一种基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具及其使用方法

摘要

本发明公开一种基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具及其物理学习方法，所述基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具包括：人机互动装置，包括输入装置、通信装置、显示模块和控制器；管道装置，包括若干个管道和管道盖；每个所述管道口上设有感应装置和信号收发装置；潜水艇玩具，包括若干个不同规格的潜水艇，所述潜水艇内固定安装有潜艇位置控制器；压力装置，包括内部中空的底盘；所述底盘包括若干个按压装置、若干个孔座和储水装置。本发明通过管道游戏的模式，使得游戏与实验的结合，能够让儿童学习到沉浮原理的知识，培养孩子的逻辑推理能、空间想象力、创造力，并且保持孩子解决问题的能力和好奇心。

说明书

技术领域

本发明涉及物理沉浮学习的技术领域，更具体地，涉及一种基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具及其物理学习方法。

背景技术

STEAM代表科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Arts），数学（Mathematics）。STEAM教育就是集科学，技术，工程，艺术，数学多领域融合的综合教育。

玩具作为儿童童年生活的重要组成部分，市场需求量十分庞大。在传统儿童游戏中，大多数是简单易上手的普通无教育意义的儿童玩具，儿童在使用过程中很难从中得到学习进步。而儿童益智玩具，就是儿童在玩的过程中开发智力增长智慧的玩具。现当今父母格外看重孩子的早期培养，愈加重视孩子的想象力、创造力及动手能力。

物理沉浮，主要指的是，浸没在液体中的物体，受到两个力：竖直向下的重力和竖直向上的浮力。浸在液体中的物体,如果只受到竖直向下的重力和向上的浮力作用,这两个力的大小决定了物体在液体中的运动状态。由于物理沉浮非常抽象，且缺乏实践，孩子很难领悟。目前虽然有用物理沉浮原理和重力原理运用的潜艇玩具，孩子可通过将不同的潜艇玩具放在水中玩耍时掌握物理沉浮原理和规律。但这些潜艇玩具往往不具备目的性，玩法单一，孩子玩过几次容易丧失兴趣，也不能领悟到物理沉浮的原理；潜艇玩具在使用时不便于掌握其位置，容易找不到潜艇的位置，易丢失。

发明内容

本发明提供一种基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具及其使用方法，通过管道游戏的模式，使得游戏与实验的结合，能够让儿童学习到沉浮原理的知识，培养孩子的逻辑推理能、空间想象力、创造力，并且保持孩子解决问题的能力和好奇心。

为解决上述问题，提供一种基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具及其使用方法，所述基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具包括：

人机互动装置，包括输入装置、通信装置、显示模块和控制器；所述输入装置用于输入潜艇位置探寻指令、全部管道位置指令、管道位置探寻指令至控制器；所述潜艇位置探寻指令用于获取指定潜水艇的位置信息；所述全部管道位置指令用于获取全部管道的连接信息；所述管道位置探寻指令用于获取指定管道的连接信息；所述控制器用于通过通信装置发送潜艇位置探寻指令至指定潜水艇及发送全部管道位置指令、管道位置探寻指令至指定管道；所述控制器还用于通过通信装置接收潜水艇的位置信息和管道的连接信息并控制显示模块显示上述信息；

管道装置，包括若干个管道和管道盖；所述管道根据自身不同的形状设有不同数量的管道口，不同的管道之间通过管道口能相互可拆卸连接；每个所述管道口上设有感应装置和信号收发装置；每个所述感应装置对应一个感应装置ID；所述感应装置用于感应是否与另一个感应装置相连，并将两个相连感应装置对应的感应器ID绑定作为连接信息发送至信号发射装置；所述信号发射装置用于接收全部管道位置指令或管道位置探寻指令并将连接信息发送至通信装置；所述管道盖可拆卸连接管道；所述管道侧部可拆卸安装有手摇装置；所述手摇装置包括安装在管道内的旋转叶片和安装在管道外能够驱动旋转叶片转动的摇把；

