資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術(shù)》選擇性必修10：科技人文融合創(chuàng)新專題
第二章 科技人文融合創(chuàng)新專題實踐
第五節(jié) 礦山工程
教學(xué)設(shè)計
教學(xué)背景
習(xí)近平總書記在全國教育大會上強(qiáng)調(diào)，要在黨的堅強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，全面貫徹黨的教育方針，堅持馬克思主義指導(dǎo)地位，堅持中國特色社會主義教育發(fā)展道路，堅持社會主義辦學(xué)方向，立足基本國情，遵循教育規(guī)律，堅持改革創(chuàng)新，以凝聚人心、完善人格、開發(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、辦好人民滿意的教育。
教學(xué)目標(biāo)：
知識與技能目標(biāo):
1.了解礦山工程的基本設(shè)計內(nèi)容、相關(guān)技術(shù)及其協(xié)同性。
2.掌握Arduino開源硬件的應(yīng)用方法和圖形化編程方法。
3.以煤氣泄漏報警器的設(shè)計為例，了解礦山工程項目設(shè)計中涉及的科學(xué)、技術(shù)和工程知識。
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）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）為依據(jù)，以全面貫徹落實《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)。本模塊的核心價值在于多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，科技人文融合創(chuàng)新項目的實施以興趣、問題、活動等為中心，充分結(jié)合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會等學(xué)科知識，適當(dāng)利用信息技術(shù)，注意在教學(xué)中融入愛國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)生對通用技術(shù)的了解認(rèn)識有限，面對未來，他們需要學(xué)習(xí)有關(guān)通用技術(shù)的知識。
通過本模塊的學(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)知識及其應(yīng)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(lǐng)域中運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能、權(quán)衡與優(yōu)化、設(shè)計與創(chuàng)新等技術(shù)思想與方法的能力，提高設(shè)計創(chuàng)新能力；弘揚(yáng)勞動精神和創(chuàng)新精神；形成系統(tǒng)思維與工程思維，培養(yǎng)團(tuán)隊意識和合作能力，樹立投身我國科技創(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:
了解礦山工程的基本設(shè)計內(nèi)容、相關(guān)技術(shù)及其協(xié)同性。
掌握Arduino開源硬件的應(yīng)用方法和圖形化編程方法。
以煤氣泄漏報警器的設(shè)計為例，了解礦山工程項目設(shè)計中涉及的科學(xué)、技術(shù)和工程知識。
教學(xué)策略:
以案例或項目引入，介紹從事科技人文融合創(chuàng)新項目活動的基礎(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)新項目活動中的獨特作用。以技術(shù)與工程問題為牽引，以項目實踐為指引，通過設(shè)計多種專題實踐項目，讓同學(xué)們經(jīng)歷科技人文融合創(chuàng)新項目活動的全過程。通過這些實踐活動，同學(xué)們可了解技術(shù)與工程項目所蘊(yùn)含的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會等因素，并能通過比較、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　第二章 科技人文融合創(chuàng)新專題實踐　第五節(jié) 礦山工程。
