03 第3 章
CHAPTER 3
专题8　课题研究和作品研制
专题9　论文和报告撰写
专题10　申报和参赛
青少年科技创新
活动实施要点
52 科创活动组织与实践
恩格斯认为：“自然科学本质上是整理材料的科学，关于过程，关于这些事物的发
生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系科学。”也可以说，科
技活动的过程是一个反复假设、实验、验证、分析、归纳而获得大量的、丰富的材料
（包括实验记录、资料和数据等）的过程，而科技活动论文的撰写则是对科技活动成
果的提炼、加工和理论提升。
青少年开展的项目研究论证性，主要包括五个层次：第一个层次是思想创新；第
二个层次是科学理论创新；第三个层次是提出新科学假说、科学定律、方法创新；第
四个层次是发现新的科学事实；第五个层次是发明一个新技术，解决一个问题。第一
个层次贯穿于其他四个层次之中。一般情况下，青少年科技创新项目研究主要在第
四、五两个层次，一个项目研究只要包括其中任何一个层次就可以说具有创新价值。
创新的本质特征：只有“第一”，没有“第二”。
青少年科技活动的实施从人选的产生到竞赛的参与，都有相应的要求和标准。
专题8　课题研究和作品研制
一、发现和完成一个新项目
课题研究的新项目需要大家有一双善于发现问题的眼睛。对于身边的生活和事物
要敏感，我们找到有研究价值与意义的问题，继而采取科学的方法，完成探究、论证
过程，这是一个科研项目必不可少的环节。
（一）发现一个新项目
1. 善于观察，勤于记录
爱因斯坦曾经说过：“提出问题往往比解决问题更重要。”好的选题是课题成功的
一半，往往很多人都受困于选题这一步，教师在指导学生时，首先，要考虑个人的兴
趣特长，遵循学生自身的探究方向；其次，鼓励学生观察生活时从困扰我们的生活问
题、让我眼前一亮的生活现象和前言的科学技术三方面展开。
毫无疑问，发现一个好的项目有时需要天马行空的想象力和创造力，但除了这灵
光一现的创意外，帮助我们成功选题的关键是积累。勤于记录身边发现的生活素材，
将自己的想法记录下来，尤其在科技发展的今天，我们还可以随手记录在手机中，然
后反复揣摩与推敲出新的项目。
第3章　青少年科技创新活动实施要点 53
2. 机智反思，思维转换
自己的研究成果能不能再深入研究，答案是肯定的。研究过的问题能不能横向多
发展再研究，答案依旧是肯定的。借助自己的研究成果，进一步完善、挖掘新的研究
方向和内容也是一种新的发现。时常反思，转换思维，则不失为一个好方法。
（二）完成一个新项目
1. 新项目的论证
有了新的选题后，我们就要对选题进行科学的论证与交流。主要从以下六个方面
进行：选题的科学价值、选题需要使用的技术与材料、选题研究所需的时长、选题的
可行性、选题的可持续研究价值以及伦理与道德。
有时我们会陷入长时间思考的误区，急于肯定自己的选题就是有研究价值的，是
合理的。“理不辩不明”，和大家一起分享交流，多方面论证课题的科研价值是帮助我
们全面认识新项目的关键。
2. 进行科学探究
完成一项完整的科学探究会经历五个阶段：提出科学性问题；设计研究方案；收
集和获取证据；整理资料，分析数据，找到规律，得出结论；分享与交流。
在新项目的探究环节，需要充分考虑中小学生的年龄特点、知识水平。在相对比
较容易获得数据、发现规律的情况下去探究，不仅可以增强学生探究的自信，也有助
于学生对选题的进一步研究。