潜水艇玩具，包括若干个不同规格的潜水艇，所述潜水艇内固定安装有潜艇位置控制器；所述潜艇位置控制器用于接收潜艇位置探寻指令、测量潜水艇玩具位置信息，并将潜艇位置探寻指令和潜水艇玩具位置信息无线传输给人机互动装置；所述潜水艇玩具位置信息为潜水艇的坐标；

压力装置，包括内部中空的底盘；所述底盘包括若干个按压装置、若干个孔座和储水装置；所述孔座用于安装管道；所述孔座上设有吸水孔，所述吸水管连通储水装置；所述底盘上设有与储水装置连通且可拆卸的排水盖；所述按压装置用于在被反复按压时能向指定的孔座输气；

所述使用方法包括以下步骤：

步骤（1）：打开人机互动装置和感应装置；

步骤（2）：将潜水艇玩具放在孔座上，打开潜艇位置控制器及信号收发装置，潜艇位置控制器将潜水艇的位置信息发送至通信装置，控制器接收后存储作为潜水艇初始位置信息；

步骤（3）：打开吸水孔，盖紧排水盖，对若干个管道进行拼接安装，保证所有管道上的感应装置能够感应到与另一个感应装置相连；

步骤（4）：拼装管道完毕后，将指定液体倒入管道并使得管道内充满液体；

步骤（5）：若操作者将潜水艇玩具送到指定位置可执行步骤（6）；若操作者需要获得管道位置，通过输入装置输入管道位置探寻指令后顺序执行步骤（7）和步骤（8）；若操作者需要获得潜水艇玩具的位置通过输入装置输入潜艇位置探寻指令后顺序执行步骤（7）和步骤（9）；若操作者需要回收物理沉浮学习益智玩具可执行步骤（10）；

步骤（6）：潜水艇在孔座上或孔座附近且需要使得潜水艇向上时，使用按压装置反复按压；在需要将潜水艇玩具转向至指定方向时，通过旋转潜水艇玩具附近的管道的摇把，使得旋转叶片逆时针旋转或顺时针旋转来改变潜水艇玩具运动的方向；

步骤（7）：控制器通过通信装置发送全部管道位置指令至全部管道，全部管道发送管道的连接信息至通信装置，控制器接收全部管道的连接信息，剔除掉重复的连接信息后，合并成全部管道的连接信息并控制显示模块显示所有管道连接后的图像信息；

步骤（8）：控制器通过发送管道位置探寻指令至指定管道，发送潜水艇的位置信息至通信装置，控制器接收指定管道的连接信息并控制显示模块在所有管道连接后的图像信息上用不同颜色标记显示指定管道；

步骤（9）：控制器通过发送潜艇位置探寻指令至潜水艇，发送潜水艇的位置信息至通信装置，控制器接收潜水艇的位置信息作为潜水艇当前位置信息，计算出；控制器控制显示模块显示所有管道连接后的图像信息并用不同颜色标记潜水艇玩具所在的管道；

步骤（10）：打开排水盖，将所有管道及储水装置内所有的液体排出后；拆掉管道并回收，关闭吸水孔。

特别的，所述管道的形状包括十字形、一字形、拐角形和丁字形。

特别的，所述管道为透明管道，采用PC+ABS材质。

特别的，所述按压装置设于底盘上侧的周围；所述孔座设于底盘上侧的中央。

特别的，所述管道装置还包括指示灯，所述指示灯用于指示感应装置是否感应到与另一个感应装置相连。

特别的，所述按压装置包括按压键、气管和压缩气箱；所述按压键安装在压缩气箱上，所述压缩气箱连接气管；所述气管连接气孔。

特别的，所述输入装置为键盘。

特别的，所述潜艇位置控制器包括处理器、锂电池、数据无线传输装置、三维加速度传感器和三轴陀螺仪；所述锂电池、数据无线传输装置、三维加速度传感器和三轴陀螺仪分别连接处理器；所述数据无线传输装置采用WiFi模块。

