仿生“跳跳虫”：连杆机构与循环结构的创意实现-SPIKE Prime机器人初中课程教学设计

仿生“跳跳虫”：连杆机构与循环结构的创意实现——SPIKEPrime机器人初中课程教学设计一、教学内容分析  本节课隶属于初中信息科技/通用技术课程中“设计与智造”模块，其设计深度锚定于《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中“跨学科主题”与“计算思维”的核心要求。从知识技能图谱看，本课处于“从简单机械传动到程序逻辑控制”的枢纽位置：学生已初步掌握马达的简单驱动与传感器的基础应用，本节课将在此基础上，聚焦于“曲柄摇杆机构”这一核心机械概念的理解与搭建，并引入“循环结构”这一关键编程逻辑，实现从静态结构到动态行为的跨越。其认知要求从“识记”部件功能，跃升至“应用”机构原理与“综合”编程控制以解决复杂任务。在过程方法上，本课天然承载了“工程设计与优化”的学科思想方法。学生将经历“观察仿生原型（跳蚤、蚂蚤）—抽象机构模型（连杆）—设计实现方案—迭代测试优化”的完整微型工程探究流程。素养价值的渗透则如盐溶于水：在机械调试中培养严谨求实的科学态度；在小组协作攻克技术难关时，体验共情与坚持；在赋予机器人“生命感”的创意装饰中，激发审美感知与人文关怀；最终，通过理解仿生学“向自然学习”的智慧，初步树立技术与自然和谐共生的可持续发展观念。  基于“以学定教”原则，学情研判需立体展开。学生已有基础包括：能够熟练拼接SPIKEPrime基础构件，熟悉编程环境中运动模块的基本设置。可能的认知障碍在于：其一，将抽象的“曲柄摇杆”原理与具体的物理结构建立联系存在跨度；其二，理解循环结构如何精确控制跳跃的节奏与次数，需克服线性思维的惯性。兴趣点则高度集中于让机器人“动起来”并完成挑战。为此，教学调适应提供差异化路径：对于概念理解较快的学生，引导其探究连杆长度与跳跃幅度、稳定性的关系；对于编程逻辑感到困难的学生，提供“半成品”程序框图作为脚手架，降低入门门槛。贯穿课堂的形成性评价将依托观察小组讨论焦点、分析搭建过程中的试错路径、检视程序注释的清晰度来动态把握学情，并即时调整讲解的深度与演示的粒度。二、教学目标  知识目标：学生能够准确阐释曲柄摇杆机构将马达的旋转运动转化为摇杆往复摆动的机械原理，并能辨析其在本课“跳跳虫”模型中的具体应用形式；同时，学生能清晰说明“循环结构”在控制跳跃行为重复执行中的作用，理解其与“等待时间”参数协同控制动作节奏的逻辑关系。  能力目标：学生能够独立或协作完成一个结构稳定、功能完整的“跳跳虫”机器人实体搭建；能够综合运用运动模块与流程控制模块，编写出实现连续、稳定跳跃动作的程序，并具备通过参数微调来优化机器人运动表现的基本调试能力。  情感态度与价值观目标：在小组合作探索中，学生能主动倾听同伴意见，在遭遇搭建或编程失败时表现出积极的抗挫折心态和互助精神；通过欣赏自然界生物的跳跃机制，初步形成关注仿生学、乐于从自然中汲取设计灵感的技术审美取向。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的“系统思维”与“模型建构”能力。引导他们将机器人视为“机械结构”与“控制程序”相互耦合的完整系统进行思考，并经历将生物跳跃功能抽象为可工程实现的连杆机构模型这一思维过程。  评价与元认知目标：引导学生依据“结构稳固性”、“动作连贯性”、“创意表现力”等量规要点，对自有及他组作品进行初步评价；鼓励学生在课后反思学习单上记录调试过程中的关键决策与思维转折点，培养其“计划监控调节”的元认知习惯。