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
第二章 科技人文融合创新专题实践
第五节 矿山工程
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.了解矿山工程的基本设计内容、相关技术及其协同性。
2.掌握Arduino开源硬件的应用方法和图形化编程方法。
3.以煤气泄漏报警器的设计为例，了解矿山工程项目设计中涉及的科学、技术和工程知识。
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:
了解矿山工程的基本设计内容、相关技术及其协同性。
掌握Arduino开源硬件的应用方法和图形化编程方法。
以煤气泄漏报警器的设计为例，了解矿山工程项目设计中涉及的科学、技术和工程知识。
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　第二章 科技人文融合创新专题实践　第五节 矿山工程。
科技人文融合创新项目以活动为牵引，提出并明确需解决的技术与工程问题，提取和分析其中蕴含的科学与数学原理；设计和选用适当工具来收集、记录、分析信息与数据；应用科学、技术、工程和数学知识与方法，系统考虑艺术、社会因素，提出解决问题的综合方案；制作并使用工程模型进行测试、生成数据，解释和预测现象；依据科学证据、技术试验结论，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。
桥梁、交通工具、航空器、医疗器械、矿山工程是当今社会生活的重要领域，这些领域里的技术与工程活动，需要跨学科的视野，需要系统的方法论和工程思维，需要综合运用科学、技术、工程、艺术、数学和社会等学科的知识、方法和基本技能。通过典型科技人文融合创新项目的案例分析和团队合作实践，促进团队成员对结构设计、电子控制、编程等技术的掌握及工程实施能力的提高，提升参与社会创新活动的能力。
我们有时看到矿井（特别是煤矿）爆炸（图2-78）（参见教材P78）造成人身伤亡或者家庭煤气泄漏发生火灾的新闻。爆炸很多时候是可燃性气体（比如瓦斯）燃烧引起的。触发煤矿瓦斯爆炸的基本条件：一是瓦斯浓度在5%~16%；二是出现一定的引火温度，有人吸烟或者电路系统产生电火花等情况。
党和国家坚持以人民为中心的发展思想一直要求“始终把人民生命安全放在首位”。
除了加强安全管理，及时准确的检测预报也是有效的防范手段。如果我们能够预报可燃性、有害性气体的浓度，就可以避免灾难的发生，从而贯彻好“人民至上、生命至上”的理念，促进人与自然和谐共生。
思考
矿山安全问题启发我们，能否利用可燃气检测传感器实时检测井下工作环境中的空气状况，然后及时发出警报呢？
矿山工程就是以矿产资源为基础，在矿山进行资源开采作业的工程技术学。矿山工程可分为地面工程和地下工程两部分：地面工程主要包括矿用机械设备及设施，如选厂、井塔、卷扬机、压风机、通风机等；地下工程包括井巷工程、硐室工程及部分安装工程（图2-79）（参见教材P79）。
矿山工程设计包括设计范围（给定矿区范围、拐点坐标、勘探线及开采深度）、设计规模、服务年限及工作制度、矿山开拓、采矿方法、矿井提升、矿井通风、矿山供排水、矿岩运输、压气、供配电、通讯及信号、矿区总平面布置、矿山基建、工程概算等内容。
一、地面工程
矿山地面工程指根据矿山生产、管理和生活的需要，在地面设计修建的各类建筑物、构筑物及其他必需的设施设备，如选矿厂、井塔、卷扬机、压风机和通风机等。
1．选矿厂
矿山工业场地选址及设计首先要从矿区地形地貌、自然条件、周边环境、地质灾害影响、井口及工业场地的地质条件和采取的安全对策措施等方面进行安全可靠性分析，还需要对井口及工业场地标高与当地历史最高洪水位的关系进行说明，对井口位置及井口设施、工业场地内主要建（构）筑物与开采错动界线的安全距离进行安全可靠性分析。
2．井塔
井塔是矿井工业场地内的重要塔式工业建筑物，在矿山生产期间用于提升矿物、矸石、设备和人员，井塔的外部结构和形状的设计要考虑到防风、保温的需要。井塔建在立井井口，其结构为多层钢筋混凝土结构，一般由提升机大厅、塔身和基础三部分组成，形成一座直立的高耸空间结构，多绳摩擦式提升机安装在其上部。
3．卷扬机
