汽車磁懸浮減震系統(tǒng)的探究與設(shè)計

霍江雷 朱展望

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-based Learning，PBL），是一套設(shè)計學(xué)習(xí)情境的，以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方法，是基于現(xiàn)實(shí)世界的以學(xué)生為中心的教育方式。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)一般采用以解決實(shí)際問題為主線，通過背景經(jīng)驗(yàn)活動把實(shí)際問題與相關(guān)聯(lián)的科學(xué)原理、科學(xué)探究與工程實(shí)踐結(jié)合起來，形成一個有機(jī)整體。

美國巴克教育研究所（Buck Institute forEducation，2016）提出了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的黃金準(zhǔn)則（Gold Standard PBL）。在項(xiàng)目設(shè)計時，包含7 個基本要素（挑戰(zhàn)性問題、持續(xù)探究、真實(shí)性、學(xué)生的聲音與選擇、反思、批判和修訂、公開展示作品），這是教師可以遵循的好方法。學(xué)生在一定時間內(nèi)對與學(xué)科或跨學(xué)科有關(guān)的驅(qū)動性問題進(jìn)行深入持續(xù)的探索，在調(diào)動所有知識、能力、品質(zhì)等創(chuàng)造性地解決新問題、形成公開的成果中，形成對核心知識和學(xué)習(xí)歷程的深刻理解，能夠在新情境中遷移。

學(xué)生通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識，有研究性學(xué)習(xí)（Research-based Learning，RBL）的欲望，學(xué)習(xí)形式上表現(xiàn)為“做中學(xué)”。學(xué)生從解決實(shí)際問題出發(fā)，整合自己的各個學(xué)科知識和生活經(jīng)驗(yàn)，與團(tuán)隊進(jìn)行配合解決各種問題。在這個過程中，學(xué)生所進(jìn)行的探究、溝通、創(chuàng)新和協(xié)作等行為，是傳統(tǒng)教學(xué)模式無法觸及的，也正是通過這些行為，才使得學(xué)生的綜合素質(zhì)可以有全方位的提升。

選修課程以培育學(xué)生的主體意識、完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、提高學(xué)生的自我規(guī)劃和自主選擇能力為宗旨，著眼于培育、激發(fā)和發(fā)展學(xué)生的興趣愛好，開發(fā)學(xué)生的潛能，促進(jìn)學(xué)生個性的發(fā)展和學(xué)校辦學(xué)特色的形成，是一種體現(xiàn)不同基礎(chǔ)要求、具有一定開放性的課程。上海師范大學(xué)附屬中學(xué)閔行分校的STEM+ 課程“可替代能源的混合動力車”是一門選修課，在教學(xué)活動中引導(dǎo)學(xué)生理解能源資源的有限性，使用科學(xué)技術(shù)手段尋找可替代能源，樹立能源可持續(xù)發(fā)展的意識。通過項(xiàng)目式的研究性學(xué)習(xí)活動，教會學(xué)生掌握科學(xué)研究和工程研究的方法。

學(xué)習(xí)背景

選修課程“可替代能源的混合動力車”分階段完成學(xué)習(xí)，第一階段為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的理論知識和實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)階段，包括壓縮空氣能和風(fēng)能、太陽能、氫燃料電池、生物能、水能6 個項(xiàng)目式理論和體驗(yàn)學(xué)習(xí)；第二階段是學(xué)生小組進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)階段。

為加深學(xué)生對新能源汽車的生產(chǎn)和汽車歷史的了解，教師帶領(lǐng)學(xué)生前往新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)和汽車博物館實(shí)地考察學(xué)習(xí)。其中一個學(xué)生小組在學(xué)習(xí)和參觀結(jié)束后，對汽車的減震系統(tǒng)有了更深入的認(rèn)識，聯(lián)想到車輛行駛過程中搖晃劇烈易引起乘客不適，提出減緩搖晃，設(shè)計一種新的汽車減震系統(tǒng)的想法。

目前汽車使用的減震系統(tǒng)，是由彈簧和減震器共同組成的。減震器并不是用來支持車身的重量，而是用來抑制彈簧吸震后在反彈時的震蕩和吸收路面沖擊的能量，按阻尼材料劃分為液壓式和氣壓式，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，密封要求較高，減震效果易變差，容易產(chǎn)生異響等問題。