三、教学重点与难点  教学重点：本节课的教学重点在于引导学生理解并实现“曲柄摇杆机构”的机械传动。确立此为重点，源于其在课程标准中作为“结构与功能”大概念的典型载体，是连通机械学基础与机器人动态行为设计的核心枢纽。掌握此机构，不仅为本次跳跃任务提供解决方案，更是为学生后续学习更复杂的机械系统（如履带、机械臂）奠定了不可或缺的认知与技能基础。从能力立意看，能否成功搭建并调试该机构，直接决定了项目的成败，是工程实践能力的集中体现。  教学难点：本课的难点预计出现在“机械结构与控制程序的协同调试与优化”环节。其成因在于，这是一个涉及多变量（如连杆孔位、马达功率、循环延迟时间）动态调整的系统工程，要求学生克服单点式思维，建立关联性思考。学生常出现的典型问题是：单独调整结构或程序后，未进行整合测试，导致问题归因困难。预设的突破方向是提供“分步调试策略”脚手架：先确保机构在手动推动下能顺畅运动，再测试单次跳跃程序，最后嵌入循环。同时，鼓励学生采用“改变一个变量，观察效果”的科学实验方法，降低调试的复杂性。四、教学准备清单1.教师准备  1.1媒体与教具：教学课件（含跳蚤慢动作跳跃视频、曲柄摇杆机构动态图解、分层任务卡）；教师演示用“跳跳虫”完整模型12个；SPIKEApp编程环境投影。  1.2学习资源：分层学习任务单（含基础搭建指引图、挑战任务提示卡）；课堂过程性评价量表（小组互评表）。2.学生准备  2.1硬件与软件：每小组（23人）一套SPIKEPrime核心套装；已安装SPIKEApp并完成基础连接的平板电脑或笔记本电脑。  2.2前置经验：复习马达模块和“等待”模块的使用；简单观察昆虫跳跃的图片或视频。3.环境准备  3.1场地布置：小组合作式座位安排，中间预留足够的作品测试与展示区域；准备平坦的起跳区（如大地垫或指定地板区域）。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与动机激发：“同学们，你们观察过自然界中的昆虫吗？比如蚂蚱、跳蚤，它们是怎么实现跳跃的？让我们看一段慢动作视频。（播放视频）看，它们的后腿就像一对精密的弹射杠杆！今天，我们的工程挑战就是：向大自然这位顶级设计师学习，用手中的SPIKEPrime零件，创造我们自己的机械‘跳跳虫’！”  1.1问题提出与旧知关联：“要让我们的机器人模仿‘跳跃’，大家想想，我们需要解决哪两个最关键的问题？对，第一是‘怎么动起来’——这就需要设计一个能把马达的‘旋转’变成‘弹跳’的机械结构。第二是‘怎么有节奏地跳’——这就需要编程来控制它。这和我们已经学过的让小车直行，有什么相同和不同呢？”  1.2路径明晰与目标预告：“本节课，我们将化身仿生机械工程师。首先，揭秘并搭建核心的‘弹跳机构’；然后，为它编写‘跳跃节奏’程序；最后，来一场创意与功能兼具的‘跳跳虫’挑战赛。准备好了吗？让我们开始探索！”第二、新授环节任务一：解构“跳跃”——从生物运动到机械模型教师活动：首先，引导学生聚焦视频中昆虫腿部与身体的连接和运动轨迹。抛出引导性问题：“大家注意看，昆虫的腿是不是围绕一个‘支点’在快速摆动？这个摆动如何把身体‘推’出去？”随后，展示一个简化的曲柄摇杆机构动态示意图，并用实物长连杆和销轴进行类比演示。“请看，这个旋转的圆盘（指曲柄）就像我们的马达轴，这根摆动的杆（指摇杆）可以模拟昆虫的腿。当‘曲柄’转一圈，‘摇杆’就会来回摆一次。这就是我们今天要用的核心魔法——曲柄摇杆机构。”我会走动到各小组，确保他们都能观察到演示。学生活动：学生集中观看视频和图示，尝试用语言描述观察到的运动转换过程。他们可能会说“腿猛地一蹬”、“绕着关节转”。