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教学设计|掌控多足怪

掌控多足怪


一、基本信息

作品名称 掌控多足怪

作者姓名 小齿轮

作者单位 小齿轮

执教年级 四年级

课时长度 4课时

涉及器材 掌控板及扩展板

涉及软件 mPythonX/mPython/Mind+软件、SIOT/bylnk/easy IoT等软件

文件清单 教学设计、教学课件、演示视频、任务单、评价表、配套代码

二、作品内容

【教学目标】

1、风能怪组装,用风力驱动试玩,了解泰奥·杨森结构和能量转化知识。

2、改装风能怪为掌控板电力量驱动结构,编程进行掌控无线遥控。

3、探索更多的遥控方式,用SIoT,Bylnk,Easy IoT等方式遥控,学习更多通信及物联控制知识。

【器材准备】

1. 材料准备

原装风能怪物 一盒

风能怪物打印件一套

掌控板+掌控宝 2

TT马达电机(焊接好线) X2

TT马达安装螺丝M3x25 X8

自攻螺丝十字圆头带垫M2.3x8 X14

螺丝刀 X1

2、编程软件

mpythonX 0.5.1 /mPython2.22/mind+/米思齐/bylnk等

【课时安排】

组装与试玩2

改装与编程2

【课堂教学】

第一二课时

1、风能怪兽

风能怪兽源于荷兰工程艺术家Theo Jansen创造的仿生物体,依靠机械原理和自然风力移动前行,结构巧妙之处在于合理的利用平衡性进行物理变量的转化,能源转化率非常高。它们就像永动机,就像科幻片里的怪物,可以自行活动,自己做决定,无需引擎和电力驱动。

本课以指导学生组装和驱动风能怪兽为载体,指导学生围绕风能怪兽的动力来源、曲轴和齿轮的作用机理等展开研究,探究风能怪兽背后蕴藏的科学奥秘。该课程不仅让学生体会到动手组装的乐趣,而且让学生在对这种奇怪的能源怪兽的体验中,探寻能源怪兽蕴含的科学。

通过了解风能怪兽的研发过程,熟悉机械工程的研究方法,培养学生发明创造的热情,以及对待科学坚韧不拔的品质。

阅读学习资料,了解风能怪的结构

学习资料:

每一个去荷兰游玩的朋友,都会在海滩上看见这样巨大的怪兽走来走去。这些巨兽都长有许多腿和脚,行走起来就像动物的四肢一样一样。


他们不需要“进食”任何燃料,也不用插电,仅仅靠海风的吹动就能带动自己庞大的身躯漫步前行。

如此奇妙而又自然的步伐


最吸引人眼球的是巨兽的每一条腿,那关节、那姿态都有如活的生物一样,这成为了荷兰海滩上一道奇幻的风景线。而这一切都是这位“当代达芬奇” 泰奥·杨森(Theo Jansen)的作品 "Strandbeests",在过去的23年中,不断演进。

被喻为“现代达芬奇”

泰奥·杨森(Theo Jansen)


泰奥·杨森利用动物四肢与行走的原理,创造出节能且更顺应自然的机械移动方式。给世人全新的感受与反思,世界各大媒体争相报导,引发了全球的模仿并利用此种原理陆续开发出许多新的仿生应用。2011年BMW还专门以他为题材拍摄了一条概念广告。


身为工程师,泰奥·杨森沉迷陶醉于这些巨大的机械骨骼中,他每年都要不断地改进这些风力巨兽,好让它们可以适应风力的变化而更高效地行走,同时也开发出了许多新的功能,到现在已经20多年了。


巨兽的骨骼材料很普通,塑料薄膜、PVC 细管、木头、胶条等轻便的材料,通过框架结构组合到一起。


而怪兽身上最重要的部位,就是它们的“仿生腿”(步行系统)。在经历过无数次对动物的行走姿态观察,与上万次的电脑测算之后,泰奥·杨森终于找到了一个最优的方案,让这些软管构架起来的怪兽腿部,可以以最高效的姿态模仿动物的腿部进行行走。

“仿生腿”(步行系统)


这样的“仿生腿”,最重要的是要确保最下端的足部,在行走的环节保持相当长一段时间的匀速直线。

每一只“仿生腿”,都又是利用了基本的三角桁架结构,还有黄金比例的几何学。

三角桁架结构


泰奥·扬森把实验后所得的比例称为“13个神圣数字”。而这13这个数值指的就是脚上每个关节骨架的长度,他们之间相对应的比例关係让整体行动起来流畅自如。

泰奥·扬森总结出的13个神圣数字


当在一个曲轴上,把至少6个这样的“仿生腿”,依照前后顺序组合起来,就形成了一个行走单元。


而这样的“仿生腿”,也被证实在沙滩上的行走速度超越了轮子,它们无需像轮胎那样直接接触每一寸的土地,减少了阻力。同时由于骨架很轻,怪兽又不会陷入砂中,并且很容易被风驱动。

20多年来,他不断地改进神兽,风力巨兽已经演化出了30多种不同的版本而这一切最终的驱动力永远都是源自那每天都会自然产生的——海风~~~

有的像带翅膀的昆虫


有的像一台收割机

这台机器还有一个锤子

在风力太大时会自行打桩

保护自己不被吹跑

有的则像一头犀牛

而这头风力犀牛完全是有硬纸板做成


有的则像一个巨大的甲虫


2、按照图纸,二人一组,风能怪组装

(组装有一点小考验的,对小朋友的看图及动手观察能力有提高)

3、用风力驱动,实现风能怪运动。

老师讲解能量转化的知识。

第三四课时

0、关键部分,此处原本相接固定,应剪掉凸出部分与图中保持一致



1、准备3D打印件 文件在附件


(本文件由小喵科技提供,正好可以用于掌控宝安装。)


2、改装风能怪

按图组装喵家风能怪物打印件



将组装好的打印件与机械支架组合并固定



给TT电机安装连轴器


TT电机固定到支架上


TT电机接线、掌控宝和支撑台的组装如图



完成,成品展示


3、编写程序

mPythonX

3.1老师讲解掌控无线用法及电机模块



3.2学生自行尝试掌控多足怪程序编写与调试

发送参考程序




接收参考程序




4.测试视频


5、拓展课程

5.1用SIOT来控制多足怪运行

5.2用bylnk来控制多足怪运动

【未完待续】

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