《自行车的故事》教学设计（通用17篇）
------前屿小学 于敏（2012.10.30）
一、教学目标：
1.了解自行车的演变过程、自行车的造型特点和功能作用。2.通过对自行车的绘画、设计，提高造型表现能力。3.感受工业设计美，培养学生的探索精神和热爱生活的情感。
二、教材分析：
1.编写思路。
本课属于“综合.探索”领域，选择各种各样的自行车为表现内容，贴近学生生活，可以在学习中感受美、发现美、创造美，培养学生热爱生活的情感。
以自行车为教学主线，训练学生搜集、选择、运用资料的能力。让学生在自行车的造型、功能演变中，了解自行车除了具有实用价值以外，还具有审美价值，感受工业设计的发展。
通过学习，让学生了解自行车的结构和款式，感受自行车的设计美，学习用各种工具材料绘画自行车，设计“个性化的自行车”，培养学生的观察力、表现力和创新精神。
三、教学重点、难点。
（1）重点：学画自行车。
（2）难点：激发学生的想象，完成个性化的设计。
四、课前准备。
1、（学生）油画笔、水彩笔、记号笔、中国画颜料、水粉笔等绘画材料任选一种
2、（教师）课件、各种自行车的图片资料、范画、各种绘画颜料和工具等
五、教学过程
1.导入新课。
(1)老师出示现代新款自行车的范图，让学生欣赏。提问：你看到的自行车有什么特点？(款式新颖，功能多样)（2）接示揭题：《自行车的故事》。2.拓展思维。
(1)课件展示，对比欣赏：早期的自行车和现代的自行车，儿童使用的自行车和成人使用的自行车，比赛的自行车和休闲的自行车，以及载重的自行车、电动自行车……
(2)了解、思考：①自行车有哪些样式？它们各具什么特点？②、从古到今，自行车是怎么演变的？ 学生分组，讨论交流。
(3)观察自行车范图，分析自行车由哪些部件构成的。学生课堂讨论交流。
（车轮、车座、车把、车铃和车身）
3、学生动手动脑，进行创作，教师巡视指导。创作要求：
(1)画一辆自行车或有关自行车的场景画。
4、学生作品展示。
（1）请同学把自己的画贴在展示板上。(2)请同学之间相互说一说所画的自行车故事。（3）课堂总结。
六.课后拓展。
本课选自人教版实验教材小学《数学》六年级下册, 研究内容为:蹬一圈, 自行车前进多少米。作为整个小学阶段的最后一课新授内容, 糅合了许多小学数学知识, 如圆、比、比例、正反比例的意义、排列等, 并且需要学生初步感受较复杂的数学模型的演绎推理过程。
●学习者特征分析
本节课需要学生应用圆的周长、反比例关系等知识铺垫, 可以说是小学阶段最后的拓展应用知识。内容难度比较大, 学生不易掌握, 特别是在学习“前齿轮齿数×旋转圈数=后齿轮齿数×旋转圈数”时, 学生要明白其中的道理比较困难。由于是小学阶段学生首次完整的建立解决生活问题的数学模型, 因此教学时要注意数学建模构建过程的完整性, 合理运用课件解决学生思考的难点。
学生需掌握有关圆的知识、比、比例、正反比例的意义、排列组合的知识。
●教学目标
知识与能力目标:建立解决“蹬一圈, 自行车能走多少米”的数学模型, 了解车轮周长和旋转圈数之间存在的反比例关系, 能解决简单的此类问题。
过程与方法目标:经历“提出问题—分析问题—建立数学模型—实际应用”的解决实际问题的过程, 获得运用数学解决实际问题的思考方法。
情感态度与价值观目标:通过解决生活中常见的有关自行车的问题, 了解数学与生活的广泛联系;初步感知变速自行车的变速原理, 鼓励学生创新, 同时培养学生正确合理的设计观念。
●教学过程
1. 导入
师:同学们有多少人会骑自行车?觉得自己骑得怎么样?都觉得不错啊。正好, 咱们学校正在举行自行车比赛, 想去看看吗? (播放Flash课件) 两位选手准备上场了, 你认为谁会获得胜利?说说你的理由。
在身体条件相当的情况下, 选手蹬踏自行车踏板的速度就基本是一致的, 蹬一圈踏板自行车前进的路程就决定了选手的成绩。
蹬一圈, 自行车所前进的路程和什么有关呢? (板书课题) 今天我们就来研究:蹬一圈, 自行车能走多远。请同学们翻开书第66页, 仔细阅读课本, 想一想蹬一圈自行车前进的路程和什么有关, 你认为应该研究哪些内容。 (学生阅读书本)
看完了吗?现在你打算研究什么? (根据学生回答板书:车轮、齿轮)
2. 研究自行车的结构
(1) 初步认识自行车前进路程的计算方法
师:车轮对自行车前进的路程有什么影响呢?让我们来看一段演示。 (学生看完后说一说自行车前进的路程应该怎样算)
师:车轮前进的路程等于车轮的周长乘以旋转的圈数。 (板书:车轮的周长×旋转圈数)
师:车轮的周长容易解决, 可蹬踏板一圈, 车轮是否也旋转一圈呢?那车轮旋转的圈数会不会和齿轮有关呢?
(2) 初步认识齿轮组对自行车前进路程的影响
师:老师这儿有许多齿轮, 你可以任意选择进行搭配, 模拟自行车前进的路程, 你认为那一组齿轮可以让自行车走得更快?为什么同样的自行车, 蹬一圈踏板, 前进的路程却不一样呢?
正如你们所想, 蹬一圈踏板, 自行车前进的路程确实和齿轮有关, 在车轮周长不变的情况下, 齿轮齿数差距越大, 自行车前进的路程越远。为了弄清出齿轮组对自行车的具体影响, 我们有必要进一步研究前后齿轮数据关系。
(3) 深入研究齿轮组对自行车前进路程的具体影响
师:老师这儿提供了四组齿轮组, 供大家研究 (如下图) 。观察时, 注意看齿轮上的标记, 同座的两位同学分工明确, 一人看前齿轮旋转圈数, 一人看后齿轮旋转圈数, 并记录下来。
哪组同学来汇报一下?
讨论一下, 从表中你发现这些数据有什么内在的关系?
预设学生两种回答: (1) 后齿轮旋转圈数=前后齿轮的比值; (2) 前齿轮齿数×所转圈数=后齿轮齿数×所转圈数。
师 (第一种情况) :看一看, 这位同学的发现和你一样吗?这也就是说前后齿轮的比值就是后齿轮旋转的圈数。 (板书:后齿轮旋转圈数=前后齿轮的比值) 还有什么发现?
师 (第二种情况) :哎?!其他同学有这个发现吗?看看是不是每组齿轮组都有这个特征?为什么乘积会相等?让我们来看大屏幕。
师:注意看前后齿轮有标记的齿, 当前齿轮的齿移动一格, 由于链条的关系, 后齿轮的齿也只能移动一格。前齿轮的齿要移动40格, 后齿轮也应该移动40格, 可是后齿轮只有20齿, 要转几圈?
这样来看刚才同学们的两个发现实质上是相同的, 前后齿轮的比值就是后齿轮旋转的圈数。
(4) 联系知识点, 形成知识建模
师:刚才, 我们共同研究了自行车的车轮和齿轮, 得出了两个结论。其一, 自行车前进的路程等于车轮周长乘以旋转圈数;其二, 后齿轮旋转的圈数等于前后齿轮的比值。这两个知识对蹬一圈, 自行车前进的路程有什么影响?看来我们有必要完整地研究一辆自行车。仔细看一看, 自行车是怎样运动的? (师做简单介绍)
有了这些知识, 现在你能不能解决“蹬一圈, 自行车能前进多少米”的问题?思考一下。
3. 巩固应用
师:比赛前同学们大多预测骑变速车的选手会获胜, 那变速车肯定和普通自行车有不相同的地方, 让我们来看看变速车的构造。仔细看看哪儿不一样呢?这样看得清楚吗?我们把它给拆开。你认为变速车为什么能变速?变速车一定会赢吗? (出示课件)
师:这儿有三道题, 难度逐渐增加, 你可以根据自己的学习情况任选一道解答。
A、1号选手所骑的自行车, 车轮直径1米, 前齿轮48齿, 后齿轮16齿, 蹬一圈前进多少米?