特别的，所述显示模块采用TD触摸屏。

特别的，所述输入装置和显示模块分别设有多个安装在底盘周围。

本发明的有益效果：

本发明以STEAM教育理念结合物理知识融入潜水艇设计中，实现游戏与实验的结合。从游戏中总结经验，得到物理理论，提高孩子们的归纳总结能力。也可与家人和小伙伴们一起，在增加情感同时提高手动能力和团队协调能力。孩子可通过将安装管道，且使用不同的潜艇玩具放在水中玩耍时掌握物理沉浮原理和规律，具备目的性，玩法多样；潜艇玩具在使用时通过显示模块便于掌握其位置，容易找到潜艇的位置，易回收。

在科学方面本发明运用到了浮力实验的原理，运用游戏的方式，为小朋友展示浮力的作用。能够激起小朋友的好奇心，探究浮力的由来，达到启蒙的效果。

在交互方面，儿童可以根据屏幕中所显示的游戏闯关界面进行操作，开启闯关模式后，根据屏幕中出现的相应闯关路线进行“航行”通过屏幕中所显示的路线与障碍进行闯关，从而得到有趣的游戏体验，增加儿童对于教具的新鲜感，提高儿童的学习兴趣。

在工程方面，玩具玩法多样，灵活性强，小朋友可自行发散思维，进行自由组装。组装的方式如同略缩版本的工程拼接：底座与导管之间的拼接，导管与导管之间的拼接，都需要小朋友去发现其中的技巧。让小朋友在拼接的过程中体会到完整的工作程序，认识到各个组件在工程中发挥的作用，使用各个组件来完成自己的目的。提高儿童的动手能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的整体结构图。

图2为本发明实施例的管道的形状图，其中，（a）为一字形管道，（b）为拐角形管道，（c）为丁字形管道，（d）为十字形管道。

图3为本发明实施例的潜水艇玩具的结构图。

图4为本发明实施例的底盘的结构图。

图5为本发明实施例的孔座和按压装置的结构图。

图中：1.底盘；2.管道；3.管道盖；4.孔座；5.指示灯；6.摇把；7.按压键；8.显示模块；9.排水盖；10.吸水管；11.压缩气箱；12.气管；13.储水装置；14.潜水艇。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例的一种基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具及其使用方法，如图1所示，基于STEAM教育理念的物理沉浮学习益智玩具包括：

人机互动装置，包括输入装置、通信装置、显示模块8和控制器。输入装置用于输入潜艇位置探寻指令、全部管道位置指令、管道位置探寻指令至控制器。输入装置为键盘。潜艇位置探寻指令用于获取指定潜水艇14的位置信息。全部管道位置指令用于获取全部管道2的连接信息。管道位置探寻指令用于获取指定管道2的连接信息。控制器用于通过通信装置发送潜艇位置探寻指令至指定潜水艇14及发送全部管道位置指令、管道位置探寻指令至指定管道。控制器还用于通过通信装置接收潜水艇14的位置信息和管道2的连接信息并控制显示模块8显示上述信息。显示模块8采用TD触摸屏。输入装置和显示模块8分别设有多个安装在底盘1周围。

管道装置，包括若干个管道2和管道盖3。管道2根据自身不同的形状设有不同数量的管道口，不同的管道2之间通过管道口能相互可拆卸连接。每个管道口上设有感应装置和信号收发装置；每个感应装置对应一个感应装置ID。感应装置用于感应是否与另一个感应装置相连，并将两个相连感应装置对应的感应器ID绑定作为连接信息发送至信号发射装置。信号发射装置用于接收全部管道位置指令或管道位置探寻指令并将连接信息发送至通信装置。管道盖3可拆卸连接管道2。管道2侧部可拆卸安装有手摇装置。手摇装置包括安装在管道2内的旋转叶片和安装在管道2外能够驱动旋转叶片转动的摇把6。如图2所示，管道2的形状包括十字形、一字形、拐角形和丁字形等，图中，（a）为一字形管道，（b）为拐角形管道，（c）为丁字形管道，（d）为十字形管道。管道2为透明管道，采用PC+ABS材质。管道装置还包括指示灯5，指示灯5用于指示感应装置是否感应到与另一个感应装置相连。

