造性作業(yè)（學(xué)有余力學(xué)生選做）：??1.跨學(xué)科創(chuàng)意設(shè)計(jì)：研究一種其他具備彈跳能力的小動(dòng)物（如青蛙、袋鼠），分析其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)與之相關(guān)的、帶有自己創(chuàng)想的新仿生跳躍機(jī)器人概念圖（手繪或軟件繪制均可），并簡(jiǎn)要說明其可能運(yùn)用的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制特點(diǎn)。??2.功能升級(jí)項(xiàng)目：嘗試為跳跳蟲增加一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器（如超聲波傳感器或顏色傳感器），并編寫程序，實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能交互功能。例如：“當(dāng)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，自動(dòng)跳起躲避”或“當(dāng)識(shí)別到綠色地面時(shí)，跳一支獨(dú)特的舞蹈”。七、本節(jié)知識(shí)清單及拓展??★1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：本節(jié)課的核心機(jī)械知識(shí)。由曲柄、連桿、搖桿和機(jī)架四部分構(gòu)成，功能是將驅(qū)動(dòng)件的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為從動(dòng)件的往復(fù)擺動(dòng)。在跳跳蟲模型中，馬達(dá)軸驅(qū)動(dòng)曲柄，通過連桿帶動(dòng)搖桿（蟲腿）擺動(dòng)，從而將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化為向上的彈跳力。教學(xué)提示：搭建時(shí)，務(wù)必確保各連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，避免“過約束”。??★2.運(yùn)動(dòng)分解與序列化編程：關(guān)鍵的編程思維。將一個(gè)連續(xù)的物理動(dòng)作（跳躍）分解為多個(gè)離散的、可編程的電機(jī)動(dòng)作指令（如：正轉(zhuǎn)蓄力等待反轉(zhuǎn)彈跳），并按順序組合。這是控制任何復(fù)雜機(jī)器人動(dòng)作的基礎(chǔ)方法論。??★3.循環(huán)結(jié)構(gòu)：核心編程概念。用于控制程序中的特定模塊組重復(fù)執(zhí)行指定的次數(shù)或無限循環(huán)。使用循環(huán)可以避免代碼冗余，使程序邏輯更清晰，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化重復(fù)任務(wù)的核心。在本課中，它將“單次跳躍”序列包裹起來，實(shí)現(xiàn)連續(xù)跳躍。??▲4.“等待”模塊的深層作用：不僅是時(shí)間延遲。在機(jī)器人程序中，“等待”模塊為機(jī)械部件的物理運(yùn)動(dòng)到位、系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定提供了必需的“喘息時(shí)間”。刪除或設(shè)置過短的等待時(shí)間，可能導(dǎo)致動(dòng)作混亂或結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大。??★5.調(diào)試與迭代：貫穿始終的工程實(shí)踐思維。機(jī)器人項(xiàng)目極少一次成功，調(diào)試是常態(tài)。有效的調(diào)試策略包括：分模塊測(cè)試（先機(jī)械后程序）、單變量調(diào)整（一次只改變一個(gè)參數(shù)并觀察結(jié)果）、以及利用傳感器數(shù)據(jù)或仔細(xì)觀察現(xiàn)象進(jìn)行歸因分析。??▲6.系統(tǒng)耦合思想：高級(jí)工程思維。認(rèn)識(shí)到機(jī)器人是機(jī)械結(jié)構(gòu)（硬件）與控制程序（軟件）緊密耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)的微小改動(dòng)（如連桿孔位）可能要求程序參數(shù)（如馬達(dá)功率、角度）相應(yīng)調(diào)整，反之亦然。必須從整體系統(tǒng)角度思考問題。??▲7.