研究小组：孟德逸凡、聂筱萱、
高郡彤、钟浩然、曹咏熙
指导教师：李宇
所在年级：五年级
研究学科：信息技术、科学、数学
一、研究背景
（一）研究原因
在日常的课堂学习中，我们接触到了不同学科的知识：科学课上探索摩擦力的奥秘，信息科技课上体验乐高搭建与图形化编程；数学课上学习数据收集与分析，劳动课上锻炼动手实践的能力。这些知识看似分散，却让我们萌生了一个想法：如果把这些学科知识融合起来，能不能设计出一个能解决生活实际问题的小装置？
我们发现校园里散落的塑料瓶、纸团等垃圾，环卫工人和老师捡拾起来费时又费力，传统的垃圾夹、扫帚等工具还存在抓取不灵活的问题。于是我们想到，用信息科技课的乐高搭建和编程知识，结合科学课的摩擦力原理，再用数学课的数据分析方法，制作一个能自动抓取垃圾的“清洁小帮手”。带着这个想法，我们成立了研究小组，开展本次跨学科研究性学习。聂筱萱
（二）研究意义
1. 知识融合与应用：将信息科技、科学、数学、工程设计等学科知识融合，通过制作“清洁小帮手”，把课堂上学到的理论知识转化为实际应用，更直观地理解各学科知识之间的关联。
2. 实践与解决问题能力：在动手设计、搭建、编程和实验的过程中，学会查找资料、分析问题、寻找解决方案，提升动手实践和解决实际问题的能力。
3. 团队协作与沟通：小组分工合作完成研究任务，学会在团队中发挥自身优势，有效沟通、互帮互助，增强团队合作意识和沟通能力。
4. 兴趣培养与环保理念：激发对STEAM学科的学习兴趣和科技创新的探索欲望，同时以垃圾清理为切入点，加深对环保的理解，树立用科技助力环保的责任意识。
（三）研究目标
1. 设计并制作一款基于乐高Prime科创套装的“清洁小帮手”机械抓手，实现稳定抓取、平稳放下校园常见垃圾的功能。
2. 在研究过程中，融会贯通信息科技、科学、数学等学科知识，理解摩擦力与抓取效果的关联，掌握基础图形化编程和实验数据分析方法。
3. 通过跨学科实践，提升小组的创新思维、动手操作、数据分析和团队协作能力，体会“做中学、用中学”的学习乐趣。
4. 让制作的“清洁小帮手”能应用于校园垃圾清理，用实际成果为校园环保贡献力量。
二、 研究思路与方法
（一）研究思路
本次研究性学习按照准备阶段、设计阶段、制作阶段、实验阶段、总结阶段五个核心阶段推进，从发现问题、明确目标，到动手实践、实验探究，再到总结成果、反思改进，层层递进完成整个研究过程，让每一位小组成员都全程参与、自主探究。
（二）研究方法
1. 文献调研法：上网查阅乐高机械搭建、传感器使用、图形化编程的相关资料，了解机械抓手的设计原理和摩擦力在实际生活中的应用案例。
2. 调查研究法：在校园内观察不同区域的垃圾类型，记录常见垃圾的大小、重量和形状，为“清洁小帮手”的设计和实验提供实际依据。
3. 小组讨论法：小组成员定期开展讨论，明确研究分工、确定装置设计方案、解决制作和实验中遇到的问题，共同梳理研究思路。
4. 自主实践法：根据设计方案，分工合作完成机械抓手的搭建、编程调试，亲手操作完成对比实验，在实践中积累经验、解决问题。
5. 实验对比法：设计不同维度的对比实验，测试两款不同结构机械抓手的抓取性能，收集实验数据并分析，探究影响抓取效果的关键因素。
三、小组分工
根据每位成员的兴趣和特长，我们进行了明确的小组分工，确保研究任务高效推进，同时让每个人都能发挥优势、各展所长，遇到问题时全员讨论、共同解决：
孟德逸凡：负责机械抓手的结构设计、乐高零件搭建与调试，主导解决搭建过程中的机械结构问题。
聂筱萱：负责SPIKE图形化编程、传感器与电机的联动调试，制定编程思路并完成程序编写。
高郡彤：负责校园垃圾调查、实验方案设计，记录实验数据并进行整理分析，绘制实验数据表格。
钟浩然：负责研究资料整理、实验过程记录，撰写研究性学习报告，主导研究成果的展示与讲解。
曹咏熙：负责成果展示 PPT 制作、实验过程拍照与记录、小组材料整理与归档，协助完成成果展示与汇报。
四、研究过程与成果
（一）研究过程
1. 准备阶段：组建小组，明确方向
