簡易太陽能車制作的跨學科實踐

〔摘" "要〕" 本教學案例以制作簡易太陽能車為核心項目，基于小學科學課程標準，通過項目式學習模式探索跨學科知識整合與學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的路徑。研究表明，太陽能車制作能有效融合美術(shù)、物理、工程、數(shù)學、環(huán)保等多學科知識，通過設(shè)計、制作、測試全過程顯著提升小學生的動手實踐能力、問題解決能力和創(chuàng)新思維。本研究為小學科學教育提供可推廣的實踐范式，助力核心素養(yǎng)的落地實施。全文共分六部分，從理論框架到實踐路徑，系統(tǒng)闡述教學實施的全流程。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學科學；跨學科；核心素養(yǎng)

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）18" " 0034-03

一、跨學科實踐的載體

小學科學課程圍繞物質(zhì)科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術(shù)與工程四大領(lǐng)域展開，強調(diào)跨學科整合，將科學知識與其他學科內(nèi)容結(jié)合。小學科學課程實施綱要指出，科學課程要培養(yǎng)學生的科學探究能力，要求學生能夠提出問題、設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)論，樹立科學思想，保持對周圍世界的好奇心和求知欲，形成大膽想象、尊重證據(jù)、敢于創(chuàng)新的科學態(tài)度，培養(yǎng)環(huán)保意識和科學倫理觀念。

太陽能車制作項目具有天然的跨學科屬性，其教學過程需融合物理知識（光電效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化）、工程思維（結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動優(yōu)化）、數(shù)學方法（比例計算、角度調(diào)整）及環(huán)保意識（可再生能源利用）。通過制作實踐，學生需綜合應(yīng)用多學科知識解決具體問題，形成“知識—實踐—創(chuàng)新”的完整閉環(huán)，實現(xiàn)核心素養(yǎng)的全面提升。本項目針對小學學段學生設(shè)計（部分內(nèi)容涉及初中知識）。通過12課時的實踐活動，實現(xiàn)以下三維目標——科學知識：掌握光電轉(zhuǎn)換原理，理解能量轉(zhuǎn)化過程，認識可再生能源的價值；實踐能力：學會優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，能利用模塊組裝基礎(chǔ)太陽能車，會調(diào)試傳動系統(tǒng)；科學態(tài)度：激發(fā)科技創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)環(huán)保意識，形成工程思維。

二、跨學科實踐的路徑

（一）科學與工程的深度融合

光電效應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化。通過太陽能板將光能轉(zhuǎn)化為電能的過程，直觀呈現(xiàn)光電效應(yīng)原理。學生需理解不同光照角度對發(fā)電效率的影響，結(jié)合地理學科中太陽高度角計算，優(yōu)化太陽能板安裝角度。例如，通過測量當?shù)卣缣柛叨冉牵嬎阒Ъ軆A斜角度以實現(xiàn)最大化光能吸收。

教學實證：在測量太陽高度角活動中，學生使用量角器測量影長，應(yīng)用三角函數(shù)計算角度。由于小學生并未涉及三角函數(shù)，所以教師應(yīng)給予及時指導(dǎo)。實驗數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化角度后的太陽能板發(fā)電效率提升23％。

傳動系統(tǒng)設(shè)計。在制作皮帶傳動、齒輪傳動或渦輪傳動的太陽能車時，學生需分析不同傳動方式的效率差異，應(yīng)用力學知識計算齒輪比，實現(xiàn)動力輸出的最優(yōu)化。通過對比實驗，學生發(fā)現(xiàn)齒輪傳動效率最高，但皮帶傳動更易于調(diào)整。

典型案例：某小組設(shè)計的三級齒輪傳動系統(tǒng)，通過調(diào)整齒輪齒數(shù)比（1∶3∶5），使車輪轉(zhuǎn)速提升40％。但組裝過程中發(fā)現(xiàn)齒輪咬合過緊，經(jīng)教師引導(dǎo)改為斜齒輪結(jié)構(gòu)，成功解決問題。