B、2号选手开始用40和20齿的齿轮组骑行, 他感觉速度太慢, 于是选择了48和24齿的齿轮组骑行, 速度增加了吗?
C、比赛的路程有628米, 2号选手自行车的直径是1米, 选择40和20的齿轮组骑行, 每秒蹬一圈, 多长时间可以骑到终点?
4. 拓展活动
师:今天这节课, 老师从同学们的研究中学到了许多新知识, 我发现你们已经能够用数学去解决生活的问题。实际上自自行车问世218年以来, 不断有科学家像你们今天这样去研究它, 不断有设计者设计出更好的自行车, 让我们来看看他们的设计。 (展示课件)
你们愿意用今天的知识去设计一辆未来的自行车吗?大胆想象, 把你的想法画在纸上, 可以标出相关的数据, 也可以只画出关键的部位, 我们比一比谁的自行车更先进! (教师引导学生有科学的设计观念)
同学们的设计都非常出色, 可仅仅学了今天的知识, 想设计一辆完美的自行车是很难的, 自行车还包涵了许多其他的知识, 但我相信随着知识经验的增加, 你们一定能设计出你所梦想的自行车。
今天我们在一起研究了“蹬一圈, 自行车能走多远”的问题, 我们经历了“提出问题-探索问题-解决问题”的数学探究活动的过程, 今后把这样的学习方法应用在其他知识的学习中, 你一定会取得了不起的成就!
●评价方法或工具
实验过程中, 采用“合作评价”、“延迟评价”等评价方式, 评价时要关注学生数学学习的水平, 更要关注他们在数学活动中所表现出来的情感与态度, 帮助学生认识自我, 建立信心。评价要考查学生在学习过程中情感的投入, 对数学兴趣极高, 积极参与活动、勇于探索, 不怕困难的学生, 即使观察有误或结论不是很出色, 也要高度表扬;对具有相反特性的学生, 教师要善于捕捉他一瞬间的“闪光点”, 激发其情。
设计过程中, 教师要鼓励学生大胆想象, 但同时也要让学生结合生活, 培养学生正确的设计观念。
●教学反思
思考一:在进行数学模拟实验时要考虑数据的准确性和实验的实效性。
在开始探索时, 我给出8个不同齿数的齿轮 (2个前齿轮, 6个后齿轮) 让学生任意进行选择, 用计算机模拟出蹬一圈, 自行车前进的路程。在这儿主要让学生感知同一辆自行车安装不同的齿轮组后蹬一圈, 其前进路程是不相同的。我们用计算机进行了精确的模拟, 车轮下可移动的标尺将给出准确的数值 (保留一位小数) , 让学生感受实验数据的真实性, 并能很快得出一个初步的概念:前后齿轮齿数的差距越大, 蹬一圈, 自行车前进的路程就越远。
思考二:模拟实验的生成预设要尽可能的简单, 符合小学生的年龄特点。
在研究齿轮组的运动关系时, 我给出4组齿轮组, 其齿数分别是 (48, 24) (40, 20) (48, 16) (40, 16) , 用计算机模拟齿轮转动, 前齿轮旋转一圈, 观察后齿轮旋转几圈。前三组均为整倍数关系, 通过前三组学生将很快发现其规律, 并验证第四组数据。从课堂表现来看, 这一环节的设计降低了学生思考的难度, 但知识形成的效果却毫不逊色。
思考三:教学设计要符合学生的认知特征, 不能盲目更改。
研究“蹬一圈, 自行车能走多远”这个问题, 实际上只研究车轮和齿轮两个部件。开始的设计, 我侧重于学生的想法, 根据他们的兴趣来研究问题。但在实际教学中, 我发现如果先研究齿轮组, 对学生的学习会造成很大的影响, 学生总是将思维停留在前后齿轮的比值越大, 自行车前进越远, 不容易回到车轮上。而先研究车轮, 学生将会得到自行车前进的路程等于车轮周长乘旋转的圈数, 而蹬一圈踏板车轮旋转的不是一圈, 它和齿轮又有关系……这样的思考方式更有利于学生形成数学建模。因此教师在进行教学设计时要注意学生的认知特点。
点评
《自行车里的数学》内容难度比较大, 学生不易理解和掌握。而授课教师能恰当把握教材要求, 合理运用教学方法, 充分运用多媒体辅助教学, 精心设计教学过程, 从教学目标的确立到教学过程的实施, 都立足于学生的主体性发展, 体现了课堂教学是促进学生发展的教学理念。
1.营造轻松、活泼、主动参与的学习氛围
教师通过谈话导入自行车比赛, 猜想谁会获胜, 引出要研究的问题:蹬一圈, 自行车前进多少米?激发了学生对新知识学习的兴趣和求知的欲望。从而引发思考, 培养学生善于提出问题, 以问导学、以问促学, 使学习目标具体明确, 为学生营造了轻松、活泼思维空间和主动学习的氛围, 把学生不知不觉地推到学习的主体地位上。
2.充分运用多媒体课件来优化课堂教学
本节课的教学设计多次运用了多媒体的动画演示, 特别是通过三组模拟实验, 一步步的引领学生研究, 最终得出解决问题的一般模式。这里的多媒体动画演示并不仅仅是传统意义上的板书或教具的替代物, 而是真正起到了解决重点、难点以及画龙点睛的作用, 同时也很大程度上让学生们有一种喜闻乐见的感受。
3.练习的设计有针对性并能层层递进
30年前，新四军纪念馆在盐城兴建时，江苏籍抗战女兵李春华向纪念馆捐献了这辆自己称之为“战友”的自行车。如今，已经93岁高龄的李春华，提起这辆自行车，都会抑制不住内心的思念，“每次回盐城老家，我都会去看望一下这个陪我南征北战40多年的‘战友’”。这辆车轴和车把上都染上了锈迹，经历了半个多世纪风尘的自行车，总能轻而易举地勾起老人对抗战年代的记忆。
无价的“满洲”自行车
李春华回忆，关于那辆自行车的故事，要追溯到1943年。当时，她是新四军3师8旅政治部敌工连的连长，刚带领着3名侦察员执行任务回来，在淮安与涟东交界的村庄，听到有吵闹的声音。循声而去，发现是几名日军正在村里抢老百姓养的鸡鸭。
“当时看到鬼子正一门心思地抢鸡抢鸭，他们的自行车、子弹袋就放在一旁旱沟边上，这是获取弹药装备的好机会。”李春华说，“于是我们就商量，先打两枪，吓跑鬼子，然后趁乱抢下自行车和子弹。”
不出所料，其中的几个日军被吓得直接跑进了附近的庄稼地，3名侦察员见势直奔子弹袋，而李春华则去抢自行车。刚跑到自行车前，一个日军向李春华冲过来，“我赶紧拔出手枪，那个鬼子看到了，转头就跑掉了”。
拿着战利品回归连队后，连队同意将这辆自行车留在李春华所在的连队，用于侦察工作。一年后，李春华奉命转入盐阜抗日根据地工作。临行前，连长将这辆铸有“满”字的自行车正式交付给她。
转眼40多年过去，这辆自行车的故事还在继续。1988年，时任中日合拍电视专题片《话说长江》的日方总编导、已经60多岁的佐田雅仁，来到盐城新四军纪念馆参观，看到展厅陈列的伪满自行车，核对车上的钢印号码后，他认定这是他当年参军时所使用的自行车。原来，佐田雅仁就是当年李春华拔枪吓走的那名日军。佐田雅仁联系到李春华，提出愿意用日本最好的轿车换回这辆自行车。毫无疑问，李春华拒绝了。
引开日军，解救被困群众
李春华抗日的故事，除了关于那辆自行车的，还有很多。