在教师演示时，他们会跟随引导，将生物部位（腿、关节）与机械部件（摇杆、销轴）建立初步关联，并提出疑问，如“那我们的‘身体’（主机）安在哪里？”即时评价标准：1.观察描述是否具体：能否指出“支点”和“摆动”等关键特征。2.类比联想能力：是否能初步将生物结构与教师展示的机械模型相联系。3.提问的相关性：提出的问题是否围绕运动转换与结构搭建。形成知识、思维、方法清单：★核心概念曲柄摇杆机构：一种将旋转运动转换为往复摆动（或反之）的经典机械装置。由曲柄（输入件）、连杆、摇杆（输出件）和机架组成。在本课中，马达驱动曲柄（通常是一个带孔梁或轮毂），带动连杆，从而使摇杆（模拟虫腿）摆动。▲学科方法观察与建模：工程技术中，常从自然或生活现象中提取关键功能（如“弹跳”），并将其抽象简化为可实现的机械模型，这是工程思维的起点。任务二：搭建核心——“跳跳虫”的骨架与肌肉教师活动：不直接提供完整步骤图，而是发放“关键连接点”示意图，并设置阶梯式引导。“第一个小目标：请用灰色销和长连杆，制作一个可以灵活摆动的‘摇杆腿’。注意，它的一端需要固定在我们的‘身体’（主机或大型框架）上作为支点。”巡视中，针对摇杆固定不牢或摆动卡顿的小组进行个别指导。“第二个目标：如何将马达的旋转传递给你的‘摇杆腿’？回想一下刚才的‘曲柄’。试试用最短的蓝色销和十字轴，在马达上安装一个‘曲柄’。”对于进展快的小组，提出深化问题：“试试改变曲柄上连接连杆的孔位，感觉一下摆动的幅度有什么变化？”学生活动：学生以小组为单位，根据提示进行探索性搭建。他们需要决策“摇杆腿”与主机的连接位置和方式，测试其摆动顺畅度。随后，尝试将马达与曲柄部件组合，并寻找合适的连杆将曲柄与摇杆连接起来。他们会经历尝试、调整、甚至推倒重来的过程，并初步感知结构参数（孔位）对输出运动的影响。即时评价标准：1.结构稳固性：“摇杆腿”的固定点是否牢固，整体结构在手动测试时是否松散。2.运动流畅性：完成连接后，手动旋转马达轴，整个机构运动是否顺滑，有无卡滞。3.协作有效性：小组成员是否有明确分工（如一人持结构，一人安装销轴），能否就搭建方案进行有效沟通。形成知识、思维、方法清单：★关键技能结构化搭建：在复杂模型中，遵循“子系统优先集成”原则，先确保核心传动机构（曲柄摇杆）的独立工作正常，再将其安装到主体框架上。★易错点过约束与自由度：确保机构的运动部件只受到必要的约束。例如，连接摇杆的销轴若同时插入两个过于紧密的孔，会导致摩擦增大、运动不畅，此时需检查孔位选择或考虑使用摩擦较小的轴套。任务三：注入“生命”——编写单次跳跃程序教师活动：“现在我们的‘跳跳虫’有了强健的‘腿’，但还不会自己动。怎么命令它跳一次呢？”引导学生分析动作序列：“一次完整的跳跃，是不是可以分解为‘蓄力’（腿向后摆）、‘爆发’（腿向前快速摆动）、‘复位’？对应到我们的马达，应该怎么转？”带领学生口头规划：马达先向一个方向转动一定角度（蓄力），然后快速反向转动（爆发）。随后，演示在SPIKEApp中拖拽“马达旋转指定度数”模块和“等待时间”模块进行组合。“特别注意，‘等待’模块就像动作之间的‘呼吸’，决定了节奏。大家先尝试编写一个让虫子成功跳起一次的程序。”学生活动：学生跟随教师的引导，分解动作，并讨论马达旋转方向与角度的设定。他们在平板上动手操作，拖拽编程模块，尝试设置合理的度数（如正向180度，反向180度）和等待时间（如0.5秒）。编写后到主机进行测试，观察机器人的实际动作是否与预期相符。即时评价标准：1.逻辑分解能力：能否将连续跳跃动作合理分解为几个可编程的电机动作阶段。2.程序与现象的关联：测试失败后，能否有意识地检查程序参数（如旋转方向、度数）与机械动作的对应关系。