卷扬机是指用卷筒缠绕钢丝绳、链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车。
卷扬机可以垂直提升、水平或倾斜拽引重物，分为手动卷扬机、电动卷扬机及液压卷扬机三种，主要运用于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等物料的升降或平拖。
矿山系统是以电动卷扬机为主。卷扬机可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。
4．压风机和通风机
压风机一般用在电动设备的动力提供上，将空气压缩成具备一定压力的气体，该气体连接到气动设备上，使之运转，如供井下风镐、风泵等气动设备。压风机又称空压机，即空气压缩机。
通风机按用途可分为三种：主扇用于全矿井或矿井某一翼的通风，又叫主通风机。辅扇用于矿井通风网路中分支风路调节起风量，是协助主通风机工作的。局扇用于矿井无贯穿风流没有打通的巷道的局部地点通风。
二、地下工程
矿山过程中，地下工程包括井巷工程、硐室工程及部分安装工程。井巷工程设计又包括井筒装备设计、排水系统设计等。
1．井巷工程
井巷工程的任务是在地下建筑所需的空间结构，并保持其稳定性，它需要通过破岩开挖，穿过和进入岩石与土这类地质体中，并保持开挖空间的稳定性。所以，井巷工程的破岩开挖和维持稳定，首先涉及岩石与土这类介质的物理与力学性质。同时，井巷围岩未定需要采用多种多样的人工支护手段，如常见到的棚式支架、金属支架、混凝土支架、料石或混凝土砌碹及锚喷支护等。这些不同的支护结构都是由建筑材料制造的，为了合理地使用支护结构，需要了解和掌握各种构成井巷工程支护的常用建筑材料的特性。
2．硐室工程
硐室是指为某种专门用途在井下开凿和建造的断面较大或长度较短的空间构筑物，也指空间三个轴线长度相差不大且又不直通地面的地下巷道，如绞车房、变电所、煤仓等。
硐室的作用是安装各种设备、机器，存放材料和工具，或作其他专门用途，如机修房、炸药库、休息室等。
硐室对安全生产意义重大，避险硐室是指当灾害发生人员无法撤出时，为防止有毒、有害气体的侵袭而设立的避难场所。现代矿山的建设要求加快强制推行井下救生舱、避险硐室、井下人员定位和通信联络、监测监控系统等先进适用的技术装备，按规定期限完成。图2-80（参见教材P80）是现代化矿山工程中的硐室设计方案，不仅考虑了设备安装、工具存放等需求，还重点考虑了安全生产的要求。
三、地面工程与地下工程的协同性
随着人们环保意识的加强，人们逐渐认识到地下工程开挖与环境协调的重要性，地下工程开挖与环境相协调是当今可持续发展战略的主题之一。
建立与地面环境协调的地下工程开挖的决策和设计系统，以指导地面沉降控制和损害防护工程的实施，达到地下工程开挖对岩土体、地表和地面建筑物、构筑物的损害最小，确保地下工程开挖与地面环境之间的协调关系达到最优化，从而实现地下工程开挖与地面环境的协调。
四、煤气泄漏报警器设计与制作
1. 制作目标
项目采用MQ-5液化气检测模块，当浓度超标时，蜂鸣器发出报警声，并启动一个小风扇模拟排出可燃性气体。
2. 器材准备
本项目所使用的元器件及电子模块如表2-7所示。（参见教材P81）
表2-7 煤气泄漏报警器元器件及电子模块
编号 元器件及设备
1 Arduino学习板
2 MQ-5液化气检测模块
3 发声模块
4 5 V小风扇（CPU散热风扇）
5 打火机，在不燃烧的情况下产生可燃性气体，触动报警器
3. 设计与实践
（1）工作原理：气体检测模块（图2-81）（参见教材P82）对煤气、液化气、烟雾十分敏感，它的工作电压为5 V。它有两个输出端，D0为数字输出端，在正常情况下输出5 V电压，当气体浓度达到一定值（该值可以调节，即灵敏度调节），输出电压变为零；A0是模拟输出端，其输出电压随气体浓度而变化，浓度越高输出电压越高，电压的变化范围是0～4 V，可以用Arduino进行判断和报警等控制。
（2）数字控制应用实验：利用MQ-5液化气检测模块的D0数字输出接口，设计实验电路，连接方法如图2-82（参见教材P83）所示。
液化气检测模块5 V正极引脚接Arduino的5 V口“V”，负极引脚接Arduino的GND，液化气检测模块D0接Arduino的数字I/O口D13；发声模块接“IN”引脚接Arduino的数字I/O口D11，“VCC”接Arduino的电源正“V”，“GND”接Arduino的电源地“G”；小风扇红线接Arduino的数字I/O口D12，黑线接Arduino电源地“G”。