1922年，李春华出生在江苏省响水县西河口（现在的响水县响水镇上兴村）一户地主家。1940年8月，18岁的李春华在母亲的帮助下，成为新四军的一名女兵，并被分到了新四军3师8旅政治部敌工班。
“我干情报工作出色，总能提前打听到日本军队的行动计划，并马上通知部队和群众转移，当时，日军还悬赏800大洋，指明要我的人头。”
对于女侦察兵，每次情报工作都是一次惊险的经历。李春华撩起长袖，向《方圆》记者讲述手臂上一块至今仍能清楚分辨的伤疤的来历。
1941年夏季的一天，李春华到响水城侦察日军的防务，并很快完成了任务。按照往常的工作習惯，侦察兵到敌占区活动，会乘机散发一些新四军的传单、标语，让老百姓知道新四军就在他们的身边。“我照例边向城外撤退边散发传单，可能是发得太多了，传单很快被鬼子发现，他们就端着枪挨户搜查，把群众赶到街上，架上机枪，勒令‘不交出新四军就把你们统统杀死’。”李春华看见了，心想，“牺牲我一个人救下群众也值了。到时，跑得了就跑，跑不了也能把鬼子引开。”
于是，站在不远处的一块开阔地的李春华大声向日军喊道，“我就是新四军”，然后转身就跑。日军本来在城周围安装了电网，李春华也来不及思考，全身扑向电网，以最快的速度翻过电网继续跑，幸运的是电网没有通电，她最终逃出了日军的追捕。这个时候她才感到右臂的剧烈疼痛，原来手臂被铁丝网扎破了，一直在流血。
李春华说，现在这处伤疤周围都还是麻木的，当时医生诊断后告诉她里面断了一根神经。不过也算成功救下了群众，李春华觉得值得。
30多年后，李春华回到响水县，与当年的游击队员老陈聊天说起这件事，老陈兴奋地告诉她，那天他就在现场，事后他带了几个人在电网外查看，发现了血迹，担心受伤的新四军跑不远，需要帮助，就顺着血迹找出去一公里地。现在知道那名新四军还健在，老陈也很高兴。
一名硬朗的女战士
“最艰难的时候，为了躲避敌人的追击，睡过桥洞，在乱葬岗的棺材里过夜……”年纪轻轻的李春华，经历了很多难以想象的事情。1945年8月，日本投降，抗战终于告一段落，年仅23岁的李春华被调往苏北军区特务团任民运股干事，负责解决部队伤员安置及民运宣传工作。1950年，她又参加了著名的抗美援朝战争。
“在朝鲜待了7年才回国，然后我被分配到了锦州市委整风反右办工作。但我内心是反对反右的，所以工作期间一个右派都没有打，反而放走了好多所谓的‘右派分子’。”李春华小声向记者透露了这个事情，说完之后笑了起来，补充道，“我就是故意的”。
豪爽、宽厚的性格做派也让李春华在“文革”时期没有遭受太大的冲击，“我身正不怕影子斜，有一次造反派来我家踢门，我直接把那两个人掀翻在地，我当时的握力有75公斤，比普通男人还厉害。后来大概他们是怕了，就不敢来了。”李春华说。
然而，即使是那么硬朗的女战士，经过了70年的岁月，也老了，有了诸多毛病。李春华现在腿脚有些不好，用高射炮弹壳做成一副拐杖，每天拄着走路。吃东西消化不好了，孙子打电话给她买了一些促进消化的中药，她也很高兴。
而最近媒体的频繁登门造访，也让李春华有些应接不暇，“身体上有些吃不消”，但是老人又表示，“我没有丝毫不乐意，我老了，别的不能做什么，只希望通过我来回顾那个年代的故事，告诉大家，我们现在的生活，是千千万万的烈士用鲜血和生命换回来的。”李春华说。
5岁时，我读到了自行车的恐怖。
那时候，妈妈给我买了一辆小小的自行车，我一看到自行车这个我从未看到过的新鲜玩意儿很兴奋，一整天，我都在妈妈的陪同下，骑自行车。到了傍晚，妈妈下楼去煮饭，叮嘱我要小心骑，快撞到东西时要抓紧自行车上这个刹车，我点了点头，妈妈把房门关上，下楼了。我坐在自行车上开始自己摸索，我来到一个上坡，想从上面骑下来，刚走到第一个台阶，自行车就飞了似的冲了下去，我也被带了下去，速度快的惊人，我也害怕急了，这时我想到了妈妈的话，可怎么按刹车，自行车还是不停。“嘭”我撞在了墙壁的`拐弯处，脑袋被撞出了许多血，妈妈马上抱着我送去了医院包扎。我开始害怕这危险地自行车了。
10岁时，我读到了自行车的方便。
长大了，胆子也渐渐大起来，小时候那件事的警告，也对我没效果了，我缠着妈妈又给我买了辆自行车，决心开始学骑车。我骑上自行车，在没有大人陪同的情况下，竟不到半小时就学会了骑车，而且一次也没摔过。爸爸说是我以前都玩双滑轮、板车，也许就是这种锻炼，平衡力就提高了，自然就好骑了。妈妈说是以前自行车愧对过我，现在，开始还这个人情了。从这以后，我稍微路走远一点，就骑自行车去，方便极了!我想，这就是自行车还人情的方式吧!
在大街上，我看到有很多人在骑自行车，觉得他们很威风，因此我迷上了自行车，喜欢自行车的热情也越来越高，所以我也开始学骑自行车了。
刚开始学骑车，自行车上有两个保护轮，我很简单就学会了。之后爸爸把其中的一个轮子拆掉，成了三轮车，我有点害怕了，慢慢地骑上去，骑上去之后自行车不但没摇来摇去，还很平稳。我有了信心，骑着自行车走了几步，忽然自行车偏向了没有保护轮的方向，我摔了下来。摔倒后我知道了应该偏向有保护轮的方向骑比较容易。爸爸见我学得不错了，于是，把另一个保护轮也拆掉了，成了二轮自行车。这回我可是真的害怕了，没有了保护轮，自行车就会站不稳。我开始不愿意上去了，可是在爸爸地鼓励下，我渐渐地有了勇气。我骑上自行车，感觉有点害怕。这时候，我看见爸爸在后面扶着自行车，我信心十足地骑起来。经过几次练习后，我差不多会骑了。接下来，爸爸放开手让我骑，我掌握了刚才练习的要领，开始骑了。我的表现不错，就是车头方向控制不够平衡。
然后，爸爸要我练习转弯和上下坡。过弯道的时候，因为我已经有了一点经验，所以第一次就成功了;下坡时，爸爸提醒我说：“一定要注意刹车。”我记住爸爸的话，尝试起来。这次也取得了成功;最后我学骑上坡，上坡要花费很大的力气才骑得上去。我觉得我已经基本地掌握了骑自行车的要诀，在今后的日子里，我天天训练骑自行车。经过很多天的训练，终于学会骑自行车了，我特别高兴。骑自行车，是一项运动，它要非常用心才能练成好车技，它最大的优点就是能锻炼人的勇气。
每次我和爷爷出去玩，都能看到那些骑自行车的小朋友，我特别特别羡慕他们，觉得他们骑自行车的样子，太酷了。
回到家后我便向妈妈提出买自行车的建议，没想到妈妈特别愉快地答应了。买上自行车后，我一坐上去就能骑。有一次我骑着自行车出去玩，发现我的自行车和别人的自行车不一样，因为我的自行车后面多了两个小轮子。回家后我问爷爷。爷爷说那叫辅助轮。我要爷爷帮我取下来。可是，取下来后，我发现自己不会骑了，我一骑上车去，车子就仿佛喝醉酒一样，东倒西歪的。爷爷见了，赶忙在后面扶着我。不一会儿，我就掌握了平衡，学会了骑车，我特别骄傲。坐在车上扭着屁股，谁知道乐极生悲，碰到一个急转弯时，我重重地摔倒了。我不解地问爷爷：“我为什么会摔倒呢？”爷爷安慰我说：“转弯时骑太快，谁都会摔倒的。”我从地上爬起来，扶起自行车，继续练习骑车。这次骑得十分稳。