3.调试的耐心与策略：是否愿意并有方法地进行多次尝试，而不是盲目随机修改参数。形成知识、思维、方法清单：★核心概念动作序列化编程：将复杂连续动作拆解为多个有序的电机指令单元，是机器人控制的基础思维。★重要原理“等待”模块的作用：它不仅控制动作间隔的时间长短，更关键的是，它为机械结构的运动到位和系统稳定提供了必要的时间缓冲，是保证动作准确性的重要环节。任务四：让它“停不下来”——引入循环结构教师活动：“很棒！很多小组的虫子已经能跳一下了。但怎么让它连续跳，比如跳5次呢？难道要把刚才的程序复制粘贴5遍吗？有没有更聪明的办法？”引出“循环”结构的概念。“在编程里，我们可以请出一个好帮手——‘循环’模块。它就像告诉机器人：‘请把框里的这些动作，重复执行N次。’”演示在现有程序外套上一个“循环”模块，并修改循环次数。“大家现在试试，让你的跳跳虫自动跳3次。注意，循环就像个‘笼子’，要把所有需要重复的动作都‘关’进去哦。”学生活动：学生理解循环的概念后，动手修改自己的程序。他们将已有的动作序列模块拖入“循环”模块的内部。设置循环次数（如3次），再次测试。他们会兴奋地看到机器人自动完成连续跳跃。部分学生会好奇地尝试修改循环次数为“无限”，观察效果。即时评价标准：1.概念迁移应用：能否正确使用循环模块包裹已有的动作序列。2.程序结构意识：是否理解循环的边界，有无将不必要的模块（如程序启动模块）错误地放入循环内。3.探索精神：是否主动尝试改变循环次数，观察不同效果。形成知识、思维、方法清单：★核心概念循环结构：用于控制程序中的特定语句块重复执行的控制流结构。它能极大简化代码，提高编程效率，是实现自动化、重复性任务的关键。★思维提升抽象与模式化：识别出“单次跳跃”是一个可重复的模式单元，并用循环结构对其进行抽象封装，这是计算思维中“模式识别”与“抽象”能力的体现。任务五：优化与挑战——让跳跃更稳、更远、更有趣教师活动：组织“优化工作坊”。“现在进入工程师最喜欢的环节——优化！请大家思考：1.（基础优化）怎么调整能让它跳得更稳，不侧翻？2.（进阶挑战）怎么让它跳得更远？可以从程序（功率、角度）和结构（连杆孔位）两方面想办法。3.（创意拓展）给你的跳跳虫增加点个性吧！比如加上触角、眼睛，或者为它的跳跃配个音效？”为不同需求的小组提供提示卡，并宣布准备进行最后的“跳跃距离赛”和“创意展示”。学生活动：各小组进入个性化探究与优化阶段。有的小组尝试在机身底部增加配重或拓宽“脚掌”以增强稳定性；有的小组协作实验，一人调整连杆孔位，一人微调马达功率和角度，寻找最佳组合；还有的小组开始用其他零件进行装饰。他们为最终的展示和比赛做准备，气氛活跃。即时评价标准：1.问题解决策略：针对优化目标（稳、远），是否能有逻辑地提出并尝试多种调整方案。2.跨变量调试能力：在调整结构参数时，是否意识到需要同步微调程序参数以适配。3.创意表达：装饰或功能扩展是否体现了小组的独特想法和对主题的理解。形成知识、思维、方法清单：▲工程思维迭代优化：工程设计是一个不断“设计测试分析改进”的迭代过程。没有一蹴而就的完美设计，优化贯穿始终。▲跨学科联系稳定性与重心：机器人的静态与动态稳定性与它的重心位置、支撑面大小密切相关。这是物理学知识在工程实践中的直接应用。第三、当堂巩固训练  1.基础层（全员必测）：“请各小组派代表，演示你们的跳跳虫能够稳定、连续地完成至少3次跳跃。”此环节重点巩固机构搭建与循环程序的核心掌握情况。教师巡回检查，对仍存在卡顿或程序错误的小组进行针对性辅导。  2.综合层（小组选择挑战）：设置两项挑战任务供小组选择或依次尝试。