資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題
第二章 科技人文融合創新專題實踐
第二節 交通工具
教學設計
教學背景
習近平總書記在全國教育大會上強調，要在黨的堅強領導下，全面貫徹黨的教育方針，堅持馬克思主義指導地位，堅持中國特色社會主義教育發展道路，堅持社會主義辦學方向，立足基本國情，遵循教育規律，堅持改革創新，以凝聚人心、完善人格、開發人力、培育人才、造福人民為工作目標，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解新能源交通工具在節約能源、環境保護、推進社會可持續發展中的作用及其未來發展趨勢。
2.掌握Arduino開源硬件的應用方法，掌握Arduino開源硬件的圖形化編程方法。
3.通過新能源概念小車的創新設計實踐，進一步了解汽車等交通工具的基本結構、工作原理及設計方法。
教學內容分析:
以《普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標準》）為依據，以全面貫徹落實《標準》所倡導的以提高學生的技術素養和創新能力為目標。本模塊的核心價值在于多學科知識的綜合運用，科技人文融合創新項目的實施以興趣、問題、活動等為中心，充分結合科學、技術、工程、藝術、數學、社會等學科知識，適當利用信息技術，注意在教學中融入愛國主義教育和革命傳統教育，注意與中華優秀傳統文化相結合。
學情分析:
學生對通用技術的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關通用技術的知識。
通過本模塊的學習，同學們能理解科學、技術、工程、藝術、數學、社會等各學科之間的緊密聯系和科技人文融合創新的重要性；初步掌握相關科學原理及其應用、數學知識及其應用、材料及其加工、模型制作及其工藝等基本知識與基本技能，初步形成在具體領域中運用結構與功能、權衡與優化、設計與創新等技術思想與方法的能力，提高設計創新能力；弘揚勞動精神和創新精神；形成系統思維與工程思維，培養團隊意識和合作能力，樹立投身我國科技創新以及中華民族偉大復興事業的人生理想。
教學重難點:
了解新能源交通工具在節約能源、環境保護、推進社會可持續發展中的作用及其未來發展趨勢。
掌握Arduino開源硬件的應用方法，掌握Arduino開源硬件的圖形化編程方法。
通過新能源概念小車的創新設計實踐，進一步了解汽車等交通工具的基本結構、工作原理及設計方法。
教學策略:
以案例或項目引入，介紹從事科技人文融合創新項目活動的基礎條件，工具、材料、圖樣、工藝、技術參數等技術要素，以及性能需求、生命周期、標桿分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合創新項目活動中的獨特作用。以技術與工程問題為牽引，以項目實踐為指引，通過設計多種專題實踐項目，讓同學們經歷科技人文融合創新項目活動的全過程。通過這些實踐活動，同學們可了解技術與工程項目所蘊含的科學、技術、工程、藝術、數學、社會等因素，并能通過比較、權衡等方法剖析這些因素間的制約關系和通約特性。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題　第二章 科技人文融合創新專題實踐　第二節 交通工具。
科技人文融合創新項目以活動為牽引，提出并明確需解決的技術與工程問題，提取和分析其中蘊含的科學與數學原理；設計和選用適當工具來收集、記錄、分析信息與數據；應用科學、技術、工程和數學知識與方法，系統考慮藝術、社會因素，提出解決問題的綜合方案；制作并使用工程模型進行測試、生成數據，解釋和預測現象；依據科學證據、技術試驗結論，完善解決方案；以科學觀點、經驗證據、邏輯論證的相關因素，比較和評估同一問題的不同技術解決方案。