重心與穩(wěn)定性：關(guān)聯(lián)物理學(xué)的實(shí)踐知識(shí)。機(jī)器人的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與其重心投影是否落在支撐面內(nèi)密切相關(guān)。跳跳蟲的“腳掌”設(shè)計(jì)、機(jī)身配重，都是為了在動(dòng)作中維持重心穩(wěn)定，防止側(cè)翻。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素。??★8.仿生學(xué)設(shè)計(jì)流程初探：一種重要的創(chuàng)新方法論。流程通常為：觀察生物功能>抽象出核心原理>工程化模型實(shí)現(xiàn)。本節(jié)課即簡(jiǎn)化地經(jīng)歷了這一流程：觀察昆蟲跳躍>抽象為“杠桿彈射”>用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。??▲9.協(xié)作中的角色與溝通：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的軟技能。在小組協(xié)作中，自然的角色分工（如架構(gòu)師、程序員、測(cè)試員）和清晰的技術(shù)溝通（如“我認(rèn)為是這里的銷子太緊了”），是提升效率、化解沖突的關(guān)鍵。這與未來真實(shí)工程團(tuán)隊(duì)的工作模式一致。八、教學(xué)反思??（一）教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度分析????從當(dāng)堂鞏固環(huán)節(jié)的展示來看，90%以上的小組成功實(shí)現(xiàn)了“跳跳蟲”的連續(xù)跳躍，表明知識(shí)目標(biāo)與能力目標(biāo)中的基礎(chǔ)部分達(dá)成度較高。學(xué)生能準(zhǔn)確指出模型中的“曲柄”和“搖桿”，并能解釋其作用；在編程層面，“循環(huán)結(jié)構(gòu)”被普遍掌握。情感態(tài)度目標(biāo)在小組協(xié)作和調(diào)試過程中有生動(dòng)體現(xiàn)：多數(shù)小組在遭遇初始失敗時(shí)，能聽到“我們?cè)僭囋嚵硪粋€(gè)孔”、“是不是程序里的方向反了？”等積極的對(duì)話，而非輕易放棄。然而，科學(xué)思維目標(biāo)中的“系統(tǒng)思維”深度，以及元認(rèn)知目標(biāo)的顯性化，仍顯不足。僅有少數(shù)小組在優(yōu)化時(shí)能主動(dòng)、有意識(shí)地同時(shí)考慮機(jī)械與程序的雙重調(diào)整，大部分學(xué)生仍依賴試錯(cuò)；課后反思單的記錄也相對(duì)淺層，多描述“做了什么”，而非“為何這樣做、如何調(diào)整想法”。??（二）核心環(huán)節(jié)有效性評(píng)估????導(dǎo)入環(huán)節(jié)的視頻與提問成功激發(fā)了興趣，快速將學(xué)生帶入“仿生工程師”的角色。任務(wù)二（搭建核心）采用“關(guān)鍵點(diǎn)示意圖”而非完整步驟圖的設(shè)計(jì)是成功的，它保留了適度的探索空間，引發(fā)了有價(jià)值的試錯(cuò)（如連桿連接錯(cuò)誤導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)鎖死），而恰恰是糾錯(cuò)過程深化了對(duì)機(jī)構(gòu)自由度原理的理解。任務(wù)五（優(yōu)化挑戰(zhàn)）作為分層設(shè)計(jì)，有效滿足了不同層次學(xué)生的需求，課堂在此環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出活躍的創(chuàng)造性氛圍。但任務(wù)三與四的過渡可能稍顯急促。部分學(xué)生在從“動(dòng)作分解”到“套入循環(huán)”時(shí)出現(xiàn)了邏輯斷層，表現(xiàn)為將循環(huán)模塊放錯(cuò)位置。思考：是否應(yīng)在任務(wù)三完成后，增加一個(gè)“全班共析一個(gè)典型單次跳躍程序”的環(huán)節(jié)，將其結(jié)構(gòu)可視化，再引入循環(huán)，使“套入”的動(dòng)作更具象？??（三）學(xué)生表現(xiàn)的深度剖析????觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的表現(xiàn)大致可分為三類：一類是“直覺試錯(cuò)型”，動(dòng)手極快，但調(diào)試缺乏章法，依賴頻繁改動(dòng)直到碰巧成功；一類是