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
第二节 交通工具
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.了解新能源交通工具在节约能源、环境保护、推进社会可持续发展中的作用及其未来发展趋势。
2.掌握Arduino开源硬件的应用方法，掌握Arduino开源硬件的图形化编程方法。
3.通过新能源概念小车的创新设计实践，进一步了解汽车等交通工具的基本结构、工作原理及设计方法。
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:
了解新能源交通工具在节约能源、环境保护、推进社会可持续发展中的作用及其未来发展趋势。
掌握Arduino开源硬件的应用方法，掌握Arduino开源硬件的图形化编程方法。
通过新能源概念小车的创新设计实践，进一步了解汽车等交通工具的基本结构、工作原理及设计方法。
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　第二节 交通工具。
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。
交通工具是现代人生活中不可缺少的一部分。党和国家倡导“绿色低碳”理念，加快了新能源体系的规划建设。我国新能源汽车（图2-10）（参见教材P37）得到了飞速发展，不仅进入了百姓的生活，而且走向了世界。新能源汽车具有节约燃油能源、减少废气排放、噪声低等优点，在节约能源、保护生态环境方面发挥着重要作用。
思考
（1）人类交通发展史上的交通工具有哪些？
（2）利用新能源的交通工具又有哪些，它们对社会发展有何作用？
一、日新月异的新能源汽车
新能源汽车不再通过油料燃烧来提供动力，而是主要利用电池供电，通过专用电机驱动车轮的运转。图2-11（参见教材P37）是新能源汽车的主要结构，可以看出传统汽车的很多重要系统在新能源汽车上都不再需要。
新能源汽车没有发动机，车身前后各搭载有电动机，对前后轮分别进行数字化独立控制，实现了在各种路况下的全方位牵引力控制。传统全轮驱动汽车通过复杂的机械联动装置，将动力通过单一发动机分配至四个车轮。而新能源汽车可以通过双电机同时为前轮和后轮提供动力，更加高效。图2-12（参见教材P38）是新能源汽车的总体结构示意图，新能源汽车由车身、底盘和电池系统等组成，底盘结构大大简化，电池总成替代了传统的发动机及油路系统。
思考
（1）相对于传统汽车，新能源汽车的总体结构发生了重大革新。没有了发动机和变速箱，新能源汽车如何对车轮进行驱动？
（2）新能源汽车如何进行前进、后退、加速减速等运动控制？
（3）转向控制也是汽车需要的基本功能，传统汽车差速器结构十分复杂，新能源汽车没有了差速器，如何实现差速转弯功能？
讨论
新能源汽车以电池供电，以电动机驱动车轮，通过数字化技术进行运动控制。自动化、智能化技术在新能源汽车中具有广阔的应用前景，如何利用传感器、智能硬件、编程等信息技术提升新能源汽车的智能化程度，使其既方便驾驶又保障安全？
二、交通工具系统的构成
1．传统汽车的结构与工作原理
汽车是由动力驱动的、具有4个或以上的车轮的非轨道承载车。一般来说，汽车由发动机、底盘、车身、转向系统、悬挂系统、电气设备等组成，如图2-13（参见教材P39）所示。
汽车底盘的作用是支撑和安装发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动并按驾驶员的操控行驶的部件。汽车底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。
传动系就是发动机与驱动轮之间的动力传递装置，负责保证汽车行驶所必需的牵引力、车速以及协调各种变化的能力，包括离合器、变速器、万向传动、主减速器、差速器等部分。
行驶系的作用是接受发动机经传动系传来的转矩，通过驱动轮与路面间的附着作用，产生路面对汽车的牵引力，包括车架、车桥、悬架和车轮等部分。