橋梁、交通工具、航空器、醫療器械、礦山工程是當今社會生活的重要領域，這些領域里的技術與工程活動，需要跨學科的視野，需要系統的方法論和工程思維，需要綜合運用科學、技術、工程、藝術、數學和社會等學科的知識、方法和基本技能。通過典型科技人文融合創新項目的案例分析和團隊合作實踐，促進團隊成員對結構設計、電子控制、編程等技術的掌握及工程實施能力的提高，提升參與社會創新活動的能力。
交通工具是現代人生活中不可缺少的一部分。黨和國家倡導“綠色低碳”理念，加快了新能源體系的規劃建設。我國新能源汽車（圖2-10）（參見教材P37）得到了飛速發展，不僅進入了百姓的生活，而且走向了世界。新能源汽車具有節約燃油能源、減少廢氣排放、噪聲低等優點，在節約能源、保護生態環境方面發揮著重要作用。
思考
（1）人類交通發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，它們對社會發展有何作用？
一、日新月異的新能源汽車
新能源汽車不再通過油料燃燒來提供動力，而是主要利用電池供電，通過專用電機驅動車輪的運轉。圖2-11（參見教材P37）是新能源汽車的主要結構，可以看出傳統汽車的很多重要系統在新能源汽車上都不再需要。
新能源汽車沒有發動機，車身前后各搭載有電動機，對前后輪分別進行數字化獨立控制，實現了在各種路況下的全方位牽引力控制。傳統全輪驅動汽車通過復雜的機械聯動裝置，將動力通過單一發動機分配至四個車輪。而新能源汽車可以通過雙電機同時為前輪和后輪提供動力，更加高效。圖2-12（參見教材P38）是新能源汽車的總體結構示意圖，新能源汽車由車身、底盤和電池系統等組成，底盤結構大大簡化，電池總成替代了傳統的發動機及油路系統。
思考
（1）相對于傳統汽車，新能源汽車的總體結構發生了重大革新。沒有了發動機和變速箱，新能源汽車如何對車輪進行驅動？
（2）新能源汽車如何進行前進、后退、加速減速等運動控制？
（3）轉向控制也是汽車需要的基本功能，傳統汽車差速器結構十分復雜，新能源汽車沒有了差速器，如何實現差速轉彎功能？
討論
新能源汽車以電池供電，以電動機驅動車輪，通過數字化技術進行運動控制。自動化、智能化技術在新能源汽車中具有廣闊的應用前景，如何利用傳感器、智能硬件、編程等信息技術提升新能源汽車的智能化程度，使其既方便駕駛又保障安全？
二、交通工具系統的構成
1．傳統汽車的結構與工作原理
汽車是由動力驅動的、具有4個或以上的車輪的非軌道承載車。一般來說，汽車由發動機、底盤、車身、轉向系統、懸掛系統、電氣設備等組成，如圖2-13（參見教材P39）所示。
汽車底盤的作用是支撐和安裝發動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發動機的動力，使汽車產生運動并按駕駛員的操控行駛的部件。汽車底盤由傳動系、行駛系、轉向系和制動系四部分組成。
傳動系就是發動機與驅動輪之間的動力傳遞裝置，負責保證汽車行駛所必需的牽引力、車速以及協調各種變化的能力，包括離合器、變速器、萬向傳動、主減速器、差速器等部分。
行駛系的作用是接受發動機經傳動系傳來的轉矩，通過驅動輪與路面間的附著作用，產生路面對汽車的牽引力，包括車架、車橋、懸架和車輪等部分。
轉向系用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，包括轉向操縱機構、轉向器、轉化傳動機構等。制動系是汽車裝設的全部制動和減速系統的總稱，包括制動器、制動傳動裝置及防抱死裝置。
2．差速器及其工作原理
（1）汽車的差速控制原理（圖2-14）（參見教材P39）。
汽車在轉彎時，車輪做的是圓弧運動，那么外側車輪的轉速必然要高于內側車輪的轉速，存在一定的速度差，在驅動輪上會造成相互干涉的現象。非驅動輪左右兩側的輪子是相互獨立的，互不干涉。
驅動輪如果直接通過一根軸剛性連接的話，兩側輪子的轉速必然會相同。那么在過彎時，內外兩側車輪就會發生干涉的現象，會導致汽車轉彎困難，所以現代汽車的驅動橋上都會安裝差速器。