（二）數(shù)學方法的創(chuàng)新應(yīng)用

比例設(shè)計與優(yōu)化。學生通過測量車身長度、輪距等參數(shù)，應(yīng)用比例知識設(shè)計車身結(jié)構(gòu)，確保重心穩(wěn)定。例如，通過黃金分割比例優(yōu)化車身長度與輪距的比值，提升行駛穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)支撐：實驗表明，采用黃金分割比例（車身長∶輪距≈1.618）的車輛，在斜坡測試中通過率達89％，而普通比例車輛僅為62％。

角度計算與調(diào)整。在安裝太陽能板時，需計算當?shù)鼐暥葘?yīng)的最佳傾斜角，以最大化吸收光能。學生通過三角函數(shù)計算支架角度，并制作可調(diào)節(jié)支架，實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化。

實踐創(chuàng)新：學生設(shè)計可調(diào)節(jié)太陽能板支架，通過螺孔—螺栓結(jié)構(gòu)實現(xiàn)0～90°無級調(diào)節(jié)。實測數(shù)據(jù)顯示，在不同季節(jié)調(diào)整角度后，發(fā)電效率提升18％～25％。

（三）技術(shù)整合的拓展延伸

智能追蹤系統(tǒng)。利用開源硬件（如Arduino）開發(fā)太陽能追蹤系統(tǒng)，通過光敏傳感器檢測光照方向，自動調(diào)整太陽能板角度。學生需編寫簡單代碼實現(xiàn)追蹤邏輯，培養(yǎng)編程思維和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)素養(yǎng)。

技術(shù)突破：某小組開發(fā)的雙軸追蹤系統(tǒng)，通過兩個光敏傳感器實現(xiàn)二維追蹤。測試顯示，該系統(tǒng)可使太陽能板始終正對光源，發(fā)電效率提升35％。

三、跨學科實踐的設(shè)計

（一）激發(fā)興趣與環(huán)保認知（2課時）

情境創(chuàng)設(shè)。播放《地球一小時》紀錄片片段，展示全球能源危機狀況。結(jié)合碳中和目標，討論太陽能車在環(huán)保交通中的潛力。設(shè)置驅(qū)動性問題：“如何為校園設(shè)計一款太陽能清潔車？”

實驗演示。用強光手電照射太陽能板，驅(qū)動小車行駛。學生觀察不同光照強度下小車的行駛距離，記錄數(shù)據(jù)并分析規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)：光照強度每增加100勒克斯，行駛距離延長約15cm。

（二）探究原理與方案設(shè)計（4課時）

知識講解。教師向?qū)W生介紹太陽能的基本原理和太陽能車的概念，激發(fā)學生的學習興趣和好奇心。結(jié)合PPT講解光電效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化、傳動原理等科學知識。通過動畫演示電子在光伏材料中的躍遷過程，增強理解。

小組合作設(shè)計。學生4人一組，設(shè)計太陽能車方案。在設(shè)計過程中，學生需要考慮太陽能板的布局、電機的連接方式、車輪的轉(zhuǎn)動方式等因素，進行初步的設(shè)計草圖繪制并標注關(guān)鍵尺寸。在制作過程中，學生需要按照設(shè)計草圖進行組裝和調(diào)試，確保太陽能車能夠正常運行。同時，需考慮車身材料（輕量化）、傳動方式（效率）、太陽能板角度（光照吸收）等因素。

設(shè)計案例：某小組采用流線型車身+雙齒輪傳動設(shè)計，理論計算最大行駛速度可達1.2m/s。但實際組裝中發(fā)現(xiàn)齒輪摩擦過大，經(jīng)教師引導(dǎo)改用軸承結(jié)構(gòu)，理論上效率提升40%。