我们首先组建了研究小组，在老师的指导下明确了本次研究的主题、目标和内容。小组成员各自分工，孟德逸凡和聂筱萱上网查阅乐高Prime科创套装的使用技巧、机械抓手设计案例，了解压力传感器和中型电机的工作原理；高郡彤在校园内进行垃圾调查，记录校园常见垃圾主要有空塑料瓶、揉皱纸团、乐高积木、果皮等，统计它们的大小和重量特点；钟浩然和曹咏熙整理所有调研资料，为后续设计阶段做好准备。
2. 设计阶段：整合知识，敲定方案
在充分调研的基础上，我们小组开展了多次讨论，整合各学科知识确定“清洁小帮手”的设计方案。结合科学课学到的摩擦力知识，我们决定设计两款不同结构的机械抓手，对比测试哪种结构的摩擦力更大、抓取效果更好；利用信息科技课的图形化编程知识，规划传感器与电机的联动逻辑，确保抓手能实现“按压感应－稳定抓取－平稳放下”的功能；结合数学课的数据分析知识，制定实验评分规则和数据记录标准。
随后，我们一起画出了机械抓手的设计草图和编程流程图，明确了两款抓手的结构差异：第一款采用基础直形抓手，第二款将抓手设计为弧形并调整齿轮传动比，为后续的制作和实验奠定了基础。
3. 制作阶段：分工合作，动手实践
这是本次研究的核心环节，我们根据设计方案分工合作，开始制作“清洁小帮手”机械抓手。孟德逸凡带领大家认识乐高Prime科创套装的核心零件，讲解梁、轴、齿轮、压力传感器、中型电机的使用方法，先跟着搭建手册完成第一款基础机械抓手的搭建，过程中遇到了零件连接不牢固、电机安装不到位的问题，我们反复拆解、重新搭建，在老师的指导下终于让抓手实现灵活开合。
接着，我们按照自主设计方案搭建第二款弧形机械抓手，聂筱萱同步进行SPIKE图形化编程，明确编程核心要求：按下压力传感器主机亮起、抓手能稳定抓取物体、平稳放下物体。我们一起绘制编程思路图，梳理传感器与电机的联动逻辑，反复调试程序参数，解决了程序逻辑错误、电机转速不适配等问题，最终让两款机械抓手都能实现预设功能，真正做出了属于我们的“清洁小帮手”。
4. 实验阶段：对比测试，探究原理
为了测试两款“清洁小帮手”的抓取性能，探究影响抓取效果的关键因素，我们设计了两项对比实验，高郡彤负责实验操作和数据记录，全员参与实验分析。
测试一：物体大小维度：用两款抓手分别抓取空塑料瓶、揉皱纸团、乐高积木，记录抓取效果；
测试二：物体重量维度：用两款抓手分别抓取乐高轮子、揉皱纸团、苹果，制定明确评分规则：能抓起并平稳移动物体得1分，抓取掉落得0分，未能抓起得-1分。
实验中，我们认真记录每一次测试的得分，发现第一款直形抓手更适合抓取小而规则的物体，第二款弧形抓手对圆形、稍重的物体抓取效果更好。在老师的引导下，我们通过对比不同抓手的结构和实验数据，终于发现了核心原理：抓手与物体之间的摩擦力越大，抓取效果越好，而抓手的形状、接触面积会直接影响摩擦力的大小。同时，我们根据实验结果对两款抓手进行了初步优化，让抓取效果更稳定。
5. 总结阶段：整理成果，反思改进
实验结束后，我们开始整理本次研究的所有资料，钟浩然主导撰写研究性学习报告，梳理研究过程、实验数据和研究成果；孟德逸凡和聂筱萱整理机械抓手的设计图、编程流程图和搭建技巧；高郡彤制作实验数据表格和成果展示PPT。我们还在班级内进行了研究成果展示，向同学们演示“清洁小帮手”的使用方法，讲解研究过程和收获，同时认真听取老师和同学们的建议，反思研究过程中遇到的问题，提出改进方案。
（二）研究成果
1. 成功制作两款功能完善的“清洁小帮手”：我们利用乐高Prime科创套装，成功搭建并调试出两款不同结构的机械抓手，均能实现通过压力传感器感应、稳定抓取并平稳放下校园常见垃圾的功能，第二款自主设计的弧形抓手经优化后，抓取适配性更强，能应用于实际的校园垃圾清理。
2. 实现跨学科知识的融合与应用：在研究过程中，我们将信息科技（乐高搭建、图形化编程）、科学（摩擦力原理）、数学（实验设计、数据收集与分析）、工程设计（机械结构设计）等学科知识充分融合，不仅理解了各学科知识的实际应用价值，更学会了用跨学科思维解决实际问题。
3. 形成完整的实验数据与研究结论：通过对比实验，我们收集了完整的实验数据，明确了“抓手形状、接触面积影响摩擦力，进而影响抓取效果”的核心结论，为机械抓手的优化设计提供了科学依据，也形成了一套完整的实验设计、操作和分析方法。
