基于新課標的小學科學“動力小車”教學思考

趙繼辰

摘 要：2017年教育部印發了最新修訂的《義務教育小學科學課程標準》，增加了技術與工程領域，并且提出了18個主要概念。本文以動力小車的設計制作為載體，從物質科學領域和技術與工程領域中的兩個大概念出發，使學生感受到物質科學對提高人類生活質量的重要作用，幫助學生初步養成善于觀察的科學品質。

關鍵詞：小學科學 新課標 工程設計 能量轉換

2017年教育部印發了最新修訂的《義務教育小學科學課程標準》[1]（以下簡稱“新課標”）。 新課標在課程內容方面在原有的物質科學、生命科學、地球與宇宙科學三個領域基礎之上進行了重要調整，增加了技術與工程領域，并且從這四個領域中選擇適合小學生學習的18個主要概念。本文以動力小車的設計制作為載體，從物質科學領域“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式”和技術與工程領域“人們為了使生產和生活更加便利、快捷、舒適，創造了豐富多彩的人工世界”兩個大概念出發，使學生感受到物質科學對促進社會進步、提高人類生活質量的重要作用，幫助學生初步養成樂于觀察、注重事實、勇于探索的科學品質。

一、問題聚焦

自行車是一種生活中常見的綠色環保交通工具，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。現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動，鏈條轉動帶動后輪的車軸轉動，進而后輪的輪胎與地面之間產生摩擦，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生的摩擦力使前輪也轉動起來。從這個分析過程中我們可以看出，設計制作一輛可以向前行駛的小車至少要有三個模塊，即用腳踩踏轉動的驅動裝置、車輪向前行駛的從動裝置和車鏈車軸轉動的傳動裝置。三個模塊與車身緊密相連，便是動力小車的全部結構。

二、設計制作

一輛小車的動力來源是設計的核心環節，選擇不同能源來提供持續的動力，就會有不同的驅動裝置。新課標在物質科學領域中提出了“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式”這個大概念，我們就從中選出五種典型能源作為驅動裝置來設計制作小車。

1.風力小車

風是大自然中最常見的現象，紙制小風車迎風轉動是小學生們喜愛的玩具之一，所以我們首先設計以風為動力的小車。在實驗測試過程中我們可以使用吹風機作為風的來源。

從風力小車結構圖可以看出，小車的驅動裝置是風扇葉片，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。當吹風機將扇葉吹動后，扇葉會帶動與之相連接的軸轉動，以此作為小車的動力來源。三個齒輪相互配合，將扇葉軸的轉動依次傳遞到與車輪相連接的軸，由此可以實現小車的順風行駛。

2.電動小車

電也是大自然中最常見的現象之一，電動遙控汽車也是小學生們喜愛的玩具之一，因此我們接下來設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。

從電動小車結構圖可以看出，小車的驅動裝置是電動馬達，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。電動馬達是一種將電能轉化成機械能，并可再使用機械能產生動能，用來驅動其他裝置的電氣設備。當電池盒開關閉合后，馬達會帶動與之相連接的軸轉動，以此作為小車的動力來源。兩個齒輪相互配合，將馬達軸的轉動依次傳遞到與前輪相連接的軸，由此可以實現小車的向前行駛。由于電動小車是前面兩個車輪的轉動是由驅動裝置傳遞過來的，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車，之前提到的自行車稱為后驅車。如果將前輪車軸與后輪車軸用繃緊的皮帶連接起來，那么后輪的轉動也可由驅動裝置傳遞過來，這樣的小車稱為簡易的四驅車。

3.太陽能小車

太陽能是指太陽的熱輻射能，主要表現就是常說的太陽光線。和化工燃料相比，開發利用太陽能不會污染環境，它是最清潔能源之一，在環境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。所以我們設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。

從太陽能小車結構圖可以看出，小車的驅動裝置是太陽能板和電動馬達，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或并聯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而將太陽光能直接轉化為電能的器件。當太陽光照射到太陽能板后會產生電流，帶動與之相連接的電動馬達轉動，以此作為小車的動力來源。通過齒輪將馬達軸的轉動依次傳遞到與車輪相連接的軸，由此可以實現小車的向前行駛。

4.溫差發電小車

溫差發電技術是一種利用熱電效應直接將熱能轉化為電能的能量轉換系統，是一種綠色環保的節能技術，所以我們設計一種以溫差發電為動力的小車。在測試過程中我們可以使用熱電轉換模塊作為動力的來源。

從溫差發電小車的結構圖可以看出，小車的驅動裝置是熱電轉換模塊和電動馬達，從動裝置是車輪，傳動裝置是齒輪。熱電轉換模塊是由許多個半導體材料串聯而成。當一面遇熱時，熱電轉換模塊的兩端就存在了溫差，高溫面的熱量將流向低溫面，于是電路中就產生了電流，帶動與之相連接的電動馬達轉動，以此作為小車的動力來源，使小車的向前行進。

5.鹽水電池小車

鹽水電池是一種利用化學反應直接將化學能轉化為電能的能量轉換裝置，這類發明是貯能和供能技術的巨大進步，極大地改變了人們的生活方式。所以我們設計一種以鹽水電池為動力的小車。

從鹽水電池小車的結構圖可以看出，小車的驅動裝置是鹽水電池和電動馬達，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，就會在食鹽水中產生電流，帶動與之相連接的電動馬達轉動，以此作為小車的動力來源，使小車的向前行進。

三、總結反思

本文從自行車傳動過程的分析出發，重點介紹了五種動力小車的設計原理和傳動過程。通過比較，我們發現小車的從動裝置都是車輪，傳動裝置都是齒輪，區別只在動力的來源。而動力的來源主要有兩種，一種是風扇葉片帶動驅動軸轉動，將風能直接轉換為小車的動能;另一種是通過特殊結構將不同形式的能量（如太陽能、熱能、化學能等）轉換為電能，再將電能通過電動馬達的轉動轉換為小車的動能。這種能量轉化的設計思想，正可體現出新課標中的物質科學領域“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式”和技術與工程領域“人們為了使生產和生活更加便利、快捷、舒適，創造了豐富多彩的人工世界”兩個大概念的教學。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、風能），又有會對環境造成污染的能源（如化學能），兩相對比更能直觀的幫助學生了解在科學技術的研究與應用中，需要考慮倫理和道德的價值取向（熱愛自然、珍愛生命），具有保護環境的意識和社會責任感，體現新課標中的科學、技術、社會與環境目標的教學。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準2017年版[S].北京師范大學出版社，2017.