基于新课标的小学科学“动力小车”教学思考

赵继辰

摘 要：2017年教育部印发了最新修订的《义务教育小学科学课程标准》，增加了技术与工程领域，并且提出了18个主要概念。本文以动力小车的设计制作为载体，从物质科学领域和技术与工程领域中的两个大概念出发，使学生感受到物质科学对提高人类生活质量的重要作用，帮助学生初步养成善于观察的科学品质。

关键词：小学科学 新课标 工程设计 能量转换

2017年教育部印发了最新修订的《义务教育小学科学课程标准》[1]（以下简称“新课标”）。 新课标在课程内容方面在原有的物质科学、生命科学、地球与宇宙科学三个领域基础之上进行了重要调整，增加了技术与工程领域，并且从这四个领域中选择适合小学生学习的18个主要概念。本文以动力小车的设计制作为载体，从物质科学领域“机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式”和技术与工程领域“人们为了使生产和生活更加便利、快捷、舒适，创造了丰富多彩的人工世界”两个大概念出发，使学生感受到物质科学对促进社会进步、提高人类生活质量的重要作用，帮助学生初步养成乐于观察、注重事实、勇于探索的科学品质。

一、问题聚焦

自行车是一种生活中常见的绿色环保交通工具，用来代步、出行。自行车种类很多，有单人自行车，双人自行车还有多人自行车。现在越来越多的人将自行车作为健身器材用来骑行锻炼、自行车出游;自行车本身也是一项体育竞技运动，有公路自行车赛、山地自行车赛、特技自行车比赛等。自行车是人类发明的最成功的一种人力机械之一，它是由许多简单机械组成的复杂机械。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，最终车向前行驶，我们分析一下自行车是如何传动的。

首先，脚踩踏板带动车链条转动，链条转动带动后轮的车轴转动，进而后轮的轮胎与地面之间产生摩擦，这个方向向前的摩擦力会使自行车向前行驶，而前轮的轮胎与地面之间产生的摩擦力使前轮也转动起来。从这个分析过程中我们可以看出，设计制作一辆可以向前行驶的小车至少要有三个模块，即用脚踩踏转动的驱动装置、车轮向前行驶的从动装置和车链车轴转动的传动装置。三个模块与车身紧密相连，便是动力小车的全部结构。

二、设计制作

一辆小车的动力来源是设计的核心环节，选择不同能源来提供持续的动力，就会有不同的驱动装置。新课标在物质科学领域中提出了“机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式”这个大概念，我们就从中选出五种典型能源作为驱动装置来设计制作小车。

1.风力小车

风是大自然中最常见的现象，纸制小风车迎风转动是小学生们喜爱的玩具之一，所以我们首先设计以风为动力的小车。在实验测试过程中我们可以使用吹风机作为风的来源。

从风力小车结构图可以看出，小车的驱动装置是风扇叶片，从动装置是车轮，传动装置是齿轮。当吹风机将扇叶吹动后，扇叶会带动与之相连接的轴转动，以此作为小车的动力来源。三个齿轮相互配合，将扇叶轴的转动依次传递到与车轮相连接的轴，由此可以实现小车的顺风行驶。

2.电动小车

电也是大自然中最常见的现象之一，电动遥控汽车也是小学生们喜爱的玩具之一，因此我们接下来设计一种以电为动力的小车。在测试过程中我们可以使用电池组作为电的来源。

從电动小车结构图可以看出，小车的驱动装置是电动马达，从动装置是车轮，传动装置是齿轮。电动马达是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。当电池盒开关闭合后，马达会带动与之相连接的轴转动，以此作为小车的动力来源。两个齿轮相互配合，将马达轴的转动依次传递到与前轮相连接的轴，由此可以实现小车的向前行驶。由于电动小车是前面两个车轮的转动是由驱动装置传递过来的，而后轮是与地面之间的摩擦力带动起来的，因此本款小车也称为前驱车，之前提到的自行车称为后驱车。如果将前轮车轴与后轮车轴用绷紧的皮带连接起来，那么后轮的转动也可由驱动装置传递过来，这样的小车称为简易的四驱车。

3.太阳能小车

太阳能是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。和化工燃料相比，开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。所以我们设计一种以太阳能为动力的小车。在测试过程中我们可以使用太阳能板作为动力的来源。

从太阳能小车结构图可以看出，小车的驱动装置是太阳能板和电动马达，从动装置是车轮，传动装置是齿轮。太阳能板是由许多个太阳能电池串联或并联起来有比较大的输出功率的电池方阵，而太阳能电池是一种由于光电效应而将太阳光能直接转化为电能的器件。当太阳光照射到太阳能板后会产生电流，带动与之相连接的电动马达转动，以此作为小车的动力来源。通过齿轮将马达轴的转动依次传递到与车轮相连接的轴，由此可以实现小车的向前行驶。

4.温差发电小车

温差发电技术是一种利用热电效应直接将热能转化为电能的能量转换系统，是一种绿色环保的节能技术，所以我们设计一种以温差发电为动力的小车。在测试过程中我们可以使用热电转换模块作为动力的来源。

从温差发电小车的结构图可以看出，小车的驱动装置是热电转换模块和电动马达，从动装置是车轮，传动装置是齿轮。热电转换模块是由许多个半导体材料串联而成。当一面遇热时，热电转换模块的两端就存在了温差，高温面的热量将流向低温面，于是电路中就产生了电流，带动与之相连接的电动马达转动，以此作为小车的动力来源，使小车的向前行进。

5.盐水电池小车

盐水电池是一种利用化学反应直接将化学能转化为电能的能量转换装置，这类发明是贮能和供能技术的巨大进步，极大地改变了人们的生活方式。所以我们设计一种以盐水电池为动力的小车。

从盐水电池小车的结构图可以看出，小车的驱动装置是盐水电池和电动马达，从动装置是车轮，传动装置是齿轮。盐水电池以镁片、活性炭为电极，其中镁易失去电子作负极、活性炭作正极，向盛有清水的小碗中加入少量食盐后，就会在食盐水中产生电流，带动与之相连接的电动马达转动，以此作为小车的动力来源，使小车的向前行进。

三、总结反思

本文从自行车传动过程的分析出发，重点介绍了五种动力小车的设计原理和传动过程。通过比较，我们发现小车的从动装置都是车轮，传动装置都是齿轮，区别只在动力的来源。而动力的来源主要有两种，一种是风扇叶片带动驱动轴转动，将风能直接转换为小车的动能;另一种是通过特殊结构将不同形式的能量（如太阳能、热能、化学能等）转换为电能，再将电能通过电动马达的转动转换为小车的动能。这种能量转化的设计思想，正可体现出新课标中的物质科学领域“机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式”和技术与工程领域“人们为了使生产和生活更加便利、快捷、舒适，创造了丰富多彩的人工世界”两个大概念的教学。同时在我们涉及到的这些能量中，既有清洁能源（如太阳能、热能、风能），又有会对环境造成污染的能源（如化学能），两相对比更能直观的帮助学生了解在科学技术的研究与应用中，需要考虑伦理和道德的价值取向（热爱自然、珍爱生命），具有保护环境的意识和社会责任感，体现新课标中的科学、技术、社会与环境目标的教学。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准2017年版[S].北京师范大学出版社，2017.