4. 提升团队协作与综合实践能力：在整个研究过程中，小组成员分工明确、互帮互助，成功解决了搭建、编程、实验中的多个问题，不仅提升了动手操作、创新思维、数据分析能力，更学会了有效沟通、协同合作，体会到了团队的力量。
5. 树立科技助力环保的理念：通过制作能解决校园垃圾清理问题的“清洁小帮手”，我们深刻体会到了科技与生活的紧密联系，不仅加深了对环保的理解，更树立了“用所学知识解决生活问题、用科技助力环保”的责任意识，激发了对STEAM学科的学习兴趣。
五、研究结论
通过本次“清洁小帮手的设计与探究”跨学科研究性学习，我们将课堂上学到的知识与生活实际结合，在动手实践、实验探究中收获了知识和能力，也得出了一系列宝贵的研究结论，为今后的学习和实践提供了方向：
1. 跨学科学习让知识更有价值：不同学科的知识并不是孤立的，而是相互关联、可以融合应用的。将信息科技、科学、数学等学科知识结合起来，不仅能解决生活中的实际问题，还能让我们更深刻地理解知识的意义，让学习变得更有趣、更有价值。
2. 动手实践是学习的重要途径：“做中学、用中学”让我们收获满满。从设计方案到搭建抓手，从编写程序到做对比实验，每一次动手尝试，都是一次学习和成长。遇到问题时不放弃，反复尝试、不断改进，才能真正提升动手实践能力和解决问题的能力。
3. 团队合作是成功的关键：一个人的力量是有限的，团队的力量是无限的。在研究中，每位成员发挥自己的特长，分工合作、互相帮助、共同解决问题，不仅让研究任务高效推进，更让我们学会了沟通、包容和协作，体会到了团队合作的快乐。
4. 观察生活能激发创新灵感：本次研究的灵感来自校园生活中的垃圾清理问题，这让我们明白，创新并不遥远，只要善于观察生活、发现问题，就能用所学知识设计出解决问题的小装置。培养善于观察、勤于思考的习惯，能让我们拥有更多的创新灵感。
5. 科技可以成为环保的助力：小小的“清洁小帮手”虽然简单，却能为校园垃圾清理提供便利，这让我们感受到了科技的力量。我们要努力学习科学文化知识，在未来设计出更多实用的科技小发明，用科技助力环保、让生活变得更美好。
六、研究反思与未来展望
（一）研究反思
本次研究性学习虽然取得了圆满成功，但在过程中我们也遇到了一些问题，值得我们认真反思：
1. 实验阶段准备的模拟垃圾数量有限，导致部分测试需要等待，影响了实验的连贯性；同时，实验中对部分轻小、易变形的物体（如轻薄纸片）抓取效果不佳，抓手的适配性还有待提升。
2. 小组合作中，部分核心环节（如编程、机械搭建）主要由擅长的同学主导，其他同学的参与度有待提高，未能充分发挥每位成员的潜力。
3. 我们的“清洁小帮手”功能还比较基础，仅能实现简单的抓取功能，没有实现自动感应、远程控制等更智能的功能，科技含量还有待提升。
（二）未来展望
针对本次研究中发现的问题，我们制定了后续的改进和探索计划，让我们的研究成果更加完善：
1. 优化“清洁小帮手”装置：后续我们会在抓手接触部位增加防滑材料，提升对轻小、易变形物体的抓取效果；同时尝试增加红外传感器等元件，编写更复杂的程序，实现抓手的自动感应抓取，让“清洁小帮手”更智能。
2. 完善小组合作模式：在今后的研究中，我们会进一步细化分工，让每位成员都参与到核心环节中，通过“互帮互学”的方式，让每个人都能提升自己的短板，实现全员共同成长。
3. 开展更多跨学科研究：这次研究让我们体会到了跨学科学习的乐趣，未来我们会继续保持善于观察、勤于思考的习惯，从生活中发现更多问题，开展更多类似的跨学科研究性学习，设计出更多解决生活实际问题的科技小装置，不断提升自己的创新思维和综合实践能力。
本次“清洁小帮手的设计与探究”跨学科研究性学习，是我们一次难忘的学习经历。我们不仅做出了能解决实际问题的小装置，更收获了知识、锻炼了能力、树立了理念。在今后的学习中，我们会把本次研究的收获和感悟运用到实际中，主动探索、勤于实践、善于合作，努力成为爱思考、爱动手、爱创新的新时代小学生，用自己的智慧和双手探索科技的奥秘，解决更多生活中的小问题！