转向系用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，包括转向操纵机构、转向器、转化传动机构等。制动系是汽车装设的全部制动和减速系统的总称，包括制动器、制动传动装置及防抱死装置。
2．差速器及其工作原理
（1）汽车的差速控制原理（图2-14）（参见教材P39）。
汽车在转弯时，车轮做的是圆弧运动，那么外侧车轮的转速必然要高于内侧车轮的转速，存在一定的速度差，在驱动轮上会造成相互干涉的现象。非驱动轮左右两侧的轮子是相互独立的，互不干涉。
驱动轮如果直接通过一根轴刚性连接的话，两侧轮子的转速必然会相同。那么在过弯时，内外两侧车轮就会发生干涉的现象，会导致汽车转弯困难，所以现代汽车的驱动桥上都会安装差速器。
（2）差速器的工作原理。
差速器是如何工作的？同学们可以先找一辆如图2-15（参见教材P40）所示的双轮手拖车体验一下。双手用力同时拉动，手拖车就会前行。如果我们单手拉动手拖车的一个车把，就会发现手拖车在转弯。
汽车转向的工作原理与此类似。当汽车转弯时，内侧轮和外侧轮存在转速差（外侧轮转速比内侧轮高），如果驱动轮没有差速器的调节，会导致内侧轮发生“制动”现象。如果在传动轴上安装差速器，驱动轮内外侧的转速差可以由差速器来均衡，从而避免了转弯“制动”的现象。
三、新能源在交通工具上的应用
1．交通工具使用的能源类型
任何交通工具都需要消耗能源来提供动力，不同交通工具所消耗的能源类型也各有不同。
汽车等道路机动交通工具使用的能源类型包括汽油、柴油、电力、压缩天然气、液化石油气、燃料电池、甲醇、乙醇、乙醇汽油等。铁路机车方面，先后有蒸汽机车、内燃机车和电力机车等类型，分别采用煤炭、燃油（主要是柴油）、电力作为驱动能源。高铁、磁悬浮列车是采用电力作为驱动能源。民用航空领域，主要交通工具是各种民用飞行器，以航空煤油为燃料。水路运输领域，各种船舶使用的能源主要是柴油、重油、汽油、电力等。大型水面船舰也会采用核能作为动力来源。
随着科技的发展，新能源汽车开始走进人们的生活，采用太阳能等更清洁、更高效的能源驱动的汽车已在研发阶段，节能环保型机动车将会成为发展趋势。
2．新能源汽车与节能技术
能源是人类赖以生存和发展的基础。统计数据显示，交通运输业已成为能源消费特别是石油消费增长最快的行业领域，全国汽油消费量的90％和柴油消费量的50％被各种道路交通工具所消耗，而且随着机动车数量的快速增长，车用燃油消费量将会不断增加。
这些快速增长的以传统石油为燃料的汽车，在为人们提供便捷、舒适交通服务的同时，也增加了国民经济对化石能源的依赖，加重了大气污染。发展新能源汽车和节能技 术能够缓解石油短缺造成的矛盾、降低环境污染，是实现汽车产业健康可持续发展的必由之路。
许多国家把发展新能源汽车提升至国家战略高度。新能源汽车有燃料电池汽车、混合电动汽车、纯电动汽车等类型，还有处于研发阶段的氢动力汽车和太阳能汽车。纯电动汽车以车载电源为动力，利用电力驱动及控制装置来完成行驶功能，其电力驱动及控制装置由电源、驱动电动机和电动机的调速控制系统等组成。起步较早，但仍未产业化的氢动力汽车是一种能实现碳的零排放的交通工具。氢具有很高的能量密度，释放的能量足以使汽车发动机运转，而且氢与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成水，不会造成污染。尚处研发阶段的太阳能汽车利用太阳能来驱动，研发成功后可实现碳的零排放，太阳能汽车引起了很多国家的关注，并加大投入进行研究。
讨论
交通工具消耗了大量的能源，对人类的生存环境和社会发展产生了挑战，节约能源是人们必须直面的问题。节能对环境、社会具有重要意义，请结合所学思考和讨论以下问题。
（1）新一代交通工具开始使用哪些类型的能源？从技术难度、成本价格、安全便利、社会影响等方面分析，说明未来交通工具发展的趋势是什么？
（2）氢动力汽车的研究起步较早，为什么仍未走进人们的生活？
（3）太阳能汽车的前景如何？存在哪些困难？
（4）新能源汽车中，纯电动汽车的优势体现在哪些方面？还有哪些不足？
四、新能源小车设计与制作