如图3所示，潜水艇玩具，包括若干个不同规格的潜水艇14，潜水艇14内固定安装有潜艇位置控制器。潜艇位置控制器用于接收潜艇位置探寻指令、测量潜水艇玩具位置信息，并将潜艇位置探寻指令和潜水艇玩具位置信息无线传输给人机互动装置。潜水艇玩具位置信息为潜水艇14的坐标；潜艇位置控制器包括处理器、锂电池、数据无线传输装置、三维加速度传感器和三轴陀螺仪。锂电池、数据无线传输装置、三维加速度传感器和三轴陀螺仪分别连接处理器。数据无线传输装置采用WiFi模块。

压力装置，包括内部中空的底盘1。底盘1包括若干个按压装置、若干个孔座4和储水装置13；孔座4用于安装管道2。孔座4上设有吸水孔，吸水管10连通储水装置13。底盘1上设有与储水装置13连通且可拆卸的排水盖9。按压装置用于在被反复按压时能向指定的孔座4输气。按压装置包括按压键7、气管12和压缩气箱11。按压键7安装在压缩气箱11上，压缩气箱11连接气管12。气管12连接气孔。按压键7用于在按下的情况下通过压缩气箱11弹性形变使得空气输至气管12。按压装置设于底盘1上侧的周围。孔座4设于底盘1上侧的中央。

使用方法包括以下步骤：

步骤（1）：打开人机互动装置和感应装置；

步骤（2）：将潜水艇玩具放在孔座4上，打开潜艇位置控制器及信号收发装置，潜艇位置控制器将潜水艇14的位置信息发送至通信装置，控制器接收后存储作为潜水艇14初始位置信息；

步骤（3）：打开吸水孔，盖紧排水盖9，对若干个管道2进行拼接安装，保证所有管道2上的感应装置能够感应到与另一个感应装置相连；

步骤（4）：拼装管道2完毕后，将指定液体倒入管道2并使得管道2内充满液体；

步骤（5）：若操作者将潜水艇玩具送到指定位置可执行步骤（6）；若操作者需要获得管道2位置，通过输入装置输入管道位置探寻指令后顺序执行步骤（7）和步骤（8）；若操作者需要获得潜水艇玩具的位置通过输入装置输入潜艇位置探寻指令后顺序执行步骤（7）和步骤（9）；若操作者需要回收物理沉浮学习益智玩具可执行步骤（10）；

步骤（6）：潜水艇14在孔座4上或孔座4附近且需要使得潜水艇14向上时，使用按压装置反复按压；在需要将潜水艇玩具转向至指定方向时，通过旋转潜水艇玩具附近的管道2的摇把6，使得旋转叶片逆时针旋转或顺时针旋转来改变潜水艇玩具运动的方向；

步骤（7）：控制器通过通信装置发送全部管道位置指令至全部管道2，全部管道2发送管道2的连接信息至通信装置，控制器接收全部管道2的连接信息，剔除掉重复的连接信息后，合并成全部管道2的连接信息并控制显示模块8显示所有管道2连接后的图像信息；

步骤（8）：控制器通过发送管道位置探寻指令至指定管道2，发送潜水艇14的位置信息至通信装置，控制器接收指定管道2的连接信息并控制显示模块8在所有管道2连接后的图像信息上用不同颜色标记显示指定管道2；

步骤（9）：控制器通过发送潜艇位置探寻指令至潜水艇14，发送潜水艇14的位置信息至通信装置，控制器接收潜水艇14的位置信息作为潜水艇14当前位置信息，计算出；控制器控制显示模块8显示所有管道2连接后的图像信息并用不同颜色标记潜水艇玩具所在的管道2；

步骤（10）：打开排水盖9，将所有管道2及储水装置13内所有的液体排出后；拆掉管道2并回收，关闭吸水孔。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。