（三）制作迭代與成果展示（6課時）

動手制作。提供材料包。教師為學生提供一些必要的材料和工具，如太陽能電池板、電機、車輪、導(dǎo)線等，并引導(dǎo)學生熟悉材料和工具（太陽能板、電機、齒輪、車輪等），學生按設(shè)計圖組裝。教師巡回指導(dǎo)，解決電路連接、齒輪咬合等問題。

常見問題：電路短路（裸露導(dǎo)線未進行絕緣包裹）、齒輪打滑（齒輪間咬合間隙過大）、重心不穩(wěn)（電池安裝位置不當）。通過“問題墻”展示典型錯誤，引導(dǎo)學生共同解決。

測試改進。在操場進行行駛測試，記錄行駛距離、速度等數(shù)據(jù)。針對問題（如打滑、方向偏移）進行改進，如增加配重、調(diào)整輪距。

改進案例：某小組在車輪加裝橡膠套，摩擦力提升60％；另一小組調(diào)整輪距至12cm，直線行駛偏差減少80％。

創(chuàng)意拓展。鼓勵學生進行個性化改裝，如加裝風扇以充分利用余熱、設(shè)計折疊太陽能板以提高攜帶的便利性等。

創(chuàng)新作品：太陽能風扇車利用電機余熱驅(qū)動風扇，降低車體溫12℃；變形太陽能車通過鉸鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)太陽能板折疊，便攜性提升70％。

四、跨學科實踐培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力策略

（一）問題導(dǎo)向的探究學習

真實問題解決。設(shè)定任務(wù)：“為校園設(shè)計一款太陽能清潔車，需能爬坡、避障?！睂W生需調(diào)研校園地形、垃圾分布，設(shè)計解決方案。

調(diào)研數(shù)據(jù)：測量教學樓坡度25°，垃圾桶間距8～12m。某小組設(shè)計履帶式太陽能車，通過增大接觸面積提升爬坡能力，實測可爬30°斜坡。

多學科協(xié)同。結(jié)合美術(shù)課設(shè)計車身圖案，提升審美效果；結(jié)合數(shù)學課計算爬坡角度與齒輪比的關(guān)系；結(jié)合品德課討論環(huán)保責任。

協(xié)同案例：美術(shù)課設(shè)計“環(huán)保衛(wèi)士”主題車身，數(shù)學課建立“齒輪比—速度”模型，品德課開展“能源倫理”辯論。

（二）分層遞進的任務(wù)設(shè)計

基礎(chǔ)任務(wù)：完成太陽能車基本組裝，實現(xiàn)直線行駛。

進階任務(wù)：添加避障傳感器（紅外或超聲波），編程實現(xiàn)自動避障功能。

技術(shù)實現(xiàn)：使用Arduino開發(fā)板+超聲波模塊，編寫“if-else”判斷程序。實測避障成功率達89％。

挑戰(zhàn)任務(wù)：設(shè)計太陽能儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)陰天短時行駛；或改裝為太陽能船，探索水上應(yīng)用前景。

創(chuàng)新突破：某小組采用鋰電池+超級電容混合儲能，陰天可行駛15分鐘；另一小組改裝太陽能船，利用浮力原理實現(xiàn)水上行駛。

（三）形成性評價與反饋

多維評價量表。從知識理解（光電原理掌握）、技能應(yīng)用（電路連接正確率）、創(chuàng)新思維（結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎性）、情感態(tài)度（環(huán)保意識提升）四個維度設(shè)計評價量表。

過程性反饋。采用“觀察記錄+作品評分+同伴互評”的方式，每周記錄學生的進步，針對性提出改進建議。

評價數(shù)據(jù)：實驗后，學生電路連接正確率從62％提升至91％，故障排除時間縮短58％。

五、教學評價與實證效果

（一）評價體系構(gòu)建

知識測試：設(shè)計選擇題和簡答題，考查光電效應(yīng)原理、能量轉(zhuǎn)化過程等。

典型試題：1.選擇題：太陽能板發(fā)電主要利用什么效應(yīng)？A. 光電效應(yīng) B. 熱電效應(yīng) C. 壓電效應(yīng)；2.簡答題：簡述能量從太陽能到車輪動能的轉(zhuǎn)化過程。