新能源汽车和无人驾驶汽车代表着现代交通工具的发展方向，即高能电池供电、结构简化、操作智能、网络控制等。参考目前新能源汽车的基本结构、工作原理及控制技术，设计并动手制作自己的概念小车。
1．任务要求
（1）通过按键控制电机的正反转，编程实现小车的前进和后退、启动和停止功能。
（2）利用电位器调节电机的转速，编程实现小车的加速和减速功能。
（3）编程设计左转、右转功能，实现小车的差速转弯控制。
（4）可根据学习情况进行拓展，模拟：利用LED灯指示小车运动状态，即前进时绿灯亮，后退时红灯亮；利用超声波传感器模拟倒车雷达功能。
2．器材准备
（1）Arduino控制器（图2-16）（参见教材P42）。
图2-16（参见教材P42）所示Arduino控制器上集成了2路直流电机功率驱动电路，其电机接口可以直接驱动3.7 V、9 V、12 V等多种直流调速电机，便于小车、机器人等应用系统的设计。
Arduino控制板上不仅以排针方式提供AVR芯片的输入及输出引脚，还以RJ25接口的形式提供4路独立的接口。4路RJ25接口可以做输入，也可以做输出，通过编程来设定。这样，应用起来既灵活方便，又能保证工程性，便于小车、机器人等运动系统的稳定性能。
（2）实验用按键及电位器（图2-17）（参见教材P42）。
按键也称轻触开关，是一种电子开关，依靠内部金属簧片的受力变化来实现通断。
使用时，当向开关方向施加压力，开关就闭合接通，当撤销压力时开关即断开。电位器是可变电阻器的一种，主要用来调节电压和电流的大小，它由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，就改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。电位器具有滑动变阻和分压的功能，常常用来控制音量大小、灯的亮度以及电机的转速等。
（3）直流电机（图2-18）（参见教材P43）。
直流电机将直流电能转换为转子轴上输出的机械能，实现能量转动功能。新能源小车需要使用一对12 V直流调速电机。
（4）可充电锂电池（图2-19）（参见教材P43）。
18650型锂电池容量大、寿命长、安全性能突出、毒物污染少，常用在笔记本电脑的电池中作为电芯。18650型锂电池单节容量为1 200～3 600 mAh，新能源汽车中也采用这种电池作为最基本的动力单元，通过串联和并联形成锂电池组模块。新能源小车需要使用一对3.6 V的18650型锂电池和配套的电池盒。
3．设计与实践
活动一：新能源小车的运动控制
（1）活动内容。
·学习图形化编程技术，掌握电机的编程控制方法。
·通过Arduino图形化编程，实现小车的启动和停止功能。
·通过按键控制电机的正反转，编程实现小车的前进和后退控制。
·利用电位器调节电机的转速，编程实现小车的加速和减速功能。
·编程设计左转、右转功能，实现小车的差速转弯控制。
（2）图形化编程过程（图2-20）（参见教材P43）。
将Arduino控制板与计算机相连，通过以下步骤实现运动小车程序的编写和上传：
第一步，进入图形化编程工具，编写图形化程序。
第二步，编译图形化程序。
第三步，确认Arduino控制器硬件通过MicroUSB线与计算机相连接，打开Arduino控制器工作开关。
第四步，选择对应的COM口。
第五步，上传程序。
（3）小车的启动和停止控制（图2-21）（参见教材P44）。
（4）小车的前进与后退控制。
模仿驾驶员的操作，借助一个按键来控制电机的正反转，搭建图2-22（参见教材P44）所示的电路系统，使用一对12 V直流电机，按键连接在Arduino控制器的P3口，通过两节18650型锂电池供电。
上述系统的图形化编程代码参考图2-23（参见教材P45）。
（5）小车的加速和减速控制。
模仿踩油门操作，借助一个电位器来控制电机的转速，搭建图2-24（参见教材P45）所示的电路系统，使用一对12 V直流电机，电位器连接在Arduino控制器的P4口，通过两节18650型锂电池供电。也可以将按键连接在Arduino控制器的P3口，用来控制电机的转动状态。
上述系统的图形化编程代码参考图2-25（参见教材P46）。
（6）小车的转向控制（图2-26）（参见教材P46）。