科技人文融合創(chuàng)新項目以活動為牽引，提出并明確需解決的技術(shù)與工程問題，提取和分析其中蘊(yùn)含的科學(xué)與數(shù)學(xué)原理；設(shè)計和選用適當(dāng)工具來收集、記錄、分析信息與數(shù)據(jù)；應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識與方法，系統(tǒng)考慮藝術(shù)、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(jìn)行測試、生成數(shù)據(jù)，解釋和預(yù)測現(xiàn)象；依據(jù)科學(xué)證據(jù)、技術(shù)試驗結(jié)論，完善解決方案；以科學(xué)觀點、經(jīng)驗證據(jù)、邏輯論證的相關(guān)因素，比較和評估同一問題的不同技術(shù)解決方案。
橋梁、交通工具、航空器、醫(yī)療器械、礦山工程是當(dāng)今社會生活的重要領(lǐng)域，這些領(lǐng)域里的技術(shù)與工程活動，需要跨學(xué)科的視野，需要系統(tǒng)的方法論和工程思維，需要綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)和社會等學(xué)科的知識、方法和基本技能。通過典型科技人文融合創(chuàng)新項目的案例分析和團(tuán)隊合作實踐，促進(jìn)團(tuán)隊成員對結(jié)構(gòu)設(shè)計、電子控制、編程等技術(shù)的掌握及工程實施能力的提高，提升參與社會創(chuàng)新活動的能力。
我們有時看到礦井（特別是煤礦）爆炸（圖2-78）（參見教材P78）造成人身傷亡或者家庭煤氣泄漏發(fā)生火災(zāi)的新聞。爆炸很多時候是可燃性氣體（比如瓦斯）燃燒引起的。觸發(fā)煤礦瓦斯爆炸的基本條件：一是瓦斯?jié)舛仍?%~16%；二是出現(xiàn)一定的引火溫度，有人吸煙或者電路系統(tǒng)產(chǎn)生電火花等情況。
黨和國家堅持以人民為中心的發(fā)展思想一直要求“始終把人民生命安全放在首位”。
除了加強(qiáng)安全管理，及時準(zhǔn)確的檢測預(yù)報也是有效的防范手段。如果我們能夠預(yù)報可燃性、有害性氣體的濃度，就可以避免災(zāi)難的發(fā)生，從而貫徹好“人民至上、生命至上”的理念，促進(jìn)人與自然和諧共生。
思考
礦山安全問題啟發(fā)我們，能否利用可燃?xì)鈾z測傳感器實時檢測井下工作環(huán)境中的空氣狀況，然后及時發(fā)出警報呢？
礦山工程就是以礦產(chǎn)資源為基礎(chǔ)，在礦山進(jìn)行資源開采作業(yè)的工程技術(shù)學(xué)。礦山工程可分為地面工程和地下工程兩部分：地面工程主要包括礦用機(jī)械設(shè)備及設(shè)施，如選廠、井塔、卷揚(yáng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等；地下工程包括井巷工程、硐室工程及部分安裝工程（圖2-79）（參見教材P79）。
礦山工程設(shè)計包括設(shè)計范圍（給定礦區(qū)范圍、拐點坐標(biāo)、勘探線及開采深度）、設(shè)計規(guī)模、服務(wù)年限及工作制度、礦山開拓、采礦方法、礦井提升、礦井通風(fēng)、礦山供排水、礦巖運(yùn)輸、壓氣、供配電、通訊及信號、礦區(qū)總平面布置、礦山基建、工程概算等內(nèi)容。
一、地面工程
礦山地面工程指根據(jù)礦山生產(chǎn)、管理和生活的需要，在地面設(shè)計修建的各類建筑物、構(gòu)筑物及其他必需的設(shè)施設(shè)備，如選礦廠、井塔、卷揚(yáng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)等。
1．選礦廠
礦山工業(yè)場地選址及設(shè)計首先要從礦區(qū)地形地貌、自然條件、周邊環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害影響、井口及工業(yè)場地的地質(zhì)條件和采取的安全對策措施等方面進(jìn)行安全可靠性分析，還需要對井口及工業(yè)場地標(biāo)高與當(dāng)?shù)貧v史最高洪水位的關(guān)系進(jìn)行說明，對井口位置及井口設(shè)施、工業(yè)場地內(nèi)主要建（構(gòu)）筑物與開采錯動界線的安全距離進(jìn)行安全可靠性分析。
2．井塔