这真是愉快的一天呀！
1 自行车里程表的设计
自行车里程表用指针指示车辆行驶的瞬时车速, 用机械计数器记录车辆行驶的累计里程。用软轴驱动的传统车速里程表存在着很多的缺陷, 因为软轴在高速旋转时, 由于受钢丝交变应力极限的限制而容易断裂, 同时, 软轴布置过长会出现形变过大或运动迟滞等现象, 而且, 对于不同的车型, 转速里程表的安装位置也会受到软轴长度及弯曲度的限制。本文利用霍尔型非接触式转速传感器对里程进行测量。将霍尔元件安装在车前叉的一侧, 在轮圈侧面贴一个磁片。当磁片经过霍尔元件时, 霍尔元件输出端会产生脉冲输出, 单片机根据脉冲数计算里程。而如果光敏电阻的话, 光敏电阻对光特别敏感, 当白天行驶时, 外界光源将导致光敏电阻发出错误信号;光敏电阻对环境的要求相当高, 如果光敏电阻或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖, 光敏电阻就不能再进行准确测量;在雾天和雨天光敏电阻的测量的效果也不好。而编码器必须安装在车轴上, 安装较为复杂, 这样就会给用户带来很多不便。而霍尔元件不但不受天气的影响, 即使被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有影响。而且安装方便, 不受光线、泥水等因素影响的优点。
设计的总体思路假定轮圈的周长为L, 在轮圈上安装m个永久磁铁, 则测得的里程值最大误差为L/m。取m=1。当轮子每转一圈, 通过开关型霍尔元件传感器采集到一个脉冲信号, 并从引脚P3.4计数器T0端输入, 传感器每获取一个脉冲信号即对系统提供一次计数中断。每秒钟所获取的中断数目再乘以轮圈周长即为速度v, 在时间t内走过的总路程s为t个v的总和。当速度键按下时, LED切换显示当前速度v, 速度指示灯亮;若自行车超速, 系统发出报警提示, 指示灯闪烁;当时间键按下时, LED切换显示当前所用时间, 时间指示灯亮。当清零键按下时, 系统自动重新开始计数。没有任何按键操作时, 里程指示灯亮, 数码管显示里程值。该设计的总体框图如图1所示。
2 软件设计
程序部分主要由主程序、外中断0服务程序, TO中断服务程序、延时子程序等模块组成。主程序主要完成程序初始化和键盘处理, 外部中断朋及务程序由测量、计算、读数等部分组成, TO中断服务程序由计时、动态扫描显示、自行车停车判断等部分组成。从P3.4口输人的脉冲信号作为外中断0的中断请求信号, 采用沿触发方式。在测量速度时, 由于车轮转动脉冲信号的频率很低, 不适宜使用计数的方式进行测量, 所以采用测脉冲周期的方法进行测量, 用脉冲信号系统来控制计时信号, 通过计时数计算出脉冲周期, 用车轮的周长除以周期便可得到自行车的行驶速度。在测量里程时, 用脉冲信号个数乘以车轮的周长便可获得行驶里程。需要说明的是:脉冲信号周期和个数是同时测量的, 要做的只是用按钮开关S1切换显示。定时器TO的中断定时时间为5ms, 每中断一次计时变量n加1, 因此n的单位为5ms。例如:自行车车轮转一周对应的n值为100, 则对应的时间为0.5s, 由此可得自行车的速度为14.9km/li。如果n的值达到1000, 即5秒钟仍没有发生外部中断, 即表示自行车没有前进, n也被清零, 速度显示为0。读数采用三位显示, TO中断一次显示一位数, 中断3次就可以刷新一次数据, 即巧ms刷新一次数据。
3 安装与调试
传感器的安装与调试是一个关键。将它安装在前轮的位置, 把一块小永久磁铁固定在车轮的辐条上, 传感器要做作防潮密封后固定在前叉上, 使得车轮转动时磁铁从它的前面经过, 并使两者相遇时间隔尽量小。安装时, 要使磁铁的S极面向传感器的正面。判定磁铁极性方法是:把磁铁的两个极分别靠近传感器的正面, 当其 (3) 脚电平由高变低时即为正确的安装位置。传感器安装完成后, 转动车轮, 霍尔床暖气UGN3020的 (3) 脚应有脉冲信号输出, 否则说明两者的间隔偏大, 应缩小距离, 直至转动时 (3) 脚有脉冲信号输出为止。一般间隔为5mm左右, 如果向隔小于5mm仍无脉冲信号输出, 说明磁铁的磁场强度偏小, 应予以更换。
调试结束后, 把里程速度表安装在车把手上, 打开电源, 骑动自行车, 这时数码管显示的是速度, 如果要显示里程, 只要按一下S1, 如果要回到显示速度, 再按一下SI即可。
摘要：本文以单片机为核心计一种的自行车里程速度表, 里程和速度显示可进行切换, 采用三位数码管显示;最大可显示里程为99.9km, 显示最高速度可为99.9km/h。该里程速度表也可以用在电动自行车和速度不超过100km/h的摩托车上。
现在21岁的格雷·阿尔巴在16岁的时候发明了低座脚踏车。他的车后面装着一个车斗，可以让他的小妹妹坐进去。自行车前面的把手很灵活，高低可以自南调节。他现在在加利福尼亚从事汽车行业。他说：“无论制造脚踏车还是汽车，你都要全力以赴，一心一意。”(见图1)
新墨西哥州11岁女孩安德里花了1年的时间来装饰她的自行车。她用金粉、银粉和鲜亮的油漆打扮自行车，车子的外形很奇特也很时尚，在比赛中一举夺得大奖，她经常送这辆车子去参加自行车展览。
16岁的女孩子克里斯塔·莫兰正骑着她发明的水上自行车，这种自行车以在游泳池里行走。有一年她的腿摔坏了，双腿打了近一年的石膏夹板为了让那些腿部骨折的病人在卸掉石膏后更好地进行腿部力量恢复训练，她发明了水上自行车。这样可以利用水的浮力锻炼，又有趣又不吃力。(见图2)
美国洛杉矶市的阿瑟-迪尔仑喜欢处处与众不同，他设计了许多别具风格的自行车。在迪尔仑14岁时，他就开始用轮子制造东西，第一次就造了一架6英尺长的飞机模型。长大后，他仍然酷爱轮子，他的职业是房屋粉刷匠，但因为他太喜欢轮子了，就是在工作的时候都要穿着旱冰鞋。凭着他丰富的创新思想，阿瑟·迪尔仑创造了“艺术自行车”这门独特的事业，并决心将这项事业发扬光大。看见他的巨大的“超级”单轮自行车了吗?要骑动“超级”单轮自行车需三个人才行，迪尔仑在前面蹬脚踏板，同時还要另外两人在后面推。这辆大车黄色的外轮直径足有7英尺长，当它沿地面滚动时，迪尔仑必须保持与地面垂直的坐姿。而且车子没有刹车!(见图3)
【教材分析】
《自行车的科学》一课是青岛版〈科学〉五年级下册第22课，自行车是人民日常生活中应用最广泛的交通工具之一，学生并不陌生。但是自行车包括哪些科学知识，很少有学生进行专门的研究。为了让学生能够从科学的角度全面的探究，了解自行车的科学，通过对自行车的观察探究，从而培养学生全面科学的人事失误的能力，激发学生对科学探究的兴趣。【教学目标】
1、通过学习自行车的齿轮原理，知道齿轮连接在一起能为我们的生活服务，可以提高工作效率。