挑战A（精准控制）：“能否让跳跳虫正好跳完5次后，停在一个目标圈（直径约30cm）内？”此任务综合考验程序的精确性（循环次数）与机构的一致性。挑战B（适应性调整）：“请你们在不改变程序的情况下，仅通过快速调整机械结构（如改变连杆孔位），让跳跃的节奏（频率）发生变化。”此任务深化对机械参数影响输出特性的理解。  3.挑战层（开放探究）：向所有学生提出思考题：“如果我们想做一个能调节跳跃力度的跳跳虫，比如‘轻柔模式’和‘爆发模式’，在硬件和软件上可以如何设计？”鼓励学有余力的学生在课后继续探究。反馈机制采用“同伴观察员”制度：在挑战环节，非展示小组需依据评价量表观察他组表现，并从“结构创新”、“程序稳定”、“团队协作”等方面给出一个优点和一条建议，教师最后进行集中点评与提炼。第四、课堂小结  1.知识整合与结构化：“我们来一起绘制本节课的‘思维足迹图’。从‘自然灵感’出发，经过‘机械建模’（曲柄摇杆）和‘逻辑编码’（循环结构），最终完成‘工程创造’（跳跳虫）。谁能来说说，这几个部分是如何环环相扣的？”邀请学生代表发言，教师用板书或课件形成可视化总结。  2.方法提炼与元认知：“回顾今天的制作过程，你认为哪一步的调试最考验耐心？你用了什么方法来解决它？这种‘遇到问题分析原因尝试解决’的流程，在未来解决其他技术问题时同样适用。”  3.作业布置与展望：“今天的旅程结束，但创意不止。作业请查看任务单：必做部分是完善课堂学习笔记，并录制一段跳跳虫工作视频。选做部分有两项：一是在程序中加入声音或灯光效果，让你的跳跳虫更有个性；二是研究除了曲柄摇杆，还有没有其他机械结构也能实现跳跃？我们下节课将分享大家的发现，并开启新的挑战——‘爬行虫’！”六、作业设计基础性作业（全体必做）：  1.知识整理：在笔记本上用图文结合的方式，总结曲柄摇杆机构的工作原理和循环结构在本次项目中的作用。  2.功能实录：录制一段时长不超过1分钟的视频，展示最终优化的跳跳虫能够连续、稳定跳跃至少5次，并简单介绍小组成员的分工。拓展性作业（建议大多数学生尝试）：  1.情境化应用：设计一个简单的故事情境，让跳跳虫成为故事主角（例如“逃离纸盒森林”）。通过调整程序，使跳跳虫的跳跃动作（节奏、次数）符合剧情需要，并录制带有解说的小短片。  2.参数探究报告：简要探究“马达功率”（或“连杆连接孔位”）这一参数的变化对跳跃距离或稳定性的影响。记录3组不同的参数设置及对应的跳跃效果（可用文字或简单测量数据描述），并得出一个初步结论。探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：  1.跨学科创意设计：研究一种其他具备弹跳能力的小动物（如青蛙、袋鼠），分析其运动特点，尝试设计一个与之相关的、带有自己创想的新仿生跳跃机器人概念图（手绘或软件绘制均可），并简要说明其可能运用的机械结构和控制特点。  2.功能升级项目：尝试为跳跳虫增加一个简单的传感器（如超声波传感器或颜色传感器），并编写程序，实现一个智能交互功能。例如：“当检测到前方有障碍物时，自动跳起躲避”或“当识别到绿色地面时，跳一支独特的舞蹈”。七、本节知识清单及拓展  ★1.曲柄摇杆机构：本节课的核心机械知识。由曲柄、连杆、摇杆和机架四部分构成，功能是将驱动件的连续旋转运动，转化为从动件的往复摆动。在跳跳虫模型中，马达轴驱动曲柄，通过连杆带动摇杆（虫腿）摆动，从而将旋转力转化为向上的弹跳力。教学提示：搭建时，务必确保各连接点转动灵活，避免“过约束”。  ★2.运动分解与序列化编程：关键的编程思维。将一个连续的物理动作（跳跃）分解为多个离散的、可编程的电机动作指令（如：正转蓄力等待反转弹跳），并按顺序组合。