資源簡(jiǎn)介

普 通 高 中 教 科 書(shū)
《通用技術(shù)》選擇性必修10：科技人文融合創(chuàng)新專題
第一章 科技人文融合創(chuàng)新概述
第三節(jié) 科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程
教學(xué)設(shè)計(jì)
教學(xué)背景
習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)教育大會(huì)上強(qiáng)調(diào)，要在黨的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，全面貫徹黨的教育方針，堅(jiān)持馬克思主義指導(dǎo)地位，堅(jiān)持中國(guó)特色社會(huì)主義教育發(fā)展道路，堅(jiān)持社會(huì)主義辦學(xué)方向，立足基本國(guó)情，遵循教育規(guī)律，堅(jiān)持改革創(chuàng)新，以凝聚人心、完善人格、開(kāi)發(fā)人力、培育人才、造福人民為工作目標(biāo)，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人，加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)、辦好人民滿意的教育。
教學(xué)目標(biāo)：
知識(shí)與技能目標(biāo):
1.了解科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程。
2.掌握科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)全過(guò)程的方案制訂。
教學(xué)內(nèi)容分析:
以《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）為依據(jù)，以全面貫徹落實(shí)《標(biāo)準(zhǔn)》所倡導(dǎo)的以提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)。本模塊的核心價(jià)值在于多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施以興趣、問(wèn)題、活動(dòng)等為中心，充分結(jié)合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會(huì)等學(xué)科知識(shí)，適當(dāng)利用信息技術(shù)，注意在教學(xué)中融入愛(ài)國(guó)主義教育和革命傳統(tǒng)教育，注意與中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化相結(jié)合。
學(xué)情分析:
學(xué)生對(duì)通用技術(shù)的了解認(rèn)識(shí)有限，面對(duì)未來(lái)，他們需要學(xué)習(xí)有關(guān)通用技術(shù)的知識(shí)。
通過(guò)本模塊的學(xué)習(xí)，同學(xué)們能理解科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會(huì)等各學(xué)科之間的緊密聯(lián)系和科技人文融合創(chuàng)新的重要性；初步掌握相關(guān)科學(xué)原理及其應(yīng)用、數(shù)學(xué)知識(shí)及其應(yīng)用、材料及其加工、模型制作及其工藝等基本知識(shí)與基本技能，初步形成在具體領(lǐng)域中運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能、權(quán)衡與優(yōu)化、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新等技術(shù)思想與方法的能力，提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力；弘揚(yáng)勞動(dòng)精神和創(chuàng)新精神；形成系統(tǒng)思維與工程思維，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作能力，樹(shù)立投身我國(guó)科技創(chuàng)新以及中華民族偉大復(fù)興事業(yè)的人生理想。
教學(xué)重難點(diǎn):
了解科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程。
掌握科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)全過(guò)程的方案制訂。
教學(xué)策略:
以案例或項(xiàng)目引入，介紹從事科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)的基礎(chǔ)條件，工具、材料、圖樣、工藝、技術(shù)參數(shù)等技術(shù)要素，以及性能需求、生命周期、標(biāo)桿分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)中的獨(dú)特作用。以技術(shù)與工程問(wèn)題為牽引，以項(xiàng)目實(shí)踐為指引，通過(guò)設(shè)計(jì)多種專題實(shí)踐項(xiàng)目，讓同學(xué)們經(jīng)歷科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)的全過(guò)程。通過(guò)這些實(shí)踐活動(dòng)，同學(xué)們可了解技術(shù)與工程項(xiàng)目所蘊(yùn)含的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會(huì)等因素，并能通過(guò)比較、權(quán)衡等方法剖析這些因素間的制約關(guān)系和通約特性。