2、能在探究活动中认识到齿轮有相互咬合与用链条连接这两种连接方式，知道齿轮间不同的连接方式会表现出不同的特点。
3、培养学生观察、描述、分析、比较、运用等能力，体现合作交流的学习理念。【教学重点、难点】
学生有计划有目的的自主探究发现自行车上所应用的科学原理。
【 教学准备】
机械实验盒，幻灯片，实验记录表。关于自行车的相关资料、自行车实物或图片 【教学过程】
一、活动引入
1、（出示自行车图片）你对自行车了解些什么？ 有什么发现？
2、没有去转后车轮，它却自己转起了圈儿，这是什么在起作用？（随生回答，板书：链条连接齿轮的图示）【设计意图】：通过自行车的图片导入新课，能够引起学生观察探究自行车的兴趣。
二、探究新知
（一）了解齿轮的两种连接方式
1、在生活中你还见过哪些地方用到了齿轮？（学生举例）
2、（幻灯片出示：齿轮在生活中的应用图片）
师：观察，比较这些齿轮与自行车中的齿轮有哪些相同和不同之处。（重点引导学生认识到：有的齿轮是相互咬合在一起的，有的是用链条连接在一起的）
3、（出示相互咬合在一起的齿轮装置）让学生观察弄清齿轮的齿是相互咬在齿孔中的。（板书：齿轮咬合图示）
4、这两种方式连接的齿轮都给我们的生活带来了哪些好处呢？下面我们来研究。
【设计意图】：通过观察进行比较，能够弄清楚齿轮连接的好处。
（二）研究不同方式连接的齿轮的特点
1、请同学们以小组为单位，商量：组装的时候应该注意些什么？（生商议、汇报，幻灯片出示：⊙齿轮的齿要相互咬在齿孔中或链条孔中。）
2、分小组组装齿轮。
3、结合实验记录表格商议在实验的时候应该观察些什么? 怎样来观察才准确？各由谁来观察？
（1）、小组商议，教师适时给予指导。
（2）、全班交流，明确实验的方法和注意事项。（幻灯片出示）请注意：
⊙转轮子的时候不能太快，还应该在轮子上和支架上做上记号，数出的圈数才准确；
⊙应该小组几个人各有分工，有人数大轮的圈数，有人数小轮的圈数；有人看大轮的方向，有人看小轮的方向；
⊙边做实验边记录观察到的现象，特别是要及时记录两个齿轮各自转动的方向和转动的圈数。
4、分小组进行实验、记录，教师巡回指导。（学生实验的同时，教师将实验中的观察记录作为指导重点。
表1 操作提示 两个齿轮 相互咬合 在一起 齿数 转动的圈数 转动的快慢 转动的方向（顺时或逆时）转动 大轮 大轮 小轮 转动 小轮 小轮 大轮
我们的发现
表2 操作提示 两个齿轮 用链条连接 在一起 齿数 转动的圈数 转动的快慢 转动的方向（顺时或逆时）转动 大轮 大轮 小轮 转动 小轮 小轮 大轮
我们的发现
5、讨论实验发现。（全班交流，分两种方式汇报、分析，说清实验的发现与所思考的结论之间的联系，着重观察、分析两个齿轮的齿数之间的关系及转动圈数之间的关系，探索科学规律。）
6、比较两种方式连接的齿轮有什么相同或不同之处？（对照两张表格分析、比较）
7、师：下面我们用课件验证一下同学们的发现。（课件：齿轮场景）
【设计意图】：分组实验，利用科学的方法进行比较探究，能够激发学生的学习兴趣，并且提高学生科学探究的能力。
三、知识应用
1、师：要想知道自己家的自行车脚踏一转踏板车轮滚动几圈有什么方法？
2、指两名学生上台数自行车的两个齿轮的齿数，让全班学生推测脚踏板转一圈后轮会转几圈，说出推测的理由并演示进行验证。（这一活动让学生充分运用了本节课探究出来的科学规律，同时让学生体会到自行车给人们的生活带来的方便。）
【设计意图】：通过实践让学生深刻的理解自己所学的知识，学以致用。
四、课外延伸
1、运用已学知识，回家仔细观察自行车，各个部分分别属于哪种简单机械，各起什么作用？你认为还有哪些地方需要改进？动手试试看，并写出你的改进方案。
板书设计：
课时：
2课时
第一课时
认识自行车结构和功能并画出图片。第二课时根据所设计的图案制作自行车。
教学目的：
1.通过对自行车结构.功能的初步认识.指导学生设计自行车的草图。
2.培养学生富有创意的运用各种类型的材料.在创作中体验设计自行车美感.在创作与探索中.捕捉创作灵感.逐步形成创造性的构思。
3.通过讨论交流.相互启发.培养学生的动手能力和创新精神。
教学重点：
通过对自行车结构.功能的初步认识.指导学生设计自行车的草图。
教学难点：
创造性的利用各种材料.设计制作出有新意的自行车。
教学学具：
师：各种自行车的图片资料。
生：绘画工具及一些吸管.废光盘之类的材料。
第一课时
教学过程
一. 组织教学
二. 检查用具
三.欣赏与探索：
1.展开作品：
师：请同学们仔细观察：
这些自行车的共同点是什么?
请仔细观察和思考：它们的基本形是什么样?都有什么用?
生：思考.讨论.回答。
师：及时鼓励学生.并适时进行小结。(都有车头—像T字—掌握方向.轮子—圆形—行走.坐垫—坐.脚踏板—引导轮子滚动)
2.再次欣赏课件中的自行车.进行讨论.交流：
(1) 请先知道的同学谈谈自己的发现。(这些自行车与刚才所看到车有哪些相同的地方.有什么不同点)
(2) 其它同学可提出不同的意见。形成交流的课堂局面。
师：及时鼓励学生.并适时进行小结。
四：授新
1.总结学生发言.并进行简单范画：
师：真好.通过小朋友们的观察.大家发现了.不管什么样的自行车都有个扶手.轮子.坐垫.脚踏板.可是它们的外型却可以多种多样的.只要美观大方.好用就能让大家喜欢。今天我想请小朋友们来当一回小小设计师.设计一辆多功能的自行车。
2.欣赏其他学生作品.开拓学生的思维。
师：在当一名小设计师前.我们先去看看其他小朋友是怎么设计自己的自行车。瞧他们设计的`自行车根据需要都做了不同的改变.还进行说明。
五.布置作业：
师：小朋友们.我们都知道自行车的基本构造.想不想马上动手制作设计一辆吗?拿出你们的画笔.开动自己聪明的脑筋.画出一辆和其他人不一样的自行车。比一比谁的作品和别人不一样.最有创意。
六.设计与制作：
学生动手制作.教师巡视辅导。
七.展示.评价.反思：
1.对台上的作品进行评价。师生一起分享成功的喜悦。赞扬优点.提出建议。
2.如果再设计一次.你将在那些地方进行改进?
八.拓展：
今天我们初步学会设计自行车.下节课我们来动手制作自行车看看生活有哪些物品适合制作成一辆自行车.请大家开动脑筋准备一些材料。
第二课时
一. 组织教学
二. 复习导入授新：
1. 请同学们谈谈上节课所学的内容。说一说自行车的结构.组成部分。
2. 根据手中的材料说一说为什么选择这些材料。并且谈一谈要怎么利用这些材料。
3. 欣赏课本范图.讨论制作步骤。
三. 作业要求：
小组合作.比一比哪一组制作的最好。
四. 学生练习.教师巡视辅导。
五. 作业展评.让学生参与评选.评一评：
1.哪一组制作的应用的最好。
2.好在哪里?