案例1：关于12 岁以下儿童如何注册登录手机游戏的提案
北京市中关村第二小学刘佳阳同学是一位善于观察生活中每一个细节，乐于思考的
小朋友。他平时经常看见身边的同学玩很长时间的手机游戏，甚至由于玩手机忘记写作
业，还看到新闻说有的小朋友为了玩游戏自杀、花钱。为了改善这一现状，帮助没有自控
能力的小朋友摆脱不良游戏习惯的影响，他进行了这个选题。刘佳阳在选题过程中仔细
分析不同种手机系统对手机游戏适龄提醒和内容介绍的现状，还尝试走访调研手机游戏
研发商、渠道商、人脸识别技术企业，学习互联网网络人脸识别技术实践；查阅人脸识
别文献、未成年人保护法、网络游戏管理规定等法律，咨询手机游戏产业链专家及公安
方面的专家、刑警、刑侦警察和政府相关部门。最终提出建议：北京市文化局借鉴国际
手机游戏分级制度和儿童游戏研发审核制度制定相关政策，限制12 岁以下儿童登录手机
游戏及限制其登录不良游戏的政策。建议手机游戏研发商、渠道商、运营商在上线的手
54 科创活动组织与实践
机游戏中都必须标明年龄限制；禁止游戏对儿童开启游客登录模式；适宜12 岁以下儿童
玩的手机游戏登录方式采用人脸识别技术；儿童可以登录的游戏在40 分钟内需强制下线；
家长和老师也应正确引导并监督孩子健康游戏；手机研发商应开发出能够让父母和孩子
一起玩的亲子游戏。
案例2：自然界的共生现象与思考
北京市中关村第二小学的朱宸琳同学从小就喜欢观察大自然，特别想知道这些动
植物在地球上是怎么生活的。在教师和家长的帮助下，他从图书馆与网络上查找了很
多相关资料，发现自然界的动植物广泛存在着共生现象。
于是朱宸琳开始调查自然界的共生现象，并深刻感受到爱护环境、维护原生态、
绿色出行的重要性。生物的适应现象多种多样，本身就是不可思议的，作为学生更应
该关注和研究大自然的共生现象与规律，进一步思考如何利用大自然的恩赐，将寄生
现象转变为共栖，甚至互利共生，如图3-1 所示。
图3-1　学生拍摄的共生现象
朱宸琳查阅文献，阅读资料，实地考察古树园林、浅海沙滩等地，一心为了探寻
大自然的规律与奥秘。在教师的引导下他到中国农业大学寄生虫与昆虫实验室进行了
观察与临摹标本（见图3-2）；思考了自然界共生现象的形成原因以及对人类生活的种
第3章　青少年科技创新活动实施要点 55
种启示。最终完成了《自然界的共生现象与思考》的文章并参与了北京市科学建议奖
活动获得二等奖。
图3-2　学生研究过程
案例3：玻璃栈道安全岛
北京市中关村第二小学的尹浩丞同学在一次旅游中发现，玻璃栈道作为新兴旅游
景点吸引了大批游客。但它的惊险刺激使许多游客产生了恐惧心理，甚至导致现场混
乱等危险情况发生。如何避免此类情况的发生，提高游客的体验感受呢？
玻璃栈道的惊险刺激是利用玻璃既坚固又透明的特点，走在透明的玻璃栈道上仿
佛悬在半空中，因此给人惊险刺激的感受。
玻璃栈道安全岛，就是当有游客在玻璃栈道上产生心理恐惧且有极度不适的反应
时，可以通过脚下的玻璃变成不透明的，从而消除游客的恐惧心理，避免游客在玻璃
栈道上发生混乱。尹浩丞设计的玻璃栈道安全岛模型如图3-3 所示。
玻璃栈道安全岛是利用调光玻璃的原理，在玻璃栈道中设置调光薄膜，形成可以
调节透明度的玻璃栈道，并结合声音控制器、按钮开关等技术，使玻璃在透明与不透
明之间变化，从而减轻游客的恐惧心理。
玻璃栈道安全岛是国内外首个针对游客心理安全的发明，为此尹浩丞还申请了专利。
通过这项研究使他对科技创新产生了浓厚的兴趣，提高了解决问题与科技创新的能力。
