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小项目大智慧——“未来太空车”国赛喜获佳绩

作者:赵俊 审核:余亚莉   录入:赵俊    文章来源:   点击数:0    更新时间:2023-09-22

  16cm、20.1cm、25cm、30cm、40cm,这样一组数据伴随了我们半年多来的艰辛历程。在2023年全国青年科普创新实验暨作品大赛的征程中,我们用汗水与激情书写出青年人的荣光。作为未来太空车项目陕西省唯一的代表队与全国各个省份的第一、二名同场竞技,最终在42支参赛队中取得第18名,获得该项目全国三等奖。

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  2022年12月23日,第九届全国青年科普创新实验暨作品大赛赛题赛规发布,中学组发布了智慧社区赛项和未来太空车赛项的比赛。该大赛希望引导青年学生利用科技的手段、创新的思维,解决未来的问题。

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  未来太空车项目要求参赛学生以“发现问题,解决问题,探知未来”为原则,考虑未来太空车可能面临的问题和技术难点,提出具体的解决方案并制作演示模型。鼓励参赛者将STEM(科学、技术、工程、数学)与创客融合,综合考虑,不仅要有创意,还要动手设计、制作出越障能力较强的未来太空车模型,要求能够爬越不同高度、不同类型的障碍物,并模拟某些科学探测任务。

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  通过观察赛道示意图不难发现,在仅仅依靠一个N20减速电机的情况下,设计制作出一款能在平地前行并能够垂直翻越台阶的装置并不容易,尤其随着台阶高度的不断增加,设计制作难度呈指数型上升。这不仅需要数学、物理知识的有力支撑,还要学会运用各种数字化工具与同伴一起合作协同完成项目的制作。

  最初的两个月,很多同学均有自己的创意和想法,通过积极主动的研究与制作快速完成结构模型的设计搭建,并尝试在赛道中取得突破,初始目标16厘米看似容易,却难倒了不少同学。动力不足、侧翻、卡位造成电机堵转各种问题接踵而来,初次尝试让同学们对该项目的难度有了新的认知。

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  然而,当同学们得知去年大赛也是该命题并了解到我校胡钰松同学在大赛中获得省级二等奖后,不禁赞叹,并研究了他的获奖作品。“作品可以看,但项目还是要自己设计,不能用别人的作品方案参赛!”,这是对参加本次大赛同学们的基本要求。

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  漫长的研究与创新之路考验着同学们的耐力与意志,科学研究正需要这种坚韧不拔的品质,通过两个月的坚持和不懈努力,最终,七年级的何睿轩和向炳瑞同学走向了省赛赛场。参加省赛的有来自全省的124支参赛队,经过两天初赛、复赛激烈的角逐,最终,他们组成的“攀登者”队以第一名的成绩(翻越高度20.1厘米)成功晋级国赛。

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  省赛归来,不骄不躁,心态归零,重新上路。参加国赛的第一个目标:翻越25cm。这个阶段,比的是创新、比的是设计,科学的设计必须用数据说话,使用三幅轮结构完成常规翻越的理论极限值必须通过数学计算得出,并以此为据,综合分析现阶段作品并提出改进方案。同时,面对高度的增加,除了常规翻越动作,装置重心的动态轨迹也需要深入的研究与分析,这对参赛选手综合素质的考验提升了一个层次。

  接下来的设计制作,面临配件出现的各种问题,例如:齿轮与转轴打滑、方向偏移、制作误差导致的齿轮啮合异常,让选手们一次次陷入困境。面对出现的各种情况,只能精益求精,不断提高作品的制作精度和科学性,而采取的方式便是数字化设计与制造。设计用于防滑的法兰装置并用3D打印机制造、学习CAD制图完成装置结构件的设计并使用激光切割技术完成配件的加工、通过计算采用合适的齿轮减速比搭建最为理想的减速箱,这一却都离不开亚毫米级的计算与设计。

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  结合前期数学计算的理论高度,精心完成装置的组装,并对装置的可行性和稳定性进行了成百上千次的模拟与测试。时间飞逝,项目研究往往在不知不觉中进行到了深夜,然而,当他们走出教室的那一刻,却又隐隐地感受到踏实与平静。在精度的保障和创新的驱动下,在常规三幅轮结构仅仅具备20厘米越障能力的基础上,通过他们的改进与优化,25cm、30cm都已成为过去时,他们最终迎来了40厘米高台,与其相配合的是三杆折叠支撑结构,一次次的挑战,一次次的改进,一版又一版的设计图纸,一件又一件的“攀登者”,最终成功登上40厘米高台。

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  最终,此赛项何睿轩、向炳瑞组成的攀登者队取得陕西省第一名、全国三等奖的好成绩,赵俊老师被评为优秀指导教师,学校被评为优秀组织单位。

  这是科创人应有的吃苦耐劳精神,这是青年人应该有的样子,路在前方,向阳而行。

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