大学校园具有空间相对独立、开放性强、活动人群以师生为主、内部交通以步行和自行车为主等特点,近年来大学校园成为自行车盗窃案件重灾区。作者对武汉某大学自行车盗窃案件的空间分布特点与规律进行了研究,数据来源于武汉某大学保卫部门提供的2006年至2015年间1832起自行车盗窃案件。本文利用频数统计及空间集中趋势分析方法,及Arc GIS10.3、SPSS等工具软件,对案件的时间、地点、类型等信息进行了数据分析与处理,并对其空间与时间分布特性进行了总结与分析,在此基础上,针对性地提出了大学校园自行车停放空间布局设计的建议。
2. 自行车偷窃案件空间分布特征
2.1 集中趋势分析
集中趋势分析可以发现案件在空间分布上整体向哪个地区集中,一般采用标准差椭圆分析方法,该方法可以确定案件分布中心及案件扩散程度。标准差椭圆的中心是案件分布的重心,大小代表了案件离散程度,椭圆的方向描述了案件扩散的方向。通过对某高校10年间1832起自行车盗窃案件的分析发现,案件高发区具有向学校南部主要教学区和办公区集中的特点,且分布较稳定。究其原因,主要是由于此类区域人流量较大、自行车停放集聚度高。研究还发现,近三年案件标准差椭圆大小略呈现扩大趋势,表明校园北部(休闲运动区)和东部区域(职工生活区)有可能成为新的自行车偷窃案件高发区。
2.2 分布核密度空间分析
核密度计算结果表明,自行车盗窃的热点集中在主要教学楼周边和图书馆等地,呈带状分布,并具有自行车停放集中、靠近学校出入口、外来人员出入方便等特点。次热点为学生公寓、大学生活动中心和集贸市场,呈点状分布,为学生次要活动区,有便捷道路通往校外。上述区域的共同特点是,街块面积较大、户外空间复杂、停车空间偏离主干道。案发冷点区域主要是教职工生活区域,及距离学校出入口较远的区域。
2.3 案件分布与用地性质的关系
案发空间分布研究表明,各区域发案率分别为:教学区53%,学生宿舍区19%,职工生活区10%,行政办公区5%,商贸区5%,运动区4%,绿化休闲区2%,公共服务区2%。显然,教学区是罪犯实施作案的主要场所。究其原因与教学区自行车停放量大、人流混杂且具有明显峰值特征及上课时停车空间缺乏监督有关。而由于学生宿舍来往行人较多,导致自行车盗窃案件发生相对较少。
研究发现,行政办公用地、教学区、学生宿舍区、职工生活区的盗窃强度分别为每公顷3.99件、3.32件、2.49件、0.66件。行政办公区之所以盗窃强度最高,主要由于行人流线不与该区域交织。由于职工生活区的自行车大多停放在建筑物内部,因此对盗窃案件发生起到抑制作用。
2.4 热点地区时空分布特征
研究发现,各热点区域按月份的案件发生趋势有明显差异。由于教学楼、图书馆等热点区域人流在时间上呈峰值特征,因此在人流较少的时间段,案发率增大。综上所述,可将学校各区域大致分为三种类型:一是“空间集簇与时间峰值型”区域,该类区域自行车停放密集,上下班期间人员混杂且人流量大,如主要教学楼、图书馆。二是“空间集簇与时间均匀型”区域,该类区域自行车停放密集,停车空间存在较多视线死角,如学生公寓、大学生活动中心、集贸市场等。三是“空间分散与时间均匀型”区域,该类区域由于偏离学校主要道路,人流量较小,或者位于建筑物背侧,受景观环境遮挡,人们视线无法到达的灰色地带,如职工生活区、距离学校出入口较远的实验大楼等区域及行政办公区等。
3. 校园自行车停放空间布局设计的建议
对“空间集簇和时间峰值型”和“空间集簇、时间均匀型”区域,建议集中设置自行车停车场,且停车场宜相对远离学校出入口,邻近校内道路,视线、视感良好,以提高被盗自行车转移的难度,并最大限度发挥行人的监控作用。同时采取禁止机动车随意停放、布设电子监控设施或配备专门人员值班等配套管理措施。
对“空间分散、时间均匀型”区域,一般不适合设置集中式停车场,建议采取在建筑物内设置集中或分散的自行车停放空间,充分利用其临近值班室、过道,及人员流动量较大等特点,同时还可采取在主要建筑物周边主要路口布设监控设施,安排人员进行巡逻等安防措施,减少自行车盗窃安全隐患。
参考文献
[1]毛媛媛,丁家骏.抢劫与抢夺犯罪行为时空分布特征研究——以上海市浦东新区为例[J].人文地理,2014,29(1):49-54
[2]陈龙.美国内布拉斯加州林肯市犯罪行为的聚类及热点分布分析[J].测绘与空间地理信息,2015,38(3):189-92
师:请同学们仔细观察: 这些自行车的共同点是什么? 请仔细观察和思考:它们的基本形是什么样?都有什么用? 生:思考,讨论,回答.师:及时鼓励学生,并适时进行小结.(都有车头—像t字—掌握方向,轮子—圆形—行走,坐垫—坐,脚踏板—引导轮子滚动)2,再次欣赏课件中的自行车,进行讨论,交流:
(1)请先知道的同学谈谈自己的发现.(这些自行车与刚才所看到车有哪些相同的地方,有什么不同点)(2)其它同学可提出不同的意见.形成交流的课堂局面.师:及时鼓励学生,并适时进行小结.四:授新
1,总结学生发言,并进行简单范画: 师:真好,通过小朋友们的观察,大家发现了,不管什么样的自行车都有个扶手,轮子,坐垫,脚踏板,可是它们的外型却可以多种多样的,只要美观大方,好用就能让大家喜欢.今天我想请小朋友们来当一回小小设计师,设计一辆多功能的自行车.2,欣赏其他学生作品,开拓学生的思维.师:在当一名小设计师前,我们先去看看其他小朋友是怎么设计自己的自行车.瞧他们设计的自行车根据需要都做了不同的改变,还进行说明.五,布置作业: 师:小朋友们,我们都知道自行车的基本构造,想不想马上动手制作设计一辆吗?拿出你们的画笔,开动自己聪明的脑筋,画出一辆和其他人不一样的自行车.比一比谁的作品和别人不一样,最有创意.六,设计与制作: 学生动手制作,教师巡视辅导.七,展示,评价,反思: 1,对台上的作品进行评价.师生一起分享成功的喜悦.赞扬优点,提出建议.2,如果再设计一次,你将在那些地方进行改进? 八,拓展: 今天我们初步学会设计自行车,下节课我们来动手制作自行车看看生活有哪些物品适合制作成一辆自行车,请大家开动脑筋准备一些材料.第二课时 一, 组织教学
1.知识容量大，教学过程清晰。先以回忆与自行车有关的知识为切入点，从学生已有的知识储备和生活经验出发，为学习自行车里的数学做好铺垫。然后通过质疑引入例题组织教学，让学生在说一说、试一试的活动中分两个层次由浅及深地全程参与到“蹬一圈能走多远”、“前齿轮转一圈后齿轮转几圈”的问题讨论过程中。让学生在教师的引导下，通过仔细的观察、动手操作、讨论交流、归纳总结，建立数学模型并收集数据计算出结果。最后通过一组同步练习巩固新知，通过一组开放题的练习拓展学生思维，进一步提高学生能力。
2.给学生充分的时间动手操作探究。在教学中重视学生的实际操作，从复习引入开始就让学生通过看一看、数一数等数学活动充分激活知识储备。在例题学习中让学生自行车，吧操作、探究和解决问题有机的结合起来，把学生放在了主体地位。
3.教学设计梯度明显，将知识点分为两个层次组织教学，指导学生由基础开始探究，理顺了探究知识的方法，遵循了由浅入深、扶放结合的原则。
4.教学时，密切联系学生的生活实际，从学生的生活经验和已有知识出发，引导学生开展观察、操作、推理等活动，获得基本的数学知识和技能。
近年来, 城市市中心交通拥堵问题日益突出。城市市中心是集金融、商贸和管理于一体的核心地带, 已成为交通拥堵的重灾区。虽然我国大多数城市已经提出了“公交优先”的思路, 但是公共交通没有充分发挥出自身的优势。一方面, 交通拥堵让生活在大城市的居民深受其害;另一方面, 更多的居民热衷于谈论小汽车家庭化。这种矛盾使得城市的交通拥挤不堪。
2原因分析
分析公共交通未能充分发挥其优势的原因, 旨在充分发挥公共交通的优势。
公交车:等候时间过长, 停靠站与交通起始地距离过远, 公交覆盖不完善, 舒适度不高等。
公共自行车:设施布局过于集中, 使用繁琐, 质量低劣等。
3便捷自行车停放设施的设计与使用
3.1便捷自行车停放设施的设计
便捷式自行车停放设施采用斜放式设计, 能见缝插针地安放在城市的各个地方, 方便人们存取自行车, 有效节约城市空间, 提高城市土地使用效率。便捷式自行车停放设施由底座、传送装置、自行车前轮固定卡、护栏、太阳能挡板、电子控制元件及相关部件组成。
3.1.1底座
底座是整个便捷式自行车停放设施的基础部件。底座整体为梯形造型。斜面为自行车支撑面, 支撑面长度2000mm, 倾斜度为60°, 使自行车与平放式停放设施相比占地面积节省一半。在支撑面中间有导轨, 导轨中装有传送带, 以便人们可以自如地存取自行车。左侧有一个突出的小盒, 是装置的操作界面。
3.1.2车轮固定卡
车轮固定卡是便捷式自行车停放设施的关键部位, 安装在底座上部的卡槽内。该部件内部含有电子感应元件及电子锁, 无车时是自然闭合的。
当需要存车时, 通过操作平台的相关操作, 皮带轮开始运转。当自行车前轮进入卡口附近, 电子元件将信号反馈给控制系统, 固定卡打开;当前车轮被固定卡内部原件感应, 信号反馈给控制系统, 使固定卡自动闭合, 皮带轮停止运转, 完成存车。
当需要取车时, 通过操作平台的相关操作, 皮带轮开始反转, 固定卡打开。当前车轮完全离开皮带时, 由感应原件将信号反馈给控制系统, 使皮带轮停止运转, 自行车固定卡自动闭合。
3.1.3护栏
护栏采用上凸半圆和流线型结构, 装在底座自行车支撑面导轨左右两侧相应位置, 起到使自行车保持直立的作用。由于自行车脚踏板离地较低, 为确保自行车能顺利推到相应位置, 后轮处护栏高度可调节。
3.1.4操作界面
操作界面安装在底座左侧的相应位置。界面上有“存车”“取车”二个按钮和一个“刷卡区”区域, 以完成便捷式自行车停放设施相应的存车和取车工作。
3.2便捷自行车停放设施的安装区域与供电
3.2.1便捷自行车停放设施的安装区域
确保小区内部每栋楼下的闲置区域放置一定数目 (具体数目按照每栋楼居民的实际需求) 的便捷自行车停放设施。
在大型商场、学校、公园、企业的可利用区域及新型公交站牌的侧面、后面及附近区域, 都可设立便捷自行车停放设施。
确保安装的自行车停放设施与存有公共自行车停放设施的比率为10:2, 并提出两套不同的收费标准, 以鼓励市民采用私有自行车出行。
3.2.2便捷自行车停放设施的供电系统
设施的耗电由自行车停放设施挡雨棚上的太阳能电池板和城市电网提供。表1为太阳能电池板平均一天可供设施使用次数计算结果。计算条件: (1) 以13.5kg的山地车为例 (长1.8m, 宽0.45m, 高0.9m) ; (2) 设定皮带轮提供80%的外力, 效率为90%; (3) 太阳能电池板的面积为 (0.6m×1.2m) , 转换效率为15%;太阳能辐射功率为1000k W/㎡, 每天有效辐射时间为8h, 一年有效辐射天数为160天; (4) 停放设施需要10s的时间将自行车传送至顶端。
参考文献
[1]青岛市运管局.青岛市公交站点设置新规范[N].青岛晚报, 2014-08-12 (3) .