教學(xué)準(zhǔn)備:
展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。
教學(xué)過(guò)程:
情景導(dǎo)入:
老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修10：科技人文融合創(chuàng)新專題　第一章 科技人文融合創(chuàng)新概述　第三節(jié) 科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程。
在科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會(huì)之間存在著一種相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展的關(guān)系。如果要更好地了解它們，尤其是它們之間的關(guān)系，就不能獨(dú)立地看其中某個(gè)部分，只有在交互中、在相互的碰撞中，才能對(duì)它們有更深層次的認(rèn)識(shí)和理解。
科技人文融合創(chuàng)新，有別于傳統(tǒng)的單學(xué)科、重書(shū)本知識(shí)的教育方式，是更加重視實(shí)踐的多學(xué)科融合學(xué)習(xí)。
一個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)，從創(chuàng)意設(shè)想到變成可以使用的商品，往往要考慮科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)和社會(huì)等因素，經(jīng)歷一定的過(guò)程。
案例
小劉的學(xué)校離家比較遠(yuǎn)，好在他爸爸上班的地方在學(xué)校附近，因此每天都是爸爸開(kāi)車送小劉上學(xué)。盡管這樣，小劉還是經(jīng)常遲到，因?yàn)槌Ｓ薪煌ㄊ鹿拾l(fā)生導(dǎo)致堵車（圖1-9）（參見(jiàn)教材P18）。
一天早上，小劉坐在爸爸的車?yán)锿巴饪矗粗徛靶械能嚵鳎祀s著各種噪聲和汽車排出的尾氣，天空也灰蒙蒙的，小劉想，汽車這種交通工具是不是該進(jìn)行創(chuàng)新了呢？
基于這個(gè)想法，小劉到了學(xué)校，立即召集他的創(chuàng)新小團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始對(duì)這方面的問(wèn)題進(jìn)行討論。經(jīng)過(guò)討論，創(chuàng)新小團(tuán)隊(duì)明確了項(xiàng)目任務(wù)：研發(fā)一種新型的小汽車，要求這種小汽車沒(méi)有尾氣、噪聲很低、使用清潔能源，具有一定的智能，可以避免交通事故的發(fā)生。由于學(xué)校的研究場(chǎng)地和設(shè)備設(shè)施等條件限制，同學(xué)們的知識(shí)儲(chǔ)備也很有限，研發(fā)一種新型汽車是不可能的，但制作一個(gè)模型來(lái)表達(dá)這種創(chuàng)新的思想是可行的。
創(chuàng)新小團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的思考，形成了以下方案：①小汽車的噪聲很低。
②使用電能作為能源，采用創(chuàng)新的獲取電能的方式。③小汽車對(duì)前后左右車距、障礙物距離能自動(dòng)識(shí)別，距離過(guò)近會(huì)發(fā)出警報(bào)。④通過(guò)無(wú)線遙控來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉小車的演示功能。
分析
項(xiàng)目可行性：充分利用學(xué)校現(xiàn)有的工具、儀器、器材和設(shè)備。車輛模型可以通過(guò)動(dòng)手制作、三維打印或采購(gòu)改裝等方式獲得。智能控制部分可以充分利用學(xué)校現(xiàn)有的機(jī)器人套件、傳感器、控制電路板、編程系統(tǒng)等，缺少的器材可以到電子市場(chǎng)采購(gòu)或者網(wǎng)購(gòu)；知識(shí)儲(chǔ)備不足可以請(qǐng)老師幫助，還可以通過(guò)社會(huì)機(jī)構(gòu) 、企業(yè)、工廠等獲取幫助。
一、項(xiàng)目實(shí)施構(gòu)思過(guò)程
1．小車的能源、動(dòng)力可行性方案（圖1-10）（參見(jiàn)教材P19）
2．動(dòng)力能源