这是控制任何复杂机器人动作的基础方法论。  ★3.循环结构：核心编程概念。用于控制程序中的特定模块组重复执行指定的次数或无限循环。使用循环可以避免代码冗余，使程序逻辑更清晰，是实现自动化重复任务的核心。在本课中，它将“单次跳跃”序列包裹起来，实现连续跳跃。  ▲4.“等待”模块的深层作用：不仅是时间延迟。在机器人程序中，“等待”模块为机械部件的物理运动到位、系统状态稳定提供了必需的“喘息时间”。删除或设置过短的等待时间，可能导致动作混乱或结构应力过大。  ★5.调试与迭代：贯穿始终的工程实践思维。机器人项目极少一次成功，调试是常态。有效的调试策略包括：分模块测试（先机械后程序）、单变量调整（一次只改变一个参数并观察结果）、以及利用传感器数据或仔细观察现象进行归因分析。  ▲6.系统耦合思想：高级工程思维。认识到机器人是机械结构（硬件）与控制程序（软件）紧密耦合的复杂系统。结构的微小改动（如连杆孔位）可能要求程序参数（如马达功率、角度）相应调整，反之亦然。必须从整体系统角度思考问题。  ▲7.重心与稳定性：关联物理学的实践知识。机器人的静态和动态稳定性与其重心投影是否落在支撑面内密切相关。跳跳虫的“脚掌”设计、机身配重，都是为了在动作中维持重心稳定，防止侧翻。这是结构设计时必须考虑的因素。  ★8.仿生学设计流程初探：一种重要的创新方法论。流程通常为：观察生物功能>抽象出核心原理>工程化模型实现。本节课即简化地经历了这一流程：观察昆虫跳跃>抽象为“杠杆弹射”>用曲柄摇杆机构实现。  ▲9.协作中的角色与沟通：项目式学习的软技能。在小组协作中，自然的角色分工（如架构师、程序员、测试员）和清晰的技术沟通（如“我认为是这里的销子太紧了”），是提升效率、化解冲突的关键。这与未来真实工程团队的工作模式一致。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析    从当堂巩固环节的展示来看，90%以上的小组成功实现了“跳跳虫”的连续跳跃，表明知识目标与能力目标中的基础部分达成度较高。学生能准确指出模型中的“曲柄”和“摇杆”，并能解释其作用；在编程层面，“循环结构”被普遍掌握。情感态度目标在小组协作和调试过程中有生动体现：多数小组在遭遇初始失败时，能听到“我们再试试另一个孔”、“是不是程序里的方向反了？”等积极的对话，而非轻易放弃。然而，科学思维目标中的“系统思维”深度，以及元认知目标的显性化，仍显不足。仅有少数小组在优化时能主动、有意识地同时考虑机械与程序的双重调整，大部分学生仍依赖试错；课后反思单的记录也相对浅层，多描述“做了什么”，而非“为何这样做、如何调整想法”。  （二）核心环节有效性评估    导入环节的视频与提问成功激发了兴趣，快速将学生带入“仿生工程师”的角色。任务二（搭建核心）采用“关键点示意图”而非完整步骤图的设计是成功的，它保留了适度的探索空间，引发了有价值的试错（如连杆连接错误导致的运动锁死），而恰恰是纠错过程深化了对机构自由度原理的理解。任务五（优化挑战）作为分层设计，有效满足了不同层次学生的需求，课堂在此环节呈现出活跃的创造性氛围。但任务三与四的过渡可能稍显急促。部分学生在从“动作分解”到“套入循环”时出现了逻辑断层，表现为将循环模块放错位置。思考：是否应在任务三完成后，增加一个“全班共析一个典型单次跳跃程序”的环节，将其结构可视化，再引入循环，使“套入”的动作更具象？  （三）学生表现的深度剖析    观察发现，学生的表现大致可分为三类：一类是“直觉试错型”，动手极快，但调试缺乏章法，依赖频繁改动直到碰巧成功；一类是