（2）差速器的工作原理。
差速器是如何工作的？同學們可以先找一輛如圖2-15（參見教材P40）所示的雙輪手拖車體驗一下。雙手用力同時拉動，手拖車就會前行。如果我們單手拉動手拖車的一個車把，就會發現手拖車在轉彎。
汽車轉向的工作原理與此類似。當汽車轉彎時，內側輪和外側輪存在轉速差（外側輪轉速比內側輪高），如果驅動輪沒有差速器的調節，會導致內側輪發生“制動”現象。如果在傳動軸上安裝差速器，驅動輪內外側的轉速差可以由差速器來均衡，從而避免了轉彎“制動”的現象。
三、新能源在交通工具上的應用
1．交通工具使用的能源類型
任何交通工具都需要消耗能源來提供動力，不同交通工具所消耗的能源類型也各有不同。
汽車等道路機動交通工具使用的能源類型包括汽油、柴油、電力、壓縮天然氣、液化石油氣、燃料電池、甲醇、乙醇、乙醇汽油等。鐵路機車方面，先后有蒸汽機車、內燃機車和電力機車等類型，分別采用煤炭、燃油（主要是柴油）、電力作為驅動能源。高鐵、磁懸浮列車是采用電力作為驅動能源。民用航空領域，主要交通工具是各種民用飛行器，以航空煤油為燃料。水路運輸領域，各種船舶使用的能源主要是柴油、重油、汽油、電力等。大型水面船艦也會采用核能作為動力來源。
隨著科技的發展，新能源汽車開始走進人們的生活，采用太陽能等更清潔、更高效的能源驅動的汽車已在研發階段，節能環保型機動車將會成為發展趨勢。
2．新能源汽車與節能技術
能源是人類賴以生存和發展的基礎。統計數據顯示，交通運輸業已成為能源消費特別是石油消費增長最快的行業領域，全國汽油消費量的90％和柴油消費量的50％被各種道路交通工具所消耗，而且隨著機動車數量的快速增長，車用燃油消費量將會不斷增加。
這些快速增長的以傳統石油為燃料的汽車，在為人們提供便捷、舒適交通服務的同時，也增加了國民經濟對化石能源的依賴，加重了大氣污染。發展新能源汽車和節能技 術能夠緩解石油短缺造成的矛盾、降低環境污染，是實現汽車產業健康可持續發展的必由之路。
許多國家把發展新能源汽車提升至國家戰略高度。新能源汽車有燃料電池汽車、混合電動汽車、純電動汽車等類型，還有處于研發階段的氫動力汽車和太陽能汽車。純電動汽車以車載電源為動力，利用電力驅動及控制裝置來完成行駛功能，其電力驅動及控制裝置由電源、驅動電動機和電動機的調速控制系統等組成。起步較早，但仍未產業化的氫動力汽車是一種能實現碳的零排放的交通工具。氫具有很高的能量密度，釋放的能量足以使汽車發動機運轉，而且氫與氧氣在燃料電池中發生化學反應只生成水，不會造成污染。尚處研發階段的太陽能汽車利用太陽能來驅動，研發成功后可實現碳的零排放，太陽能汽車引起了很多國家的關注，并加大投入進行研究。
討論
交通工具消耗了大量的能源，對人類的生存環境和社會發展產生了挑戰，節約能源是人們必須直面的問題。節能對環境、社會具有重要意義，請結合所學思考和討論以下問題。
（1）新一代交通工具開始使用哪些類型的能源？從技術難度、成本價格、安全便利、社會影響等方面分析，說明未來交通工具發展的趨勢是什么？
（2）氫動力汽車的研究起步較早，為什么仍未走進人們的生活？
（3）太陽能汽車的前景如何？存在哪些困難？
（4）新能源汽車中，純電動汽車的優勢體現在哪些方面？還有哪些不足？
四、新能源小車設計與制作
新能源汽車和無人駕駛汽車代表著現代交通工具的發展方向，即高能電池供電、結構簡化、操作智能、網絡控制等。參考目前新能源汽車的基本結構、工作原理及控制技術，設計并動手制作自己的概念小車。
1．任務要求
（1）通過按鍵控制電機的正反轉，編程實現小車的前進和后退、啟動和停止功能。
（2）利用電位器調節電機的轉速，編程實現小車的加速和減速功能。
（3）編程設計左轉、右轉功能，實現小車的差速轉彎控制。
（4）可根據學習情況進行拓展，模擬：利用LED燈指示小車運動狀態，即前進時綠燈亮，后退時紅燈亮；利用超聲波傳感器模擬倒車雷達功能。
2．器材準備
（1）Arduino控制器（圖2-16）（參見教材P42）。