通過(guò)航模燃油發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小車的動(dòng)力來(lái)源，但其尾氣污染環(huán)境，這個(gè)方案可以排除；一次性電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，沒(méi)有尾氣污染，但不可再生，廢舊電池也會(huì)污染環(huán)境，這個(gè)方案可以排除；可充電鋰電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但需要解決充電問(wèn)題；太陽(yáng)能電池板發(fā)電易受天氣環(huán)境影響，如果與充電電池組合，是較為理想的方式。還有沒(méi)有其他的供電方式呢？比如在路面下埋入一些感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車通過(guò)時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。
3．傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
在展示時(shí)，制作的小車模型以多大的速度運(yùn)動(dòng)最合理？根據(jù)這個(gè)速度，結(jié)合在額定的電池電壓下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、輪子的直徑，來(lái)計(jì)算傳動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速比（圖1-11）（參見(jiàn)教材P20）。
能不能省去復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)電能直接驅(qū)動(dòng)一把風(fēng)扇，利用風(fēng)扇風(fēng)力的反作用力來(lái)推動(dòng)小車呢？如圖1-12（參見(jiàn)教材P20）所示。
這個(gè)方案需要實(shí)驗(yàn)測(cè)試，多大功率情況下，風(fēng)力的反作用力可以推動(dòng)小車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求的速度。如果真實(shí)的汽車采用這種方案，風(fēng)力是否會(huì)對(duì)后面的汽車、行人帶來(lái)影響呢？會(huì)不會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲呢？
4．車體結(jié)構(gòu)（圖1-13）（參見(jiàn)教材P21）
小車以模型展示為目的，采用什么樣的車體結(jié)構(gòu)，多大的體積呢？動(dòng)手制作、三維打印，還是購(gòu)買成品來(lái)改裝呢？
可以用體積比較大的遙控仿真玩具小汽車來(lái)改裝，利用里面原有的電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向控制電路，再把本項(xiàng)目所需的模塊組件加裝上去；還可以用上原有的遙控裝置，展示時(shí)通過(guò)遙控來(lái)開(kāi)啟演示。
小車的體積應(yīng)該由小車可容納的零部件來(lái)決定，體積過(guò)小組裝困難，體積過(guò)大展示時(shí)不方便。
5．障礙物識(shí)別
項(xiàng)目要求小車對(duì)前后左右車距或者障礙物自動(dòng)識(shí)別，距離過(guò)近發(fā)出聲光報(bào)警。
可以用Arduino和超聲測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖1-14）（參見(jiàn)教材P21）。把超聲測(cè)距傳感器安裝在車的前后左右來(lái)檢測(cè)小車與其他障礙物的距離，當(dāng)距離過(guò)小時(shí)發(fā)聲模塊和發(fā)光模塊發(fā)出聲光報(bào)警。
（提示：Arduino是比較常用的電子控制系統(tǒng)，是通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，相關(guān)知識(shí)可以參加相關(guān)的培訓(xùn)或者購(gòu)買相關(guān)的書(shū)籍閱讀掌握。超聲測(cè)距模塊的原理是有兩個(gè)壓電陶瓷喇叭，一個(gè)產(chǎn)生超聲波，一個(gè)接收超聲波，根據(jù)聲波反射回來(lái)的時(shí)間和聲音的速度來(lái)計(jì)算距離，這個(gè)組件是用Arduino編程來(lái)控制和計(jì)算的。）
聲光報(bào)警采用發(fā)聲模塊和發(fā)光模塊，如圖1-15（參見(jiàn)教材P22）所示。
6．無(wú)線遙控
由于項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)一個(gè)小車模型的演示來(lái)表達(dá)創(chuàng)新的思想，演示的開(kāi)啟和關(guān)閉可以通過(guò)無(wú)線遙控來(lái)實(shí)現(xiàn)，遙控小車的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和停止。可以采購(gòu)315 M的無(wú)線遙控模塊組件，如圖1-16（參見(jiàn)教材P22）所示。
二、不同技術(shù)解決方案
小劉和他的創(chuàng)新小團(tuán)隊(duì)，按照上面的構(gòu)思，通過(guò)比較和評(píng)估同一問(wèn)題的不同技術(shù)解決方案，終于制作出他們想要的模型。
（1）模型的內(nèi)部框架和外殼采用遙控仿真玩具小汽車來(lái)改裝，之所以這樣選擇，是考慮模型的仿真度和美觀性的需要，而且小車自帶遙控，可以控制速度、轉(zhuǎn)彎和停止，降低了制作難度，提高了制作效率。
