资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题
第一章 科技人文融合创新概述
第三节 科技人文融合创新项目实践的一般过程
教学设计
教学背景
习近平总书记在全国教育大会上强调，要在党的坚强领导下，全面贯彻党的教育方针，坚持马克思主义指导地位，坚持中国特色社会主义教育发展道路，坚持社会主义办学方向，立足基本国情，遵循教育规律，坚持改革创新，以凝聚人心、完善人格、开发人力、培育人才、造福人民为工作目标，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解科技人文融合创新项目实践的一般过程。
2.掌握科技人文融合创新项目活动全过程的方案制订。
教学内容分析:
以《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《标准》）为依据，以全面贯彻落实《标准》所倡导的以提高学生的技术素养和创新能力为目标。本模块的核心价值在于多学科知识的综合运用，科技人文融合创新项目的实施以兴趣、问题、活动等为中心，充分结合科学、技术、工程、艺术、数学、社会等学科知识，适当利用信息技术，注意在教学中融入爱国主义教育和革命传统教育，注意与中华优秀传统文化相结合。
学情分析:
学生对通用技术的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关通用技术的知识。
通过本模块的学习，同学们能理解科学、技术、工程、艺术、数学、社会等各学科之间的紧密联系和科技人文融合创新的重要性；初步掌握相关科学原理及其应用、数学知识及其应用、材料及其加工、模型制作及其工艺等基本知识与基本技能，初步形成在具体领域中运用结构与功能、权衡与优化、设计与创新等技术思想与方法的能力，提高设计创新能力；弘扬劳动精神和创新精神；形成系统思维与工程思维，培养团队意识和合作能力，树立投身我国科技创新以及中华民族伟大复兴事业的人生理想。
教学重难点:
了解科技人文融合创新项目实践的一般过程。
掌握科技人文融合创新项目活动全过程的方案制订。
教学策略:
以案例或项目引入，介绍从事科技人文融合创新项目活动的基础条件，工具、材料、图样、工艺、技术参数等技术要素，以及性能需求、生命周期、标杆分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合创新项目活动中的独特作用。以技术与工程问题为牵引，以项目实践为指引，通过设计多种专题实践项目，让同学们经历科技人文融合创新项目活动的全过程。通过这些实践活动，同学们可了解技术与工程项目所蕴含的科学、技术、工程、艺术、数学、社会等因素，并能通过比较、权衡等方法剖析这些因素间的制约关系和通约特性。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题　第一章 科技人文融合创新概述　第三节 科技人文融合创新项目实践的一般过程。
在科学、技术、工程、艺术、数学、社会之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要更好地了解它们，尤其是它们之间的关系，就不能独立地看其中某个部分，只有在交互中、在相互的碰撞中，才能对它们有更深层次的认识和理解。
科技人文融合创新，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，是更加重视实践的多学科融合学习。
一个产品的研发，从创意设想到变成可以使用的商品，往往要考虑科学、技术、工程、艺术、数学和社会等因素，经历一定的过程。
案例
小刘的学校离家比较远，好在他爸爸上班的地方在学校附近，因此每天都是爸爸开车送小刘上学。尽管这样，小刘还是经常迟到，因为常有交通事故发生导致堵车（图1-9）（参见教材P18）。
一天早上，小刘坐在爸爸的车里往窗外看，看着缓慢前行的车流，混杂着各种噪声和汽车排出的尾气，天空也灰蒙蒙的，小刘想，汽车这种交通工具是不是该进行创新了呢？
基于这个想法，小刘到了学校，立即召集他的创新小团队，开始对这方面的问题进行讨论。经过讨论，创新小团队明确了项目任务：研发一种新型的小汽车，要求这种小汽车没有尾气、噪声很低、使用清洁能源，具有一定的智能，可以避免交通事故的发生。由于学校的研究场地和设备设施等条件限制，同学们的知识储备也很有限，研发一种新型汽车是不可能的，但制作一个模型来表达这种创新的思想是可行的。