為解決汽車減震系統(tǒng)目前存在的弊端，學(xué)生設(shè)想車身與汽車底盤不直接接觸。高一學(xué)生知道磁鐵同極相斥的原理，利用磁鐵的同極相斥性質(zhì)設(shè)計汽車的減震系統(tǒng)，使車身和底盤處于懸浮狀態(tài)，增加乘客舒適性，以此為項(xiàng)目的切入點(diǎn)，形成學(xué)生研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目“汽車磁懸浮減震系統(tǒng)的探究與設(shè)計”。

研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐

第一階段：指導(dǎo)學(xué)生確定研究性學(xué)習(xí)的任務(wù)與方案

（1）指導(dǎo)學(xué)生明確任務(wù)目標(biāo)“設(shè)計一種減震效果更好的汽車磁懸浮減震系統(tǒng)”。學(xué)生設(shè)想利用磁鐵同極相斥的作用力設(shè)計汽車減震系統(tǒng)，需要解決的問題包括：選擇提供磁力的材料；固定磁力裝置，實(shí)現(xiàn)減震效果。

（2）指導(dǎo)學(xué)生小組分工合作。課題研究小組由5 名學(xué)生組成，小組長為顏天樂，負(fù)責(zé)減震系統(tǒng)的設(shè)計和制作；顧如儀、任馨瑜負(fù)責(zé)資料的整理和文稿的撰寫；林玥利、談旭晨負(fù)責(zé)模型的測試、模型所需材料的搜集和后勤保障。研究小組制訂了如表1 的項(xiàng)目任務(wù)清單。

（3）指導(dǎo)學(xué)生啟動研究項(xiàng)目（表2），為制訂項(xiàng)目方案做準(zhǔn)備工作。

（4）指導(dǎo)學(xué)生細(xì)化項(xiàng)目方案（表3），根據(jù)項(xiàng)目方案進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)施階段。

第二階段：研究性學(xué)習(xí)實(shí)施過程

指導(dǎo)學(xué)生利用磁鐵同極相斥使車身懸浮，再利用彈簧阻止磁體間發(fā)生碰撞，設(shè)計汽車的減震系統(tǒng)，完成第1 代模型設(shè)計圖紙，并利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)材料泡沫板、木板、4 個小強(qiáng)磁鐵，以及實(shí)驗(yàn)工具裁紙刀、熱熔膠槍、鋼鋸等完成減震模型（第1 代）的制作，其構(gòu)件如圖1 所示。

遇到的問題1：第1 代模型實(shí)現(xiàn)了磁懸浮的減震效果，當(dāng)施加外力時減震系統(tǒng)可以恢復(fù)初始狀態(tài)，但是沒有合適的彈簧作為緩沖裝置，并且只有4 個強(qiáng)磁鐵提供斥力，車身并不穩(wěn)定，無法保持水平，需要解決減震系統(tǒng)的平衡問題。

解決措施1：指導(dǎo)學(xué)生解決發(fā)現(xiàn)的問題，磁體間斥力太小則無法浮空，斥力太大則無法減震，選擇普通磁鐵代替強(qiáng)磁鐵，重新設(shè)計模型。第2 代模型的設(shè)計圖如圖2 所示。

第2 代模型改進(jìn)措施：在車的底盤上均勻布置普通小磁鐵環(huán)，使磁力均勻分布，增加穩(wěn)定性。完成模型實(shí)物如圖3 所示。

通過第1 代模型和第2 代模型的制作和測試，我們發(fā)現(xiàn)利用磁鐵同極相斥原理可以實(shí)現(xiàn)減震效果。學(xué)生設(shè)計的減震系統(tǒng)模型相較目前的減震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要密封，能夠增強(qiáng)乘客的舒適性，且易于維護(hù)。

遇到的問題2：學(xué)生完成了階段性目標(biāo)，需要將減震實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M裝到小車模型中進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

解決措施2：指導(dǎo)學(xué)生將減震模型組裝到超聲波避障小車中，制作帶有磁懸浮減震系統(tǒng)的小車模型。①將超聲波避障小車的核心部件組裝在木板上面（圖4）。②在木板的反面固定磁鐵，為了使車身穩(wěn)固，使用1 對大的環(huán)狀磁鐵，并在磁鐵兩端加裝木棍保持車身平衡（圖5、圖6）。③組裝后的第3 代小車模型如圖7 所示。