（2）小車的前后左右安裝了4個(gè)超聲測(cè)距模塊，可探測(cè)4個(gè)方向的距離，當(dāng)障礙物進(jìn)入一定距離范圍后，小車發(fā)出聲光報(bào)警，有效防止汽車行駛過(guò)程中事故的發(fā)生。
（3）模型車的動(dòng)力采用鋰電池供電，充電采用地面感應(yīng)式充電，擺脫電動(dòng)汽車充電樁的束縛，解決太陽(yáng)能供電易受天氣影響的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了利用清潔能源的項(xiàng)目需求。
這個(gè)模型，充分表達(dá)了項(xiàng)目的創(chuàng)新思想，如圖1-17（參見(jiàn)教材P23）所示。
三、項(xiàng)目技術(shù)測(cè)試與計(jì)算
在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，小劉和他的團(tuán)隊(duì)采用如下技術(shù)方案，進(jìn)行了一些技術(shù)測(cè)試、數(shù)學(xué)計(jì)算。
1．電源方案
用充電寶（圖1-18）（參見(jiàn)教材P23）代替小車電池，通過(guò)網(wǎng)購(gòu)得到用于手機(jī)無(wú)線充電的無(wú)線充電模塊，將充電模塊的發(fā)射端安裝在路面下，接收端安裝在小車底部，連接充電寶進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的無(wú)線充電（圖1-19）（參見(jiàn)教材P24） 。充電狀態(tài)用發(fā)光模塊的燈光指示。
2．機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的計(jì)算
小車在工作時(shí)一般工作速度設(shè)定為20 cm/s，電動(dòng)機(jī)在5 V電壓下的轉(zhuǎn)速是120 r/min，輪子的直徑是20 cm，怎么組合變速齒輪呢？小劉和團(tuán)隊(duì)成員利用物理和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行了計(jì)算。
3．超聲測(cè)距調(diào)試
設(shè)定報(bào)警距離為30 cm，當(dāng)距離小于或等于30 cm時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。怎么確定起控值呢？打開(kāi)Arduino的串口監(jiān)視器，觀察距離與數(shù)據(jù)的關(guān)系， 當(dāng)實(shí)際距離為30 cm時(shí)，串口監(jiān)視器的數(shù)據(jù)作為起控值。
4．噪聲測(cè)試
分析噪聲的來(lái)源，主要來(lái)自馬達(dá)、齒輪傳動(dòng)、輪子與路面產(chǎn)生的聲音，解決辦法是用隔音材料把馬達(dá)、齒輪傳動(dòng)部分包裹起來(lái)，路面用橡膠鋪設(shè)。用手機(jī)軟件測(cè)量噪聲，噪聲小于30 dB為合格。
5．線路系統(tǒng)（圖1-20）（參見(jiàn)教材P24）
6．整機(jī)試運(yùn)行
用橡膠鋪設(shè)一條環(huán)形測(cè)試道路（圖1-21）（參見(jiàn)教材P25），道路的一半底部放置了無(wú)線充電發(fā)射線圈（紅色部分），另一半沒(méi)有放置（黑色部分），用于充電運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和對(duì)比。在道路旁邊放置了一些障礙物，用來(lái)測(cè)試小車靠近障礙物時(shí)有無(wú)聲光報(bào)警。小劉的團(tuán)隊(duì)在展示現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試：按下遙控器的出發(fā)鍵，小車約以20 cm/s的速度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)遙控器的方向鍵，控制小車的運(yùn)行軌跡，看到當(dāng)小車在紅色路段時(shí)，小車上的充電指示燈亮起，在黑色路段指示燈熄滅，說(shuō)明充電正常；調(diào)整障礙物的位置，當(dāng)小車靠近障礙物，距離在30 cm以內(nèi)時(shí)，聲光報(bào)警；用手機(jī)軟件測(cè)試噪聲，在30 dB以下。測(cè)試表明項(xiàng)目達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，項(xiàng)目成功完成。
閱讀
科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程
（1）提出并明確需解決的技術(shù)與工程問(wèn)題，并就問(wèn)題解決中所蘊(yùn)含的科學(xué)與數(shù)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行提取與分析，設(shè)計(jì)和選用適當(dāng)工具來(lái)收集、記錄、分析信息與數(shù)據(jù)。
（2）應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的知識(shí)與方法并系統(tǒng)考慮人文、藝術(shù)、社會(huì)因素，提出解決問(wèn)題的綜合方案。