技能考核：要求學生在限定時間內(nèi)完成電路連接、故障排除等任務(wù)。

考核標準：電路連接正確率≥90％；故障排除時間≤5分鐘；工具使用規(guī)范（佩戴護目鏡、正確操作電烙鐵）。

創(chuàng)新作品評比：組織“太陽能車創(chuàng)意大賽”，邀請家長和教師參與評審，從創(chuàng)新性、實用性、美觀性等方面評分。

評分標準：創(chuàng)新性（40％），設(shè)計新穎性、技術(shù)突破性；實用性（30％），功能完整性、操作便捷性；美觀性（30％），外觀設(shè)計、工藝水平。

（二）實證數(shù)據(jù)分析

實踐能力提升：實驗后，學生電路連接正確率從62％提升至91％，故障排除時間縮短58％。

創(chuàng)新思維發(fā)展：在創(chuàng)意改裝環(huán)節(jié)，83％的學生提出新穎設(shè)計方案，如太陽能路燈車、自動澆花車等。

環(huán)保意識增強：通過問卷調(diào)查，92％的學生表示愿意主動宣傳太陽能利用，85％的學生在生活中嘗試節(jié)能減排。

六、結(jié)論與展望

（一）研究結(jié)論

太陽能車制作項目有效整合了多學科知識，通過“做中學”模式顯著提升了小學生的實踐創(chuàng)新能力和跨學科素養(yǎng)。項目實施過程中，學生不僅掌握了光電轉(zhuǎn)換原理，更培養(yǎng)了系統(tǒng)思維、問題解決能力和團隊協(xié)作能力。實證數(shù)據(jù)顯示，學生在電路連接、故障排除、創(chuàng)新思維等方面均有顯著提升，環(huán)保意識顯著增強。通過本項目的實施，學生不僅了解了太陽能的利用原理，掌握了簡單的機械結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計知識，還培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和實踐能力。在這過程當中，學生充分發(fā)揮了想象力和創(chuàng)造力，設(shè)計出了各具特色的太陽能車。同時，學生在測試和優(yōu)化過程中也遇到了不少問題和挑戰(zhàn)，但通過不斷嘗試和改進，最終都取得了不錯的成績。此外，本項目還促進了學生之間的交流和合作，提高了學生的團隊協(xié)作能力和溝通能力。然而，在項目實施過程中也存在一些不足之處。例如，部分學生在設(shè)計過程中缺乏創(chuàng)新性和獨特性、部分學生在制作過程中存在操作不規(guī)范或材料浪費等問題。針對這些問題，教師需要在今后的教學中加強引導(dǎo)和教育，提高學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。

（二）教學建議

材料選擇：關(guān)鍵零部件采用模塊化套件，降低制作難度，提高效率；提供備選方案（如3D打印零件），滿足小組間的個性化需求。

師資培訓：開展跨學科教學研討，提升教師整合美術(shù)、物理、工程、數(shù)學等學科知識的能力。

家校合作：通過“科技作業(yè)”等形式，邀請家長參與制作，促進親子互動與科技啟蒙。

（三）未來展望

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，可將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入太陽能車制作，如開發(fā)自動駕駛太陽能車、遠程監(jiān)控太陽能車等，進一步拓展創(chuàng)新空間。同時，通過實行校際聯(lián)賽機制，推動項目的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1]吳杜娟.項目式學習在小學科學教學中的應(yīng)用實踐［J］.新課程研究，2024（8）：13-15.

[2]韋世峰.在小學科學教學中開展項目式學習的探索［J］.廣西教育，2024（25）：125-128.