56 科创活动组织与实践
图3-3　玻璃栈道安全岛模型
二、寻找和制作一个新作品
随着科技的进步，在我们身边有许多新项目可以被挖掘，只要你多留意观察，多
注意积累资源，加上适当的创新方法，创新就在我们身边。
（一）充分利用互联网资源，寻找一个新作品
1. 互联网在学生创新项目选题中的用途
互联网在我们生活中并不陌生，网络新闻实事、各种国内外视频资源、最新科技
理念、前沿科技概念模型等，都可以通过互联网搜索到一手信息。对于工程类作品的
创新，可以通过互联网搜索一些被加以改造的“新”作品、“新”项目。还可以将一些
国外的概念性模型，通过自己的技术或知识加以改造，形成全新的作品，因此，平时
第3章　青少年科技创新活动实施要点 57
应多注意搜索互联网资源。启发一个创新作品，必须要有一个基础模型，再加上自己
的改造，使之成为一个全新的项目。
2. 互联网资源的获取方式
平时带学生参加创新大赛时，很多教师会让学生自己想创新大赛项目主题，而互
联网资源绝对是一个创新项目的海洋。
互联网搜索也是一门学问，通常可采用以下几种做法。
（1）互联网搜索也是一门学问，我们不妨用逆向思维考虑项目选题，从可以使
用什么样的传感器，到项目可以实现什么样的功能，再到该功能可以解决生活中
的什么问题。比如可以在淘宝、京东APP 商品搜索栏搜索“传感器”，归纳一下
目前可以使用的传感器种类，然后尝试思考这些传感器可以实现的功能，再通过
联系实际生活中遇到的问题，看看这些技术手段可以解决什么问题。弯曲传感器
一般用于机器手，思考一下它还能做什么？应用在哪里？这种功能是否可以解决
生活中的问题？九轴传感器一般用于模型飞机飞行姿态，是加速度、陀螺仪、倾
角、地磁传感器的组合，可测量九个轴的传输方向，这个传感器能做什么呢？能够
应用于生活中的什么地方？能解决什么问题呢？教师们不妨通过此类方法逆向思
维，到互联网上寻找“新奇”的输入传感器资源，再通过日常生活经验，甚至可以
回顾一下两年内的新闻要事，有没有可以结合的地方，思考一下有没有新用法、新
用处。
（2）多借鉴，为创意提供更多养分。可以去看看国外概念性的作品，有很多都配
有视频，但在国内尚未出现，你可以尝试改造或改变它的用途，用“改”的方法制作
一个创新作品。这里给大家举个真实的案例，原育才学校的学生陈某通过互联网资源
搜索发现国外一个概念性的电子路面，该路面可以通过太阳能电池供电，所有路面均
具备LED 显示功能。他和同学发现这个项目并不难，难度符合自己制作的水平，于
是展开了头脑风暴式的讨论，发表改造和实现的想法，最终提出了一种全新的“智能
地砖”理念。该项目具有太阳能供电系统，砖面上由4×4 个LED 组成，砖的四周有
接口，该项目除了可随时改变现实路面指示标志的优点外，最大的亮点是可以实现多
块“智能地砖”无序排列组合，路面LED 指示标依然保持不变的效果。可以将想象
成一个积木位置随意拼装，但总体图形不变的效果，该项目取得了创新大赛和国际创
客交流展的优异成绩。
58 科创活动组织与实践
（二）理清制作流程，制作一个新作品
制作流程对一个工程类的创新作品非常重要，基本可以分为寻题、开题、初步试
验、正式制作、结果测试、整理数据、形成报告这几个阶段。当教师找到一个创新项
目后，先要引导学生以书面的形式写下开题报告，并与专家进行交流沟通，明确作品
的背景、用途、功能、目标等几个要素后再进入制作阶段。第一步是初步试验，可以