第三階段：磁懸浮減震小車模型測試

按下電源開關(guān)按鈕，用手遮住超聲波傳感器然后移開，小車即可正常運(yùn)行；運(yùn)行中的小車，連續(xù)近距離遮住超聲波傳感器，即可停止運(yùn)行。

磁懸浮減震小車模型，利用磁鐵同極相斥原理，使車身相對汽車底盤懸浮，不直接接觸，通過凹凸不平的路面時，磁鐵能夠?qū)崿F(xiàn)減少震動幅度的效果，增加乘客舒適性；因?yàn)闆]有機(jī)械裝置直接接觸，也不會發(fā)出金屬碰撞引發(fā)的響動，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

測試完畢，教師指導(dǎo)學(xué)生完成選修課堂實(shí)踐項(xiàng)目個人反思表（表4），做好實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^程的反思和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

研究性學(xué)習(xí)成果展示與評價

學(xué)生小組對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鬟^程進(jìn)行了梳理和總結(jié)。通過匯報與交流，既鍛煉了學(xué)生的演講表達(dá)能力，又促進(jìn)了學(xué)生合作學(xué)習(xí)意識的形成，學(xué)生能夠認(rèn)識到團(tuán)隊學(xué)習(xí)的重要性（圖7）。

此外，作為評價的一部分，教師與其他小組學(xué)生還對模型提出了建議，有助于學(xué)生更好地改進(jìn)模型：①設(shè)計的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵紤]實(shí)際應(yīng)用，要減小模型體積，按照合適的比例制作模型；②要保持車身的穩(wěn)定性，做好阻尼設(shè)置，減小震動的幅度；③磁體同極相斥時容易發(fā)生位移，要固定2 個磁體在正對位置以產(chǎn)生最大作用力。

拓展與應(yīng)用

遇到的問題3：目前是將減震系統(tǒng)設(shè)計到玩具車模型中，演示減震效果較好，但只是在玩具車?yán)锏膰L試。由于磁鐵質(zhì)量較大，應(yīng)用在體積更大的車上不現(xiàn)實(shí)，也就是說目前的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o法應(yīng)用到生活中的汽車上。

解決措施3：指導(dǎo)學(xué)生后期嘗試?yán)秒姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生同極相斥的磁作用力，減小減震器的體積，實(shí)現(xiàn)磁懸浮減震系統(tǒng)的更廣泛應(yīng)用。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中加深了對汽車基本構(gòu)造與原理知識的理解，了解了物理學(xué)科知識在日常生活中的拓展應(yīng)用。

教學(xué)反思

“汽車磁懸浮減震系統(tǒng)的探究與設(shè)計”課題，有助于學(xué)生學(xué)會合作學(xué)習(xí)，通過解決工程問題的研究性學(xué)習(xí)，完成了發(fā)現(xiàn)問題—背景調(diào)查—設(shè)計解決方案—創(chuàng)意設(shè)計提出方案模型—得出結(jié)論—評估與重新設(shè)計—展示與交流的工程設(shè)計流程，運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)的知識解決方案和技術(shù)達(dá)成了階段目標(biāo)。本次項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是在每周的課外拓展課堂及課余時間完成的，學(xué)生的項(xiàng)目研究時間有限，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰薷暮屯晟频牡胤竭€有很多，比如磁懸浮減震效果的量化指標(biāo)、設(shè)計部件的尺寸標(biāo)準(zhǔn)等，后期需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有助于學(xué)生深入完成研究性學(xué)習(xí)，開闊學(xué)生視野，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生合作學(xué)習(xí)意識的形成。教師引導(dǎo)學(xué)生做課題項(xiàng)目可以減少學(xué)生在研究過程中走彎路，更節(jié)約時間。但學(xué)生課余時間較少，學(xué)業(yè)壓力較大，教師沒有足夠的時間與學(xué)生一起設(shè)計并完善實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停辉谶x修課堂中開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的時間和空間均有限，教師要指導(dǎo)學(xué)生充分利用好課余時間完成研究性學(xué)習(xí)。

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