趙繼辰

摘 要：2017年教育部印發(fā)了最新修訂的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，增加了技術(shù)與工程領(lǐng)域，并且提出了18個主要概念。本文以動力小車的設(shè)計制作為載體，從物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域和技術(shù)與工程領(lǐng)域中的兩個大概念出發(fā)，使學(xué)生感受到物質(zhì)科學(xué)對提高人類生活質(zhì)量的重要作用，幫助學(xué)生初步養(yǎng)成善于觀察的科學(xué)品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué) 新課標(biāo) 工程設(shè)計 能量轉(zhuǎn)換

2017年教育部印發(fā)了最新修訂的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]（以下簡稱“新課標(biāo)”）。 新課標(biāo)在課程內(nèi)容方面在原有的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)三個領(lǐng)域基礎(chǔ)之上進(jìn)行了重要調(diào)整，增加了技術(shù)與工程領(lǐng)域，并且從這四個領(lǐng)域中選擇適合小學(xué)生學(xué)習(xí)的18個主要概念。本文以動力小車的設(shè)計制作為載體，從物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”和技術(shù)與工程領(lǐng)域“人們?yōu)榱耸股a(chǎn)和生活更加便利、快捷、舒適，創(chuàng)造了豐富多彩的人工世界”兩個大概念出發(fā)，使學(xué)生感受到物質(zhì)科學(xué)對促進(jìn)社會進(jìn)步、提高人類生活質(zhì)量的重要作用，幫助學(xué)生初步養(yǎng)成樂于觀察、注重事實、勇于探索的科學(xué)品質(zhì)。

一、問題聚焦

自行車是一種生活中常見的綠色環(huán)保交通工具，用來代步、出行。自行車種類很多，有單人自行車，雙人自行車還有多人自行車?，F(xiàn)在越來越多的人將自行車作為健身器材用來騎行鍛煉、自行車出游;自行車本身也是一項體育競技運動，有公路自行車賽、山地自行車賽、特技自行車比賽等。自行車是人類發(fā)明的最成功的一種人力機械之一，它是由許多簡單機械組成的復(fù)雜機械。人騎上車后，以腳踩踏板為動力，最終車向前行駛，我們分析一下自行車是如何傳動的。

首先，腳踩踏板帶動車鏈條轉(zhuǎn)動，鏈條轉(zhuǎn)動帶動后輪的車軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而后輪的輪胎與地面之間產(chǎn)生摩擦，這個方向向前的摩擦力會使自行車向前行駛，而前輪的輪胎與地面之間產(chǎn)生的摩擦力使前輪也轉(zhuǎn)動起來。從這個分析過程中我們可以看出，設(shè)計制作一輛可以向前行駛的小車至少要有三個模塊，即用腳踩踏轉(zhuǎn)動的驅(qū)動裝置、車輪向前行駛的從動裝置和車鏈車軸轉(zhuǎn)動的傳動裝置。三個模塊與車身緊密相連，便是動力小車的全部結(jié)構(gòu)。

二、設(shè)計制作

一輛小車的動力來源是設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，選擇不同能源來提供持續(xù)的動力，就會有不同的驅(qū)動裝置。新課標(biāo)在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中提出了“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”這個大概念，我們就從中選出五種典型能源作為驅(qū)動裝置來設(shè)計制作小車。

1.風(fēng)力小車

風(fēng)是大自然中最常見的現(xiàn)象，紙制小風(fēng)車迎風(fēng)轉(zhuǎn)動是小學(xué)生們喜愛的玩具之一，所以我們首先設(shè)計以風(fēng)為動力的小車。在實驗測試過程中我們可以使用吹風(fēng)機作為風(fēng)的來源。

從風(fēng)力小車結(jié)構(gòu)圖可以看出，小車的驅(qū)動裝置是風(fēng)扇葉片，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。當(dāng)吹風(fēng)機將扇葉吹動后，扇葉會帶動與之相連接的軸轉(zhuǎn)動，以此作為小車的動力來源。三個齒輪相互配合，將扇葉軸的轉(zhuǎn)動依次傳遞到與車輪相連接的軸，由此可以實現(xiàn)小車的順風(fēng)行駛。

2.電動小車

電也是大自然中最常見的現(xiàn)象之一，電動遙控汽車也是小學(xué)生們喜愛的玩具之一，因此我們接下來設(shè)計一種以電為動力的小車。在測試過程中我們可以使用電池組作為電的來源。