圖2-16（參見教材P42）所示Arduino控制器上集成了2路直流電機功率驅動電路，其電機接口可以直接驅動3.7 V、9 V、12 V等多種直流調速電機，便于小車、機器人等應用系統的設計。
Arduino控制板上不僅以排針方式提供AVR芯片的輸入及輸出引腳，還以RJ25接口的形式提供4路獨立的接口。4路RJ25接口可以做輸入，也可以做輸出，通過編程來設定。這樣，應用起來既靈活方便，又能保證工程性，便于小車、機器人等運動系統的穩定性能。
（2）實驗用按鍵及電位器（圖2-17）（參見教材P42）。
按鍵也稱輕觸開關，是一種電子開關，依靠內部金屬簧片的受力變化來實現通斷。
使用時，當向開關方向施加壓力，開關就閉合接通，當撤銷壓力時開關即斷開。電位器是可變電阻器的一種，主要用來調節電壓和電流的大小，它由一個電阻體和一個轉動或滑動系統組成。電阻體有兩個固定端，通過手動調節轉軸或滑柄，改變動觸點在電阻體上的位置，就改變了動觸點與任一個固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。電位器具有滑動變阻和分壓的功能，常常用來控制音量大小、燈的亮度以及電機的轉速等。
（3）直流電機（圖2-18）（參見教材P43）。
直流電機將直流電能轉換為轉子軸上輸出的機械能，實現能量轉動功能。新能源小車需要使用一對12 V直流調速電機。
（4）可充電鋰電池（圖2-19）（參見教材P43）。
18650型鋰電池容量大、壽命長、安全性能突出、毒物污染少，常用在筆記本電腦的電池中作為電芯。18650型鋰電池單節容量為1 200～3 600 mAh，新能源汽車中也采用這種電池作為最基本的動力單元，通過串聯和并聯形成鋰電池組模塊。新能源小車需要使用一對3.6 V的18650型鋰電池和配套的電池盒。
3．設計與實踐
活動一：新能源小車的運動控制
（1）活動內容。
·學習圖形化編程技術，掌握電機的編程控制方法。
·通過Arduino圖形化編程，實現小車的啟動和停止功能。
·通過按鍵控制電機的正反轉，編程實現小車的前進和后退控制。
·利用電位器調節電機的轉速，編程實現小車的加速和減速功能。
·編程設計左轉、右轉功能，實現小車的差速轉彎控制。
（2）圖形化編程過程（圖2-20）（參見教材P43）。
將Arduino控制板與計算機相連，通過以下步驟實現運動小車程序的編寫和上傳：
第一步，進入圖形化編程工具，編寫圖形化程序。
第二步，編譯圖形化程序。
第三步，確認Arduino控制器硬件通過MicroUSB線與計算機相連接，打開Arduino控制器工作開關。
第四步，選擇對應的COM口。
第五步，上傳程序。
（3）小車的啟動和停止控制（圖2-21）（參見教材P44）。
（4）小車的前進與后退控制。
模仿駕駛員的操作，借助一個按鍵來控制電機的正反轉，搭建圖2-22（參見教材P44）所示的電路系統，使用一對12 V直流電機，按鍵連接在Arduino控制器的P3口，通過兩節18650型鋰電池供電。
上述系統的圖形化編程代碼參考圖2-23（參見教材P45）。
（5）小車的加速和減速控制。
模仿踩油門操作，借助一個電位器來控制電機的轉速，搭建圖2-24（參見教材P45）所示的電路系統，使用一對12 V直流電機，電位器連接在Arduino控制器的P4口，通過兩節18650型鋰電池供電。也可以將按鍵連接在Arduino控制器的P3口，用來控制電機的轉動狀態。
上述系統的圖形化編程代碼參考圖2-25（參見教材P46）。
（6）小車的轉向控制（圖2-26）（參見教材P46）。
為便于觀察電機的運動情況，方便程序調試，可以利用小金屬構件搭建一個車架，將電機固定在支架上。同時，安裝好Arduino控制系統以及電池供電系統，就可以觀察電機的運動情況。若進一步在電機的轉軸上安裝輪轂，就可以把它放在地面上運動。
通過給左右兩個電機設置不同的轉速，就可以實現差速轉彎控制。圖2-27（參見教材P47）給出的編程案例中，讓一個電機轉動，另一個電機停止，實現了小車高速電機方向往低速電機方向轉彎的驅動。