电路原理如图2-83（参见教材P83）所示。
Arduino编程如图2-84（参见教材P84）所示。试验：按下打火机，吹灭火焰，靠近液化气检测模块，可以听到发声模块发出“嘀嘀”的声音，并且小风扇转动，排走可燃性气体。关闭打火机气源，报警随之消失，小风扇停止转动。需要提示的是，传感器通电后，需要预热20 s左右，测量的数据才稳定，所以应该在通电20 s后再试验。传感器发热属于正常现象，因为内部有电热丝，如果烫手就不正常了。
（3）模拟控制应用实验：
利用MQ-5液化气检测模块的A0数字输出接口，设计实验电路，连接方法如图2-85（参见教材P84）所示。
液化气检测模块5 V正极引脚接Arduino的5 V口“V”，负极引脚接Arduino的GND，液化气检测模块A0接Arduino的模拟I/O口A0；发声模块接“IN”引脚接Arduino的数字I/O口D11，“ V C C”接Ardui no 的电源正“V”，“GND”接Arduino的电源地“G”；小风扇红线接Arduino的数字I/O口D12，黑线接Arduino电源地“G”。
电路原理如图2-86（参见教材P85）所示。
Arduino图形化编程，如图2-87（参见教材P85）所示。
试验：打开串口监视器，按下打火机，吹灭火焰，靠近液化气检测模块，可以看到数据在变化（图2-88）（参见教材P86）。根据数据情况，设定一个临界值，在程序里修改这个临界值（图2-84设置的临界值为800）（参见教材P84），当气体浓度大于临界值时，可以听到发声模块发出“嘀嘀”的声音，并且小风扇转动。关闭打火机气源，报警随之消失，小风扇停止转动。同样也应该在通电20 s后再实验。
思考
（1）结合物理中的电路知识进行思考，为什么电子控制系统的编程中往往会设计一个元器件的初始化设置模块？
（2）利用数学知识，分析以下逻辑
运算的含义。体会MQ-5液化气检测模块开始工作后，什么情况下逻辑条件将得到满足。
探究
（1）进一步分析采样实验数据，讨论以样本平均值作为检测阈值是否最好？基于数学统计知识，还有哪些特征数估计方法可以用来确定检测阈值？
（2）Arduino应用系统中，如何采集模拟输入物理量？又是如何采集数字输入数据？
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
能够从社会生活中发现实际问题，运用科技人文融合创新的方法提出解决问题的方案
对结构设计、电子控制、编程等技术方法的掌握程度
设计、制作模型或应用原型的工程实施能力
能够综合运用科学、技术、工程、人文、艺术、数学、社会等知识进行项目实践
具有团队意识，愿意与人合作
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）矿山工程项目实践活动中哪些环节经历了科技人文融合创新的哪些过程？填写下表。
科技人文融合创新元素 项 目 环 节
科学 可燃性气体对传感器里的特殊材料的影响，引起材料导电率的变化
技术
工程
人文
艺术
数学
　　　社会
（2）有人在停车的情况下开着空调在车内睡觉，结果发生一氧化碳中毒。
这是什么原因导致的？有什么方法可以避免？
（3）通过上网、阅读、查找资料等方式，了解还有哪些气体检测传感器？购买一些传感器，将其拆解，看看内部的结构，了解它的工作原理。
（4）右图是实际推广应用的Arduino空气综合监控系统，它使用了高灵敏度的可燃气检测传感器和空气质量传感器，利用液晶显示器实时显示空气质量状况，利用无线网络报告预警信息。讨论这样的设计是否适合井巷、硐室等矿山生产环境的使用？
板书设计
一、地面工程
二、地下工程
三、地面工程与地下工程的协同性
四、煤气泄漏报警器设计与制作
第二章 科技人文融合创新专题实践
第五节 矿山工程
一、飞行器的发展史
二、航空器的飞行原理
三、航空器的设计与制作
四、创新设计与拓展实践
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

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