汽车磁悬浮减震系统的探究与设计

霍江雷 朱展望

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 forEducation，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，學习相关基础知识，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。

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。

（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。

（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。

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。

解决措施1：指导学生解决发现的问题，磁体间斥力太小则无法浮空，斥力太大则无法减震，选择普通磁铁代替强磁铁，重新设计模型。第2 代模型的设计图如图2 所示。

第2 代模型改进措施：在车的底盘上均匀布置普通小磁铁环，使磁力均匀分布，增加稳定性。完成模型实物如图3 所示。

通过第1 代模型和第2 代模型的制作和测试，我们发现利用磁铁同极相斥原理可以实现减震效果。学生设计的减震系统模型相较目前的减震系统结构简单，不需要密封，能够增强乘客的舒适性，且易于维护。

遇到的问题2：学生完成了阶段性目标，需要将减震实验模型组装到小车模型中进行进一步检验和完善。

解决措施2：指导学生将减震模型组装到超声波避障小车中，制作带有磁悬浮减震系统的小车模型。①将超声波避障小车的核心部件组装在木板上面（图4）。②在木板的反面固定磁铁，为了使车身稳固，使用1 对大的环状磁铁，并在磁铁两端加装木棍保持车身平衡（图5、图6）。③组装后的第3 代小车模型如图7 所示。

第三阶段：磁悬浮减震小车模型测试

按下电源开关按钮，用手遮住超声波传感器然后移开，小车即可正常运行；运行中的小车，连续近距离遮住超声波传感器，即可停止运行。

磁悬浮减震小车模型，利用磁铁同极相斥原理，使车身相对汽车底盘悬浮，不直接接触，通过凹凸不平的路面时，磁铁能够实现减少震动幅度的效果，增加乘客舒适性；因为没有机械装置直接接触，也不会发出金属碰撞引发的响动，基本达到了实验目的。

测试完毕，教师指导学生完成选修课堂实践项目个人反思表（表4），做好实验模型制作过程的反思和经验总结。

研究性学习成果展示与评价

学生小组对实验模型的制作过程进行了梳理和总结。通过汇报与交流，既锻炼了学生的演讲表达能力，又促进了学生合作学习意识的形成，学生能够认识到团队学习的重要性（图7）。

此外，作为评价的一部分，教师与其他小组学生还对模型提出了建议，有助于学生更好地改进模型：①设计的实验模型要考虑实际应用，要减小模型体积，按照合适的比例制作模型；②要保持车身的稳定性，做好阻尼设置，减小震动的幅度；③磁体同极相斥时容易发生位移，要固定2 个磁体在正对位置以产生最大作用力。

拓展与应用

遇到的问题3：目前是将减震系统设计到玩具车模型中，演示减震效果较好，但只是在玩具车里的尝试。由于磁铁质量较大，应用在体积更大的车上不现实，也就是说目前的实验模型无法应用到生活中的汽车上。

解决措施3：指导学生后期尝试利用电磁感应现象产生同极相斥的磁作用力，减小减震器的体积，实现磁悬浮减震系统的更广泛应用。

学生在学习过程中加深了对汽车基本构造与原理知识的理解，了解了物理学科知识在日常生活中的拓展应用。

教學反思

“汽车磁悬浮减震系统的探究与设计”课题，有助于学生学会合作学习，通过解决工程问题的研究性学习，完成了发现问题—背景调查—设计解决方案—创意设计提出方案模型—得出结论—评估与重新设计—展示与交流的工程设计流程，运用数学、科学的知识解决方案和技术达成了阶段目标。本次项目式学习是在每周的课外拓展课堂及课余时间完成的，学生的项目研究时间有限，实验模型需要修改和完善的地方还有很多，比如磁悬浮减震效果的量化指标、设计部件的尺寸标准等，后期需要进一步补充和完善。

项目式学习有助于学生深入完成研究性学习，开阔学生视野，有助于提升学生的学习能力，促进学生合作学习意识的形成。教师引导学生做课题项目可以减少学生在研究过程中走弯路，更节约时间。但学生课余时间较少，学业压力较大，教师没有足够的时间与学生一起设计并完善实验模型；在选修课堂中开展项目式学习的时间和空间均有限，教师要指导学生充分利用好课余时间完成研究性学习。

参考文献

[1] 林仕康．高中通用技术基于项目的学习教学模式研究[D]．上海师范大学．

[2] 苑晓，姜波．基于真实问题的项目式教学实践[J]．化工管理，2021（10）：23-24．DOI：10.19900/j.cnki.ISSN1008-4800.2021.10.012

[3] 韩叙虹．基于物理核心素养培养的STEM 教学的实践与探索——以“重现富兰克林的风筝实验”项目式学习为例[J]．中学物理，2018（5）：2-6．