活動二：拓展實踐——新能源小車的搭建與實現
（1）活動內容。
·掌握新能源小車的工程實施過程，包括機械結構搭建、控制系統設計、編程、試驗及調試等全部過程。
·根據學校情況進行任務拓展，模擬：利用LED燈指示小車運動狀態，前進時綠燈亮，后退時紅燈亮；利用超聲波傳感器模擬倒車雷達功能；利用紅外傳感器巡道模擬自動駕駛功能。
（2）結構件選?。ū?-2）。
（3）小車結構搭建（圖2-28）（參見教材P48）。
新能源小車的結構搭建主要分為車架搭建、電機安裝、輪轂安裝、電子模塊安裝等環節，使用鋁合金材質的金屬梁，使用螺絲進行固定。搭建過程比較簡便，只需要掌握起子等工具的使用方法即可。
圖2-29（參見教材P48）是完成了全部結構搭建的小車，由于金屬輪轂在運動中抓地性能不好，在前后輪之間增加了履帶。有條件的同學可以利用SolidWorks等三維建模軟件對小車的車身結構進行三維建模設計，并利用Ansys等結構分析軟件對所設計的機械結構進行力學和動力學仿真分析，了解機械結構各部分的受力及承載情況。
（4）電子控制系統設計。
可以直接將活動一、活動二中已經實現的控制功能移植到圖2-28（參見教材P48）的小車中，觀察小車的運動情況，完善及修改程序。有條件的同學可以選擇更多的傳感器模塊，設計更多的自動化或智能化功能。例如，可以利用超聲波傳感器設計倒車雷達，或利用紅外傳感器設計自動巡道功能等。電子控制系統組件如圖2-30（參見教材P49）所示。
（5）圖形化編程（圖2-31）（參見教材P49）。
4．調試與檢測
編寫圖形化程序，上傳到Arduino控制板后，進行功能檢測、系統調試及性能優化。
（1）觀察電機的運動是否與預期一致，觀察按鍵、電位器模塊是否正常發揮作用。
如果出現與設計要求不符的情況，需要檢查程序設計是否正確。
（2）觀察系統運行性能是否穩定，操作是否可控。如果出現與設計要求不符的情況，需要檢查程序設計是否正確或者是否需要優化程序。
（3）在確認程序編寫正確合理的情況下，如果系統還存在問題，則更換電子模塊再進行測試。
（4）機械結構部分則要觀察裝置是否妨礙電機前后及轉向運動，連接是否穩定。遇到問題，需要進行調節，重新裝配。
思考與分析
（1）結合物理電路知識進行思考，為什么電子控制系統的編程中往往會設計一個元器件的初始化設置模塊？
（2）利用數學知識，分析以下邏輯運算的含義。體會按鍵循環操作后，邏輯變量取值的變化情況。
（3）利用數學知識，分析以下數學運算的含義。體會調節電位器后，傳遞到驅動電機的數據量的變化情況。
（4）為什么按鍵、電位器、電機等電子器件的編程設計中需要設置一定的延時？它起什么作用？
課后作業
習 題
通過本節的實踐活動，我們知道交通工具的設計除了要考慮功能和性能外，還需要特別關注節約能源、保護生態環境、推動社會和諧發展等方面，推動新能源技術的應用。請進一步思考并回答以下問題。
（1）交通工具設計中的哪些環節與科學有關，那些環節與技術、工程有關？
（2）交通工具的設計與藝術有關嗎？不結合藝術而設計的交通工具將會怎樣？
（3）交通工具的設計與數學有關嗎？請舉例說明。
（4）當前新能源技術還有哪些不足？交通工具的設計為什么要特別考慮與環境、社會之間的關系？
板書設計
第二章 科技人文融合創新專題實踐
第二節 交通工具
一、日新月異的新能源汽車
二、交通工具系統的構成
三、新能源在交通工具上的應用
四、新能源小車設計與制作
通用技術
選擇性必修10：科技人文融合創新專題
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：徐 明
本冊副主編：李鮒瑞 劉海峰
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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