井塔是礦井工業(yè)場地內(nèi)的重要塔式工業(yè)建筑物，在礦山生產(chǎn)期間用于提升礦物、矸石、設(shè)備和人員，井塔的外部結(jié)構(gòu)和形狀的設(shè)計要考慮到防風(fēng)、保溫的需要。井塔建在立井井口，其結(jié)構(gòu)為多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般由提升機(jī)大廳、塔身和基礎(chǔ)三部分組成，形成一座直立的高聳空間結(jié)構(gòu)，多繩摩擦式提升機(jī)安裝在其上部。
3．卷揚(yáng)機(jī)
卷揚(yáng)機(jī)是指用卷筒纏繞鋼絲繩、鏈條提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，又稱絞車。
卷揚(yáng)機(jī)可以垂直提升、水平或傾斜拽引重物，分為手動卷揚(yáng)機(jī)、電動卷揚(yáng)機(jī)及液壓卷揚(yáng)機(jī)三種，主要運(yùn)用于建筑、水利工程、林業(yè)、礦山、碼頭等物料的升降或平拖。
礦山系統(tǒng)是以電動卷揚(yáng)機(jī)為主。卷揚(yáng)機(jī)可單獨使用，也可作起重、筑路和礦井提升等機(jī)械中的組成部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用。
4．壓風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)
壓風(fēng)機(jī)一般用在電動設(shè)備的動力提供上，將空氣壓縮成具備一定壓力的氣體，該氣體連接到氣動設(shè)備上，使之運(yùn)轉(zhuǎn)，如供井下風(fēng)鎬、風(fēng)泵等氣動設(shè)備。壓風(fēng)機(jī)又稱空壓機(jī)，即空氣壓縮機(jī)。
通風(fēng)機(jī)按用途可分為三種：主扇用于全礦井或礦井某一翼的通風(fēng)，又叫主通風(fēng)機(jī)。輔扇用于礦井通風(fēng)網(wǎng)路中分支風(fēng)路調(diào)節(jié)起風(fēng)量，是協(xié)助主通風(fēng)機(jī)工作的。局扇用于礦井無貫穿風(fēng)流沒有打通的巷道的局部地點通風(fēng)。
二、地下工程
礦山過程中，地下工程包括井巷工程、硐室工程及部分安裝工程。井巷工程設(shè)計又包括井筒裝備設(shè)計、排水系統(tǒng)設(shè)計等。
1．井巷工程
井巷工程的任務(wù)是在地下建筑所需的空間結(jié)構(gòu)，并保持其穩(wěn)定性，它需要通過破巖開挖，穿過和進(jìn)入巖石與土這類地質(zhì)體中，并保持開挖空間的穩(wěn)定性。所以，井巷工程的破巖開挖和維持穩(wěn)定，首先涉及巖石與土這類介質(zhì)的物理與力學(xué)性質(zhì)。同時，井巷圍巖未定需要采用多種多樣的人工支護(hù)手段，如常見到的棚式支架、金屬支架、混凝土支架、料石或混凝土砌碹及錨噴支護(hù)等。這些不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)都是由建筑材料制造的，為了合理地使用支護(hù)結(jié)構(gòu)，需要了解和掌握各種構(gòu)成井巷工程支護(hù)的常用建筑材料的特性。
2．硐室工程
硐室是指為某種專門用途在井下開鑿和建造的斷面較大或長度較短的空間構(gòu)筑物，也指空間三個軸線長度相差不大且又不直通地面的地下巷道，如絞車房、變電所、煤倉等。
硐室的作用是安裝各種設(shè)備、機(jī)器，存放材料和工具，或作其他專門用途，如機(jī)修房、炸藥庫、休息室等。
硐室對安全生產(chǎn)意義重大，避險硐室是指當(dāng)災(zāi)害發(fā)生人員無法撤出時，為防止有毒、有害氣體的侵襲而設(shè)立的避難場所。現(xiàn)代礦山的建設(shè)要求加快強(qiáng)制推行井下救生艙、避險硐室、井下人員定位和通信聯(lián)絡(luò)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等先進(jìn)適用的技術(shù)裝備，按規(guī)定期限完成。圖2-80（參見教材P80）是現(xiàn)代化礦山工程中的硐室設(shè)計方案，不僅考慮了設(shè)備安裝、工具存放等需求，還重點考慮了安全生產(chǎn)的要求。
三、地面工程與地下工程的協(xié)同性
隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，人們逐漸認(rèn)識到地下工程開挖與環(huán)境協(xié)調(diào)的重要性，地下工程開挖與環(huán)境相協(xié)調(diào)是當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主題之一。
建立與地面環(huán)境協(xié)調(diào)的地下工程開挖的決策和設(shè)計系統(tǒng)，以指導(dǎo)地面沉降控制和損害防護(hù)工程的實施，達(dá)到地下工程開挖對巖土體、地表和地面建筑物、構(gòu)筑物的損害最小，確保地下工程開挖與地面環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，從而實現(xiàn)地下工程開挖與地面環(huán)境的協(xié)調(diào)。
四、煤氣泄漏報警器設(shè)計與制作
1. 制作目標(biāo)
項目采用MQ-5液化氣檢測模塊，當(dāng)濃度超標(biāo)時，蜂鳴器發(fā)出報警聲，并啟動一個小風(fēng)扇模擬排出可燃性氣體。
2. 器材準(zhǔn)備
本項目所使用的元器件及電子模塊如表2-7所示。（參見教材P81）
表2-7 煤氣泄漏報警器元器件及電子模塊
編號 元器件及設(shè)備
1 Arduino學(xué)習(xí)板
2 MQ-5液化氣檢測模塊
3 發(fā)聲模塊
4 5 V小風(fēng)扇（CPU散熱風(fēng)扇）
5 打火機(jī)，在不燃燒的情況下產(chǎn)生可燃性氣體，觸動報警器
3. 設(shè)計與實踐
（1）工作原理：氣體檢測模塊（圖2-81）（參見教材P82）對煤氣、液化氣、煙霧十分敏感，它的工作電壓為5 V。它有兩個輸出端，D0為數(shù)字輸出端，在正常情況下輸出5 V電壓，當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定值（該值可以調(diào)節(jié)，即靈敏度調(diào)節(jié)），輸出電壓變?yōu)榱悖籄0是模擬輸出端，其輸出電壓隨氣體濃度而變化，濃度越高輸出電壓越高，電壓的變化范圍是0～4 V，可以用Arduino進(jìn)行判斷和報警等控制。
（2）數(shù)字控制應(yīng)用實驗：利用MQ-5液化氣檢測模塊的D0數(shù)字輸出接口，設(shè)計實驗電路，連接方法如圖2-82（參見教材P83）所示。
液化氣檢測模塊5 V正極引腳接Arduino的5 V口“V”，負(fù)極引腳接Arduino的GND，液化氣檢測模塊D0接Arduino的數(shù)字I/O口D13；發(fā)聲模塊接“IN”引腳接Arduino的數(shù)字I/O口D11，“VCC”接Arduino的電源正“V”，“GND”接Arduino的電源地“G”；小風(fēng)扇紅線接Arduino的數(shù)字I/O口D12，黑線接Arduino電源地“G”。
電路原理如圖2-83（參見教材P83）所示。
Arduino編程如圖2-84（參見教材P84）所示。試驗：按下打火機(jī)，吹滅火焰，靠近液化氣檢測模塊，可以聽到發(fā)聲模塊發(fā)出“嘀嘀”的聲音，并且小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，排走可燃性氣體。關(guān)閉打火機(jī)氣源，報警隨之消失，小風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。需要提示的是，傳感器通電后，需要預(yù)熱20 s左右，測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定，所以應(yīng)該在通電20 s后再試驗。傳感器發(fā)熱屬于正常現(xiàn)象，因為內(nèi)部有電熱絲，如果燙手就不正常了。
（3）模擬控制應(yīng)用實驗：
利用MQ-5液化氣檢測模塊的A0數(shù)字輸出接口，設(shè)計實驗電路，連接方法如圖2-85（參見教材P84）所示。
液化氣檢測模塊5 V正極引腳接Arduino的5 V口“V”，負(fù)極引腳接Arduino的GND，液化氣檢測模塊A0接Arduino的模擬I/O口A0；發(fā)聲模塊接“IN”引腳接Arduino的數(shù)字I/O口D11，“ V C C”接Ardui no 的電源正“V”，“GND”接Arduino的電源地“G”；小風(fēng)扇紅線接Arduino的數(shù)字I/O口D12，黑線接Arduino電源地“G”。
電路原理如圖2-86（參見教材P85）所示。
Arduino圖形化編程，如圖2-87（參見教材P85）所示。