先用一些简易的材料进行一个简单的试验，这样可以确定制作方向，如果试验失败，
就需要换个方法进行再创作；如果试验成功就可以进行后续的正式制作阶段。
以“基于腿部软体结构的缝隙四足机器人”项目为例，在确定项目题目之后，先
进行了腿部行走测试，使用吸管、各种软管材质模拟软体腿结构，试验了软体材质作
为四足机器人腿部结构时行动的可能性，通过分析试验得出结论，明确项目制作的方
向；再通过Inventor 建模软件设计建模软体腿结构和支架结构；完成整个硬件结构之
后，便进入软件制作阶段，使用Arduino 编程控制软体四足机器人完成走形和形变动
作；项目过程中共改进了四个版本，历时两个多月，整个制作完成后进入了环境测试
阶段，测试时要记录下所有数据，以便后面形成研究报告使用。整个制作流程基本可
分为开题、初步测试、硬件设计、软件编写、调试改进、测试数据、形成报告几个阶
段，在制作工程类创新项目时，可能会遇到许多问题，但只要遵循进度流程，将复杂
的任务划分成小模块、小任务逐一破解，终会制作成功。
（三） “ 基于腿部软体结构的缝隙四足机器人”创新大赛项目的设计实施过程
1. 项目简介
基于腿部软体结构的缝隙四足机器人是一种腿部为软体结构的可实现缝隙探索的
遥控机器人。机器人的四足采用热塑弹性材料，通过3D 打印的方式制造成一种特殊
的环形连体腿部结构，具备既能直立行走，又可伏地爬行等运动功能。操作者根据需
要通过手机APP 向机器人发送遥控信号，机器人的Arduino 2560 控制板接收到蓝牙
信息后决策并驱动机器人改变形态，以通过比自身体积小60% 的缝隙。此外，机器人
还可以通过装载的无线图像传输装置向上位计算机发送实时图像，可辅助救援或洞穴
科考时透过狭小缝隙探明缝隙内的未知情况。
2. 项目创新点
本项目腿部结构可以实现X、Y、Z 三轴方向的运动，并且可做出六个方向的自由
第3章　青少年科技创新活动实施要点 59
运动，甚至做出360°画圆动作，具有较高的自由度。项目拓展了四足机器人的新功
能，增加了伏地运动，实现了当装载控制电路时可通过56mm 的细缝，当外载控制电
路时可实现通过30mm 细缝的效果。
3. 项目实物图
基于腿部软体结构的缝隙四足机器人外形如图3-4 所示。
图3-4　四足机器人实物照片
4. 项目设计过程
四足软体机器人的整个设计、制作过程分为三个方案阶段。
（1）方案一：独立型腿部支架
通过设计独立型腿部支架来试验软体腿部结构在方向上达到弯曲的程度及效果。
在该支架结构上安装了3 个舵机和软体腿，其中每个舵机分别控制一个腿部通道，通
过提拉通道内的绳线，达到软体腿变形的效果。试验中发现该软体腿可以实现六个方
向自由运动，当连续运动时，可以进行360°画圆动作，如图3-5 所示。
图3-5　设计过程阶段照片
60 科创活动组织与实践
（2）方案二：四足一体型腿部支架
在方案一的基础上添加了另外三个腿部支架，并将其设计为一体成型的整体腿部
支架（见图3-6），实现了直立行走的动作，但在试验中发现，这种结构形变效果不明
显，只能通过高度为100mm 的缝隙。
图3-6　支架设计和3D 打印图
（3）方案三：分体型腿部支架+ 升降舵机底盘支架
在方案二的基础上，增加了升降功能，即可直立行走，也可伏地爬行，将支架结
构设计得更薄，使其在装载控制板时可以通过56mm 的缝隙，如控制板外接状态下可
以通过36mm 缝隙，如图3-7 所示。
图3-7　支架和底盘图