[2]刘树萌.城市公交优先政策研究[D].上海:华东政法大学, 2012.
摘要：
人机工程学是人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和社会科学交叉形成的一门重要学科。它以人的生理、心理特征为依据,以提高人的工作、生活质量为目的,运用系统工程、信息理论和工程技术的观点和方法,研究人与机器,人与环境和机器与环境之间的相互关系,把人的因素作为系统设计的重要条件和原则,为机器设计成操作简便、省力、安全。本文注重在人机工程的基础上研究自行车的构造，分析自行车的结构，选择最适合人骑行的自行车构造体体系。
关键字：人机工程学 自行车系统设计 人的因素 人体工程学 心理特征 骑行姿势 人—机—环境系统 正文：
人机工程学作为一门新兴的学科，在认真研究人，机，环境三要素自身特性的基础上，科学地利用三要素之间的相互作用，相互依存的有机联系来寻求系统的优化。
最重要的关键在于车体尺寸的大小，能否有效均匀地分散骑乘者的重量，同时又可保持良好的平衡。座垫要调整到正确的高度，曲柄要与地面平行，如此膝盖下方突出的骨块就会直接位于脚踏轴心的上方。背部应该向前倾斜到至少45角，背部臀部及下背部强壮的臀肌才能在踩踏时有效施力。这种姿势会使身体重量移至双臂，此时手肘微微弯曲，手腕要打直，才能减缓行车时的震动。
在自行车的设计过程中，也或多或少产生了一些不符合人机工程学的问题，比如有一种比赛用的山地自行车没有装刹车，结果在某场比赛中发生碰撞，导致多人受伤；还有一些自行车设计得人车骑行设计不佳，造型结构不够美观，出现诸多问题。因此我们有必要对自行车的具体结构和人车系统进行全面的分析，从而使自行车的设计更人性化，合理化，也更加美观，符合人的理想人车环境。
一、人一自行车系统。组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由下图来进行分析。1.人与支撑部件关系
支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。
2.人与动力接受部件关系
动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。3.人与传动部件关系
传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。4.人与工作部件关系
工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。
二、影响自行车性能的人体因素
影响自行车性能的人体因素很多，如图所示。现主要分析下述几点：
1.人的体格因素
以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例，并有与H2、H3成比例的特性。如手
臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于H的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与 H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与 H2成比例，作功能力和 H3成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有20％以上的偏差。2.人的下肢肌力
自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力。人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为每平方厘米40--50N，通过一定训练的人可提高到65N。3.人的输出功率
人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（0.51 kw)，能持续 10s左右。如果持续时间长，其值要小得多，持续 lh，大约只有 1.0-0.7马力（0.07-0.15kw）。4.人的脚踏速度
自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70 次／min，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。5.人的平衡机能
骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的自行车也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖自行车设计上的某些缺陷6.人的手和握力
影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10％左右便能得到必要的减速度。7.人的疲劳
人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有自行车结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。
8.人的视觉
人在垂直平面内的最大视区为标准线以上50º和标谁视线以下70º。在一般状态下，站立时自然视线低于标准视线10º;坐着时，低于标准视线15º，在松驰状态下, 站着和坐着的自然视线偏离标准视线分别为30º 和38º，观看展示物最佳视区在低于标准视线30 区域内。
三、自行车设计结构要素分析
影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。为了获得自行 车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。1.速比
大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。2.曲柄长度
传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 1／10，也相当于大腿骨长的 1／2。3.三接点位置
正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的。4.鞍座位置
鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行。5.车闸
设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。
四、人一车动态特性分析 1.动态稳定性
自行车的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图 1-5(a）。显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。
2.力学特性
自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑车人有关，但更重要的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。
3.转向特性
自行车转弯时可能有三种情况：
人-车系统动态特性
人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图(b)；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图（c）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转，见图(d))。
1、通过对自行车结构，功能的初步认识，指导学生参与设计自行车2、引导学生在创作中体验设计自行车的美感，在创作与探索中，捕捉创作灵感，逐步形成创造性的构思。
2、通过讨论交流，相互启发，培养学生的动手能力和创新精神。
教学重难点：
把自己有新意的自行车的设计想法，用绘画的方法设计制作出有新意的自行车。
教具学具：绘画工具
教学过程：
一、谜语导入：一匹马儿真正好，没有尾巴没有脚，不喝水来不吃草，骑上它就满街跑。
二、播放课件，了解自行车的发展
三、欣赏与探索
1、课件出示图片:
师:请同学们仔细观察: 这些自行车的共同点是什么?
请仔细观察和思考:它们的基本形是什么样?都有什么用?
生:思考,讨论,回答.
师:及时鼓励学生,并适时进行小结.(都有车头-像T字-掌握方向,轮子-圆形-行走,坐垫-坐,脚踏板-引导轮子滚动)
2、再次欣赏课件中的自行车,进行讨论,交流:
(1) 请先知道的同学谈谈自己的发现.(这些自行车与刚才所看到车有哪些相同的地方,有什么不同点)
(2) 其它同学可提出不同的意见.形成交流的课堂局面.
师:及时鼓励学生,并适时进行小结.
四、讲授新课
1、总结学生发言,并进行简单范画:
师:真好,通过小朋友们的观察,大家发现了,不管什么样的自行车都有个扶手,轮子,坐垫,脚踏板,可是它们的外型却可以多种多样的,只要美观大方,好用就能让大家喜欢.今天我想请小朋友们来当一回小小设计师,设计一辆多功能的自行车.
2、欣赏其他学生作品,开拓学生的思维.
师:在当一名小设计师前,我们先去看看其他小朋友是怎么设计自己的自行车.瞧他们设计的自行车根据需要都做了不同的改变,还进行说明.
五、布置作业
师:小朋友们,我们都知道自行车的基本构造,想不想马上动手制作设计一辆吗?拿出你们的画笔,开动自己聪明的脑筋,画出一辆和其他人不一样的自行车.比一比谁的作品和别人不一样,最有创意.
六、设计与绘制
播放音乐，学生动手设计,教师巡视辅导.
七、展示,评价,反思
1、对台上的作品进行评价.师生一起分享成功的喜悦.赞扬优点,提出建议.
2、如果再设计一次,你将在那些地方进行改进?