試驗：打開串口監(jiān)視器，按下打火機(jī)，吹滅火焰，靠近液化氣檢測模塊，可以看到數(shù)據(jù)在變化（圖2-88）（參見教材P86）。根據(jù)數(shù)據(jù)情況，設(shè)定一個臨界值，在程序里修改這個臨界值（圖2-84設(shè)置的臨界值為800）（參見教材P84），當(dāng)氣體濃度大于臨界值時，可以聽到發(fā)聲模塊發(fā)出“嘀嘀”的聲音，并且小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。關(guān)閉打火機(jī)氣源，報警隨之消失，小風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。同樣也應(yīng)該在通電20 s后再實驗。
思考
（1）結(jié)合物理中的電路知識進(jìn)行思考，為什么電子控制系統(tǒng)的編程中往往會設(shè)計一個元器件的初始化設(shè)置模塊？
（2）利用數(shù)學(xué)知識，分析以下邏輯
運(yùn)算的含義。體會MQ-5液化氣檢測模塊開始工作后，什么情況下邏輯條件將得到滿足。
探究
（1）進(jìn)一步分析采樣實驗數(shù)據(jù)，討論以樣本平均值作為檢測閾值是否最好？基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計知識，還有哪些特征數(shù)估計方法可以用來確定檢測閾值？
（2）Arduino應(yīng)用系統(tǒng)中，如何采集模擬輸入物理量？又是如何采集數(shù)字輸入數(shù)據(jù)？
學(xué)習(xí)評價
　　　　　　　　　評價內(nèi)容 評價方式
自評 互評 師評
能夠從社會生活中發(fā)現(xiàn)實際問題，運(yùn)用科技人文融合創(chuàng)新的方法提出解決問題的方案
對結(jié)構(gòu)設(shè)計、電子控制、編程等技術(shù)方法的掌握程度
設(shè)計、制作模型或應(yīng)用原型的工程實施能力
能夠綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、人文、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會等知識進(jìn)行項目實踐
具有團(tuán)隊意識，愿意與人合作
說明：A—優(yōu)秀，B—良好，C—合格，D—待改進(jìn)
通過本章的學(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）礦山工程項目實踐活動中哪些環(huán)節(jié)經(jīng)歷了科技人文融合創(chuàng)新的哪些過程？填寫下表。
科技人文融合創(chuàng)新元素 項 目 環(huán) 節(jié)
科學(xué) 可燃性氣體對傳感器里的特殊材料的影響，引起材料導(dǎo)電率的變化
技術(shù)
工程
人文
藝術(shù)
數(shù)學(xué)
　　　社會
（2）有人在停車的情況下開著空調(diào)在車內(nèi)睡覺，結(jié)果發(fā)生一氧化碳中毒。
這是什么原因?qū)е碌模坑惺裁捶椒梢员苊猓?br/>（3）通過上網(wǎng)、閱讀、查找資料等方式，了解還有哪些氣體檢測傳感器？購買一些傳感器，將其拆解，看看內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，了解它的工作原理。
（4）右圖是實際推廣應(yīng)用的Arduino空氣綜合監(jiān)控系統(tǒng)，它使用了高靈敏度的可燃?xì)鈾z測傳感器和空氣質(zhì)量傳感器，利用液晶顯示器實時顯示空氣質(zhì)量狀況，利用無線網(wǎng)絡(luò)報告預(yù)警信息。討論這樣的設(shè)計是否適合井巷、硐室等礦山生產(chǎn)環(huán)境的使用？
板書設(shè)計
一、地面工程
二、地下工程
三、地面工程與地下工程的協(xié)同性
四、煤氣泄漏報警器設(shè)計與制作
第二章 科技人文融合創(chuàng)新專題實踐
第五節(jié) 礦山工程
一、飛行器的發(fā)展史
二、航空器的飛行原理
三、航空器的設(shè)計與制作
四、創(chuàng)新設(shè)計與拓展實踐
通用技術(shù)
選擇性必修10：科技人文融合創(chuàng)新專題
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)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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