從電動小車結(jié)構(gòu)圖可以看出，小車的驅(qū)動裝置是電動馬達(dá)，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。電動馬達(dá)是一種將電能轉(zhuǎn)化成機械能，并可再使用機械能產(chǎn)生動能，用來驅(qū)動其他裝置的電氣設(shè)備。當(dāng)電池盒開關(guān)閉合后，馬達(dá)會帶動與之相連接的軸轉(zhuǎn)動，以此作為小車的動力來源。兩個齒輪相互配合，將馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)動依次傳遞到與前輪相連接的軸，由此可以實現(xiàn)小車的向前行駛。由于電動小車是前面兩個車輪的轉(zhuǎn)動是由驅(qū)動裝置傳遞過來的，而后輪是與地面之間的摩擦力帶動起來的，因此本款小車也稱為前驅(qū)車，之前提到的自行車稱為后驅(qū)車。如果將前輪車軸與后輪車軸用繃緊的皮帶連接起來，那么后輪的轉(zhuǎn)動也可由驅(qū)動裝置傳遞過來，這樣的小車稱為簡易的四驅(qū)車。

3.太陽能小車

太陽能是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。和化工燃料相比，開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點是極其寶貴的。所以我們設(shè)計一種以太陽能為動力的小車。在測試過程中我們可以使用太陽能板作為動力的來源。

從太陽能小車結(jié)構(gòu)圖可以看出，小車的驅(qū)動裝置是太陽能板和電動馬達(dá)，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。太陽能板是由許多個太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來有比較大的輸出功率的電池方陣，而太陽能電池是一種由于光電效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。當(dāng)太陽光照射到太陽能板后會產(chǎn)生電流，帶動與之相連接的電動馬達(dá)轉(zhuǎn)動，以此作為小車的動力來源。通過齒輪將馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)動依次傳遞到與車輪相連接的軸，由此可以實現(xiàn)小車的向前行駛。

4.溫差發(fā)電小車

溫差發(fā)電技術(shù)是一種利用熱電效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是一種綠色環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，所以我們設(shè)計一種以溫差發(fā)電為動力的小車。在測試過程中我們可以使用熱電轉(zhuǎn)換模塊作為動力的來源。

從溫差發(fā)電小車的結(jié)構(gòu)圖可以看出，小車的驅(qū)動裝置是熱電轉(zhuǎn)換模塊和電動馬達(dá)，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。熱電轉(zhuǎn)換模塊是由許多個半導(dǎo)體材料串聯(lián)而成。當(dāng)一面遇熱時，熱電轉(zhuǎn)換模塊的兩端就存在了溫差，高溫面的熱量將流向低溫面，于是電路中就產(chǎn)生了電流，帶動與之相連接的電動馬達(dá)轉(zhuǎn)動，以此作為小車的動力來源，使小車的向前行進(jìn)。

5.鹽水電池小車

鹽水電池是一種利用化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，這類發(fā)明是貯能和供能技術(shù)的巨大進(jìn)步，極大地改變了人們的生活方式。所以我們設(shè)計一種以鹽水電池為動力的小車。

從鹽水電池小車的結(jié)構(gòu)圖可以看出，小車的驅(qū)動裝置是鹽水電池和電動馬達(dá)，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。鹽水電池以鎂片、活性炭為電極，其中鎂易失去電子作負(fù)極、活性炭作正極，向盛有清水的小碗中加入少量食鹽后，就會在食鹽水中產(chǎn)生電流，帶動與之相連接的電動馬達(dá)轉(zhuǎn)動，以此作為小車的動力來源，使小車的向前行進(jìn)。

三、總結(jié)反思

本文從自行車傳動過程的分析出發(fā)，重點介紹了五種動力小車的設(shè)計原理和傳動過程。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)小車的從動裝置都是車輪，傳動裝置都是齒輪，區(qū)別只在動力的來源。而動力的來源主要有兩種，一種是風(fēng)扇葉片帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)換為小車的動能;另一種是通過特殊結(jié)構(gòu)將不同形式的能量（如太陽能、熱能、化學(xué)能等）轉(zhuǎn)換為電能，再將電能通過電動馬達(dá)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為小車的動能。這種能量轉(zhuǎn)化的設(shè)計思想，正可體現(xiàn)出新課標(biāo)中的物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”和技術(shù)與工程領(lǐng)域“人們?yōu)榱耸股a(chǎn)和生活更加便利、快捷、舒適，創(chuàng)造了豐富多彩的人工世界”兩個大概念的教學(xué)。同時在我們涉及到的這些能量中，既有清潔能源（如太陽能、熱能、風(fēng)能），又有會對環(huán)境造成污染的能源（如化學(xué)能），兩相對比更能直觀的幫助學(xué)生了解在科學(xué)技術(shù)的研究與應(yīng)用中，需要考慮倫理和道德的價值取向（熱愛自然、珍愛生命），具有保護環(huán)境的意識和社會責(zé)任感，體現(xiàn)新課標(biāo)中的科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境目標(biāo)的教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)2017年版[S].北京師范大學(xué)出版社，2017.