八、板书设计
我设计的自行车
教学反思：
本课是以引导学生富有创意的运用刮蜡画手段来表现自行车、创造自行车，从而培养学生的想象能力、自主学习能力和创新精神。
在课的设计上，从学生实际的出发，以学生喜爱的猜谜导入，激发学生的学习兴趣，然后，通过学生欣赏有史以来的各种自行车图片，再创设情景，认识自行车的结构，了解未来自行车的功能，为创作自行车打下基础，激发学生学习的兴趣。培养学生的创造力是美术教学的重要目的，本节课充分发挥学生的想象力、创造力，通过小组讨论交流设计未来自行车，然后学生动手刮画。以此来拓展学生思维，为他们进一步创作提供了广阔的空间。
这节课最大的不足就在于学生的基础较差、创作的时间不够，指导学生在刮画自行车时，注重自行车整体造型的美观，学生的创新意识不够，品平时，比较匆匆。最后可以安排一个课后拓展，鼓励学生利用其他材料，充分表达自己的丰富多彩的想象，设计出更有创意、更美观的自行车。
关键词：电动自行车,控制系统,无刷直流电动机,PIC16F72,PID控制
0 引 言
随着社会的不断进步,人们生活水平的提高,环境保护和能源节约问题已经越来越受到重视,开发“零污染”、高效率的绿色环保电动自行车代替已成为一个不可逆转的趋势,且具有良好的发展前景。近年来,无刷直流电机(BLDCM)以其体积小,结构简单,功率密度高,输出转矩大,动态性能好等特点而得到了广泛应用。在电机的数字调速控制中,选择高效可靠的单片机将使控制系统的硬件电路简单可靠、软件编制方便,系统整体性能得以提高。
PIC系列单片机是采用精简指令集RISC技术、哈佛总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的电动自行车控制系统是一个以PIC16F72单片机为核心,无刷直流电机为控制对象的系统。
1 PIC16F72单片机的功能简介
PIC16F72单片机内部有2 KB的 FLASH程序存储器和128 B的RAM数据存储器;不仅采用精简指令集RISC技术,而且还采用哈佛总线结构,两级流水线操作,提高了指令执行速度。
此外它还具有22个I/O引脚,与电源掉电复位的功能,内置的外围含3个定时器(Timer0～Timer2)、一个捕捉/比较/PWM(CCP)模块和一个同步串行通信端口SSP。该系统利用PIC单片机此脉宽调制模块输出脉宽可调的信号,实现无刷直流电机调速。
2 电动自行车控制系统的设计方案
2.1 系统的硬件设计与原理
这里设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成:以PIC16F72单片机为主控电路,其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护;以IR2132S为核心的驱动、逆变电路,其主要功能是利用IR2131S的自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流;位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围保护、辅助电路,其主要功能有完成对信号的采样、对电路的供电、提供显示信号、发出报警信号等功能。系统原理框图如图1所示。
该系统的基本原理是:PIC单片机的PWM 输出端口经驱动芯片,驱动6个功率场效应管,由其组成的三相全桥驱动电路对电机进行控制,位置检测和电流检测形成负反馈,位置检测的同时可以计算出电机转速参数,因此可以对电机进行位置环、速度环和电流环的三闭环控制。位置参数由无刷直流电动机自带的霍尔元件测出,并由PIC16F72的C端口进行捕捉定位,反馈的电流量是通过检测旁路电阻上的压降实现的,由PIC自带的A/D进行采样、转换。无刷直流电机的速度、电流双闭环控制如图2所示。
2.2 系统的主要控制电路设计
(1) 位置检测与速度检测电路。
在无刷直流电机的控制中,磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动的无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流,以达到在电机定子线圈中通以互差120°的方波电流,才能正常运行。本系统的位置信号采样是通过无刷直流电动机本身自带的霍尔元件检测的,由于霍尔元件是集电极开路输出,其输出信号经过上拉电阻得出位置方波信号,再经过隔离电路送到PIC的C口对应引脚进行位置信号的捕捉。
为了使电路尽可能的简单,降低成本,该系统没有专门设置速度检测装置,而是利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速,并通过软件运用算法测速,从而实现转速反馈。
(2) 电流检测电路。
电流检测是限流驱动的基础,是系统电流环控制的重要环节,该方案采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值的分流电阻,通过测量电阻的电压,来测量直流回路的电流,这种方案对于A/D转换的精度和软件数据处理有一定要求,但是造价很低。
(3) 驱动、逆变电路。
该系统采用MOSFET组成逆变器的变换电路。由于半桥逆变器的控制比较复杂,需要6组控制信号,电机三相绕组的工作也相对独立,必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单,只需三组独立控制信号,且任一时刻导通的两相电流相等,只要对其中一相电流进行控制,另外一相电流也得到了控制。因此该方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通,并选取美国国际整流公司推出的MOS功率器件专用的栅极驱动集成电路IR2132S。
(4) 电机调速方案。
直流无刷电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压调速。其中改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。该系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制(PWM)控制电动机电枢电压,实现调速。
常用的PID控制算法分为位置式控制算法和增量式控制算法。位置型PI算法的表达式为:
式中:e(t)是输入;u(t)起控制作用;Kp为比例系数;Ti为积分时间常数。
增量型算法表达式为:
式中:q1=Kp(1+T/Ti);q2=-Kp。
该系统电流调节器用PI调节器,速度调节器为改进的PI调节器,且都采用增量式控制算法。对于速度环的控制采用改进的PI算法即积分分离PI算法实现。该算法的表达式为:
式中:Δe(kT)=e(kT)-e(kT-T)。
积分分离算法要设置积分分离阀E0,|e(kT)|≤E0时,采用PI控制可保证系统的控制精度;当|e(kT)|≥E0时,也即偏差较大时,采用P控制直接使超调量大为降低。
2.3 系统软件设计与实验结果
软件设计是整个控制系统设计的核心部分,它将直接决定了整个控制系统的控制质量和它的效率,决定系统输出信号的特性,包括电流大小及稳定度、谐波含量、保护功能的完善、可靠性等。PIC芯片是在其专门的软件开发环境Mplab进行程序编写与仿真的,这给开发者设计调试程序带来了极大的方便。该系统软件设计重点是主程序和中断服务程序,其流程图如图3和图4所示,其中T0用于计算换相时间,且采用汇编语言编写程序。
该系统采用36 V,250 W的无刷直流电机,用示波器测得电机某相在V1,V2(V1<V2)转速下电压波形如图5和图6所示。
由图5和图6可知,V1转速下该相导通时间比V2转速下短,即一个周期内该相电压有效值U1<U2,满足系统设计要求。
3 结 语
这里设计的基于 PIC16F72单片机电动自行车的无刷直流电机控制系统,充分利用了PIC单片机丰富的片内资源,高效的运算处理能力,及便捷的 PWM功能,大大简化了硬件结构。系统总体设计遵循了可靠、简单、实用的原则。该系统设计对无刷直流电机在其他领域实际的产品设计有一定的帮助和借鉴。
参考文献
[1]黄涛,马建国.电动自行车的无刷直流电机控制设计[J].伺服控制,2007(1):17-19.
[2]胡宝兴,贾颖莲,姜伟.电动自行车用无刷直流电动机控制器的设计[J].微特电机,2006(12):10-13.
[3]骆娇.基于AVR单片机的电动自行车控制系统研究[D].大连:大连理工大学,2005.
[4]张红娟,李维.基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统[J].机电工程,2005,22(2):10-12.
[5]吴金友,李艳丽,范蟠果.无刷直流电机控制系统在电动自行车上的应用[J].电机与控制应用,2008(1):63-65.
[6]贾桂丽,高延滨,初德进.基于ST7FMC的电动自行车用无刷直流电机控制器[J].应用科技,2008(1):61-64.
[7]顾铭.无刷直流电机控制系统设计[D].大连:大连理工大学,2006.
[8]宋慧滨,徐申,段德山.一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化[J].现代电子技术,2008,33(3):122-124.
[9]薛辉,王丛岭.基于单片机采用PID算法的电机运行控制系统设计[J].机床电器,2006,33(1):51-52.
【《自行车的故事》教学设计】推荐阅读：
妈妈的自行车350字作文11-03
未来的自行车小学优秀作文06-22
我家过去的自行车五年级作文09-13
关于学骑自行车的日记500字06-02
关于电动自行车的电视宣传广告词06-16
六年级下册数学《自行车里的数学》教案07-19
我的拿手好戏骑自行车作文400字07-21
学骑自行车的日记小学生优秀日记10-27
自行车经典标语07-12
自行车我的最爱 我的拿手好戏作文400字06-28