创新小团队成员经过一个多月的思考，形成了以下方案：①小汽车的噪声很低。
②使用电能作为能源，采用创新的获取电能的方式。③小汽车对前后左右车距、障碍物距离能自动识别，距离过近会发出警报。④通过无线遥控来开启和关闭小车的演示功能。
分析
项目可行性：充分利用学校现有的工具、仪器、器材和设备。车辆模型可以通过动手制作、三维打印或采购改装等方式获得。智能控制部分可以充分利用学校现有的机器人套件、传感器、控制电路板、编程系统等，缺少的器材可以到电子市场采购或者网购；知识储备不足可以请老师帮助，还可以通过社会机构 、企业、工厂等获取帮助。
一、项目实施构思过程
1．小车的能源、动力可行性方案（图1-10）（参见教材P19）
2．动力能源
通过航模燃油发动机可以实现小车的动力来源，但其尾气污染环境，这个方案可以排除；一次性电池驱动电机，没有尾气污染，但不可再生，废旧电池也会污染环境，这个方案可以排除；可充电锂电池驱动电机，但需要解决充电问题；太阳能电池板发电易受天气环境影响，如果与充电电池组合，是较为理想的方式。还有没有其他的供电方式呢？比如在路面下埋入一些感应线圈，当汽车通过时实现无线充电。
3．传动机构
在展示时，制作的小车模型以多大的速度运动最合理？根据这个速度，结合在额定的电池电压下电动机的转速、轮子的直径，来计算传动齿轮的转速比（图1-11）（参见教材P20）。
能不能省去复杂的传动机构，通过电能直接驱动一把风扇，利用风扇风力的反作用力来推动小车呢？如图1-12（参见教材P20）所示。
这个方案需要实验测试，多大功率情况下，风力的反作用力可以推动小车在规定的时间内达到要求的速度。如果真实的汽车采用这种方案，风力是否会对后面的汽车、行人带来影响呢？会不会产生很大的噪声呢？
4．车体结构（图1-13）（参见教材P21）
小车以模型展示为目的，采用什么样的车体结构，多大的体积呢？动手制作、三维打印，还是购买成品来改装呢？
可以用体积比较大的遥控仿真玩具小汽车来改装，利用里面原有的电动机和转向控制电路，再把本项目所需的模块组件加装上去；还可以用上原有的遥控装置，展示时通过遥控来开启演示。
小车的体积应该由小车可容纳的零部件来决定，体积过小组装困难，体积过大展示时不方便。
5．障碍物识别
项目要求小车对前后左右车距或者障碍物自动识别，距离过近发出声光报警。
可以用Arduino和超声测距模块来实现（图1-14）（参见教材P21）。把超声测距传感器安装在车的前后左右来检测小车与其他障碍物的距离，当距离过小时发声模块和发光模块发出声光报警。
（提示：Arduino是比较常用的电子控制系统，是通过编程来实现控制的，相关知识可以参加相关的培训或者购买相关的书籍阅读掌握。超声测距模块的原理是有两个压电陶瓷喇叭，一个产生超声波，一个接收超声波，根据声波反射回来的时间和声音的速度来计算距离，这个组件是用Arduino编程来控制和计算的。）
声光报警采用发声模块和发光模块，如图1-15（参见教材P22）所示。
6．无线遥控
由于项目的目标是通过一个小车模型的演示来表达创新的思想，演示的开启和关闭可以通过无线遥控来实现，遥控小车的运动、转向和停止。可以采购315 M的无线遥控模块组件，如图1-16（参见教材P22）所示。
二、不同技术解决方案
小刘和他的创新小团队，按照上面的构思，通过比较和评估同一问题的不同技术解决方案，终于制作出他们想要的模型。
（1）模型的内部框架和外壳采用遥控仿真玩具小汽车来改装，之所以这样选择，是考虑模型的仿真度和美观性的需要，而且小车自带遥控，可以控制速度、转弯和停止，降低了制作难度，提高了制作效率。
（2）小车的前后左右安装了4个超声测距模块，可探测4个方向的距离，当障碍物进入一定距离范围后，小车发出声光报警，有效防止汽车行驶过程中事故的发生。
（3）模型车的动力采用锂电池供电，充电采用地面感应式充电，摆脱电动汽车充电桩的束缚，解决太阳能供电易受天气影响的问题，实现了利用清洁能源的项目需求。
这个模型，充分表达了项目的创新思想，如图1-17（参见教材P23）所示。
三、项目技术测试与计算
在项目的实施过程中，小刘和他的团队采用如下技术方案，进行了一些技术测试、数学计算。
1．电源方案
