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[专题]汽车磁悬浮减震系统的探究与设计——基于项目式学习开展研究性学习的实践与探索

文_霍江雷1 朱展望2(1.上海师范大学附属中学闵行分校 2.达师教育)

2023-12/总第333期

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项目式学习(Project-based Learning,PBL),是一套设计学习情境的,以问题为导向的学习方法,是基于现实世界的以学生为中心的教育方式。项目式学习一般采用以解决实际问题为主线,通过背景经验活动把实际问题与相关联的科学原理、科学探究与工程实践结合起来,形成一个有机整体。

美国巴克教育研究所(Buck Institute for Education,2016)提出了项目式学习的黄金准则(Gold Standard PBL)。在项目设计时,包含7个基本要素(挑战性问题、持续探究、真实性、学生的声音与选择、反思、批判和修订、公开展示作品),这是教师可以遵循的好方法。学生在一定时间内对与学科或跨学科有关的驱动性问题进行深入持续的探索,在调动所有知识、能力、品质等创造性地解决新问题、形成公开的成果中,形成对核心知识和学习历程的深刻理解,能够在新情境中迁移。

学生通过项目式学习,学习相关基础知识,有研究性学习(Research-based Learning,RBL)的欲望,学习形式上表现为“做中学”。学生从解决实际问题出发,整合自己的各个学科知识和生活经验,与团队进行配合解决各种问题。在这个过程中,学生所进行的探究、沟通、创新和协作等行为,是传统教学模式无法触及的,也正是通过这些行为,才使得学生的综合素质可以有全方位的提升。

选修课程以培育学生的主体意识、完善学生的认知结构、提高学生的自我规划和自主选择能力为宗旨,着眼于培育、激发和发展学生的兴趣爱好,开发学生的潜能,促进学生个性的发展和学校办学特色的形成,是一种体现不同基础要求、具有一定开放性的课程。上海师范大学附属中学闵行分校的STEM+课程“可替代能源的混合动力车”是一门选修课,在教学活动中引导学生理解能源资源的有限性,使用科学技术手段寻找可替代能源,树立能源可持续发展的意识。通过项目式的研究性学习活动,教会学生掌握科学研究和工程研究的方法。


学习背景

选修课程“可替代能源的混合动力车”分阶段完成学习,第一阶段为项目式学习的理论知识和实验体验阶段,包括压缩空气能和风能、太阳能、氢燃料电池、生物能、水能6个项目式理论和体验学习;第二阶段是学生小组进行研究性学习阶段。

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图1 第1代模型(组装前

为加深学生对新能源汽车的生产和汽车历史的了解,教师带领学生前往新能源汽车生产企业和汽车博物馆实地考察学习。其中一个学生小组在学习和参观结束后,对汽车的减震系统有了更深入的认识,联想到车辆行驶过程中摇晃剧烈易引起乘客不适,提出减缓摇晃,设计一种新的汽车减震系统的想法。

目前汽车使用的减震系统,是由弹簧和减震器共同组成的。减震器并不是用来支持车身的重量,而是用来抑制弹簧吸震后在反弹时的震荡和吸收路面冲击的能量,按阻尼材料划分为液压式和气压式,结构较复杂,密封要求较高,减震效果易变差,容易产生异响等问题。

为解决汽车减震系统目前存在的弊端,学生设想车身与汽车底盘不直接接触。高一学生知道磁铁同极相斥的原理,利用磁铁的同极相斥性质设计汽车的减震系统,使车身和底盘处于悬浮状态,增加乘客舒适性,以此为项目的切入点,形成学生研究性学习项目“汽车磁悬浮减震系统的探究与设计”。


研究性学习实践

第一阶段:指导学生确定研究性学习的任务与方案

(1)指导学生明确任务目标“设计一种减震效果更好的汽车磁悬浮减震系统”。学生设想利用磁铁同极相斥的作用力设计汽车减震系统,需要解决的问题包括:选择提供磁力的材料;固定磁力装置,实现减震效果。

(2)指导学生小组分工合作。课题研究小组由5名学生组成,小组长为颜天乐,负责减震系统的设计和制作;顾如仪、任馨瑜负责资料的整理和文稿的撰写;林玥利、谈旭晨负责模型的测试、模型所需材料的搜集和后勤保障。研究小组制订了如表1的项目任务清单。

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(3)指导学生启动研究项目(表2),为制订项目方案做准备工作。

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(4)指导学生细化项目方案(表3),根据项目方案进入项目实施阶段。

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第二阶段:研究性学习实施过程

指导学生利用磁铁同极相斥使车身悬浮,再利用弹簧阻止磁体间发生碰撞,设计汽车的减震系统,完成第1代模型设计图纸,并利用现有实验材料泡沫板、木板、4个小强磁铁,以及实验工具裁纸刀、热熔胶枪、钢锯等完成减震模型(第1代)的制作,其构件如图1所示。

遇到的问题1:第1代模型实现了磁悬浮的减震效果,当施加外力时减震系统可以恢复初始状态,但是没有合适的弹簧作为缓冲装置,并且只有4个强磁铁提供斥力,车身并不稳定,无法保持水平,需要解决减震系统的平衡问题。


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