为便于观察电机的运动情况，方便程序调试，可以利用小金属构件搭建一个车架，将电机固定在支架上。同时，安装好Arduino控制系统以及电池供电系统，就可以观察电机的运动情况。若进一步在电机的转轴上安装轮毂，就可以把它放在地面上运动。
通过给左右两个电机设置不同的转速，就可以实现差速转弯控制。图2-27（参见教材P47）给出的编程案例中，让一个电机转动，另一个电机停止，实现了小车高速电机方向往低速电机方向转弯的驱动。
活动二：拓展实践——新能源小车的搭建与实现
（1）活动内容。
·掌握新能源小车的工程实施过程，包括机械结构搭建、控制系统设计、编程、试验及调试等全部过程。
·根据学校情况进行任务拓展，模拟：利用LED灯指示小车运动状态，前进时绿灯亮，后退时红灯亮；利用超声波传感器模拟倒车雷达功能；利用红外传感器巡道模拟自动驾驶功能。
（2）结构件选取（表2-2）。
（3）小车结构搭建（图2-28）（参见教材P48）。
新能源小车的结构搭建主要分为车架搭建、电机安装、轮毂安装、电子模块安装等环节，使用铝合金材质的金属梁，使用螺丝进行固定。搭建过程比较简便，只需要掌握起子等工具的使用方法即可。
图2-29（参见教材P48）是完成了全部结构搭建的小车，由于金属轮毂在运动中抓地性能不好，在前后轮之间增加了履带。有条件的同学可以利用SolidWorks等三维建模软件对小车的车身结构进行三维建模设计，并利用Ansys等结构分析软件对所设计的机械结构进行力学和动力学仿真分析，了解机械结构各部分的受力及承载情况。
（4）电子控制系统设计。
可以直接将活动一、活动二中已经实现的控制功能移植到图2-28（参见教材P48）的小车中，观察小车的运动情况，完善及修改程序。有条件的同学可以选择更多的传感器模块，设计更多的自动化或智能化功能。例如，可以利用超声波传感器设计倒车雷达，或利用红外传感器设计自动巡道功能等。电子控制系统组件如图2-30（参见教材P49）所示。
（5）图形化编程（图2-31）（参见教材P49）。
4．调试与检测
编写图形化程序，上传到Arduino控制板后，进行功能检测、系统调试及性能优化。
（1）观察电机的运动是否与预期一致，观察按键、电位器模块是否正常发挥作用。
如果出现与设计要求不符的情况，需要检查程序设计是否正确。
（2）观察系统运行性能是否稳定，操作是否可控。如果出现与设计要求不符的情况，需要检查程序设计是否正确或者是否需要优化程序。
（3）在确认程序编写正确合理的情况下，如果系统还存在问题，则更换电子模块再进行测试。
（4）机械结构部分则要观察装置是否妨碍电机前后及转向运动，连接是否稳定。遇到问题，需要进行调节，重新装配。
思考与分析
（1）结合物理电路知识进行思考，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。体会按键循环操作后，逻辑变量取值的变化情况。
（3）利用数学知识，分析以下数学运算的含义。体会调节电位器后，传递到驱动电机的数据量的变化情况。
（4）为什么按键、电位器、电机等电子器件的编程设计中需要设置一定的延时？它起什么作用？
课后作业
习 题
通过本节的实践活动，我们知道交通工具的设计除了要考虑功能和性能外，还需要特别关注节约能源、保护生态环境、推动社会和谐发展等方面，推动新能源技术的应用。请进一步思考并回答以下问题。
（1）交通工具设计中的哪些环节与科学有关，那些环节与技术、工程有关？
（2）交通工具的设计与艺术有关吗？不结合艺术而设计的交通工具将会怎样？
（3）交通工具的设计与数学有关吗？请举例说明。
（4）当前新能源技术还有哪些不足？交通工具的设计为什么要特别考虑与环境、社会之间的关系？
板书设计
第二章 科技人文融合创新专题实践
第二节 交通工具
一、日新月异的新能源汽车
二、交通工具系统的构成
三、新能源在交通工具上的应用
四、新能源小车设计与制作
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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