（3）制作并使用工程模型進(jìn)行測(cè)試，生成數(shù)據(jù)解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)象。
（4）依據(jù)科學(xué)證據(jù)、技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，完善解決方案。以科學(xué)觀點(diǎn)、經(jīng)驗(yàn)證據(jù)、邏輯論證的相關(guān)因素，比較和評(píng)估同一問(wèn)題的不同技術(shù)解決方案。
討論
根據(jù)上面的閱讀材料，請(qǐng)找出技術(shù)方案中的情節(jié)分別對(duì)應(yīng)閱讀材料中的哪些過(guò)程？填寫(xiě)表1-4。
表1-4 科技人文融合創(chuàng)新實(shí)踐過(guò)程
科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程 案例中的內(nèi)容
解決什么技術(shù)與工程問(wèn)題？ 制作一個(gè)汽車模型，來(lái)表達(dá)創(chuàng)新的思想: 沒(méi)有尾氣、噪聲很低、使用清潔能源、體積很小、具有一定的智能，可以避免交通事故的發(fā)生。
提取與分析了哪些科學(xué)與數(shù)學(xué)問(wèn)題？
選用了什么工具來(lái)收集、記錄、分析信息與數(shù)據(jù)？
應(yīng)用了哪些科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)與方法？
考慮了哪些人文、藝術(shù)、社會(huì)因素？提出了哪些解決問(wèn)題的綜合方案？
進(jìn)行了哪些測(cè)試？生成了哪些數(shù)據(jù)？解釋和預(yù)測(cè)了哪些現(xiàn)象？
依據(jù)了哪些科學(xué)證據(jù)、技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，來(lái)完善解決方案的？
以哪些科學(xué)觀點(diǎn)、經(jīng)驗(yàn)證據(jù)、邏輯論證，比較和評(píng)估了問(wèn)題的不同技術(shù)解決方案？
學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)
　　　　　　　　　評(píng)價(jià)內(nèi)容 評(píng)價(jià)方式
自評(píng) 互評(píng) 師評(píng)
知道STEAMS主張跨學(xué)科融合，理解STEAMS的要素及發(fā)展歷程
理解學(xué)習(xí)領(lǐng)域融合對(duì)知識(shí)創(chuàng)新的意義
掌握科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目的分析方法
理解科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)及項(xiàng)目的生命周期、標(biāo)桿分析、反求工程
了解科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程
掌握科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)全過(guò)程的方案制訂
說(shuō)明：A—優(yōu)秀，B—良好，C—合格，D—待改進(jìn)
通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，你的核心素養(yǎng)得到了哪些發(fā)展？
課后作業(yè)
習(xí) 題
（1）嘗試組建一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，把新能源小車項(xiàng)目做出來(lái)。
（2）你還可以設(shè)計(jì)一個(gè)怎樣的項(xiàng)目，讓新能源小車項(xiàng)目解決人們?cè)趯W(xué)習(xí)、生活或者工作中所遇到的問(wèn)題？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)該項(xiàng)目的技術(shù)方案，并體現(xiàn)科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目要素。
板書(shū)設(shè)計(jì)
第一章 科技人文融合創(chuàng)新概述
第三節(jié) 科技人文融合創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐的一般過(guò)程
一、項(xiàng)目實(shí)施構(gòu)思過(guò)程
二、不同技術(shù)解決方案
三、項(xiàng)目技術(shù)測(cè)試與計(jì)算
通用技術(shù)
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主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊(cè) 主 編：徐 明
本冊(cè)副主編：李鮒瑞 劉海峰
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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