用充电宝（图1-18）（参见教材P23）代替小车电池，通过网购得到用于手机无线充电的无线充电模块，将充电模块的发射端安装在路面下，接收端安装在小车底部，连接充电宝进行充电，实现小车在运动过程中的无线充电（图1-19）（参见教材P24） 。充电状态用发光模块的灯光指示。
2．机械传动机构的计算
小车在工作时一般工作速度设定为20 cm/s，电动机在5 V电压下的转速是120 r/min，轮子的直径是20 cm，怎么组合变速齿轮呢？小刘和团队成员利用物理和数学知识进行了计算。
3．超声测距调试
设定报警距离为30 cm，当距离小于或等于30 cm时发出声光报警。怎么确定起控值呢？打开Arduino的串口监视器，观察距离与数据的关系， 当实际距离为30 cm时，串口监视器的数据作为起控值。
4．噪声测试
分析噪声的来源，主要来自马达、齿轮传动、轮子与路面产生的声音，解决办法是用隔音材料把马达、齿轮传动部分包裹起来，路面用橡胶铺设。用手机软件测量噪声，噪声小于30 dB为合格。
5．线路系统（图1-20）（参见教材P24）
6．整机试运行
用橡胶铺设一条环形测试道路（图1-21）（参见教材P25），道路的一半底部放置了无线充电发射线圈（红色部分），另一半没有放置（黑色部分），用于充电运行状态检测和对比。在道路旁边放置了一些障碍物，用来测试小车靠近障碍物时有无声光报警。小刘的团队在展示现场进行了测试：按下遥控器的出发键，小车约以20 cm/s的速度运动，通过遥控器的方向键，控制小车的运行轨迹，看到当小车在红色路段时，小车上的充电指示灯亮起，在黑色路段指示灯熄灭，说明充电正常；调整障碍物的位置，当小车靠近障碍物，距离在30 cm以内时，声光报警；用手机软件测试噪声，在30 dB以下。测试表明项目达到预定指标，项目成功完成。
阅读
科技人文融合创新项目实践的一般过程
（1）提出并明确需解决的技术与工程问题，并就问题解决中所蕴含的科学与数学问题进行提取与分析，设计和选用适当工具来收集、记录、分析信息与数据。
（2）应用科学、技术、工程和数学的知识与方法并系统考虑人文、艺术、社会因素，提出解决问题的综合方案。
（3）制作并使用工程模型进行测试，生成数据解释和预测现象。
（4）依据科学证据、技术实验结论，完善解决方案。以科学观点、经验证据、逻辑论证的相关因素，比较和评估同一问题的不同技术解决方案。
讨论
根据上面的阅读材料，请找出技术方案中的情节分别对应阅读材料中的哪些过程？填写表1-4。
表1-4 科技人文融合创新实践过程
科技人文融合创新项目实践过程 案例中的内容
解决什么技术与工程问题？ 制作一个汽车模型，来表达创新的思想: 没有尾气、噪声很低、使用清洁能源、体积很小、具有一定的智能，可以避免交通事故的发生。
提取与分析了哪些科学与数学问题？
选用了什么工具来收集、记录、分析信息与数据？
应用了哪些科学、技术、工程和数学知识与方法？
考虑了哪些人文、艺术、社会因素？提出了哪些解决问题的综合方案？
进行了哪些测试？生成了哪些数据？解释和预测了哪些现象？
依据了哪些科学证据、技术实验结论，来完善解决方案的？
以哪些科学观点、经验证据、逻辑论证，比较和评估了问题的不同技术解决方案？
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
知道STEAMS主张跨学科融合，理解STEAMS的要素及发展历程
理解学习领域融合对知识创新的意义
掌握科技人文融合创新项目的分析方法
理解科技人文融合创新项目活动及项目的生命周期、标杆分析、反求工程
了解科技人文融合创新项目实践的一般过程
掌握科技人文融合创新项目活动全过程的方案制订
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
课后作业
习 题
（1）尝试组建一个小团队，把新能源小车项目做出来。
（2）你还可以设计一个怎样的项目，让新能源小车项目解决人们在学习、生活或者工作中所遇到的问题？请设计该项目的技术方案，并体现科技人文融合创新项目要素。
板书设计
第一章 科技人文融合创新概述
第三节 科技人文融合创新项目实践的一般过程
一、项目实施构思过程
二、不同技术解决方案
三、项目技术测试与计算
通用技术
选择性必修10：科技人文融合创新专题
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：徐 明
本册副主编：李鲋瑞 刘海峰
广东教育出版社
广东科技出版社

展开更多......

收起↑