一、引言：從生活觀察到科學探究的橋梁演講人CONTENTS引言：從生活觀察到科學探究的橋梁助行器的穩(wěn)定功能：從結(jié)構(gòu)到原理的深度解析支撐面與重心投影的關(guān)系行走輔助功能：從“支撐”到“助力”的設(shè)計邏輯實踐探究：設(shè)計一款“我的助行器”總結(jié)：從助行器看“科學服務生活”的本質(zhì)目錄2025小學五年級科學下冊助行器的穩(wěn)定與行走輔助功能課件01引言：從生活觀察到科學探究的橋梁引言：從生活觀察到科學探究的橋梁作為一名長期關(guān)注青少年科學教育的小學科學教師，我常帶著學生觀察生活中的“科學工具”。去年深秋的課間，我注意到隔壁班張奶奶來接孫子時，手中的木質(zhì)助行器引起了孩子們的好奇——“為什么奶奶走路要扶這個架子？”“它為什么不會倒？”“輪子和腳釘有什么區(qū)別？”這些問題像小火星，點燃了我們本學期“工具與技術(shù)”單元的探究熱情。今天，我們就以“助行器的穩(wěn)定與行走輔助功能”為主題，從科學視角拆解這個“行走好幫手”。02助行器的穩(wěn)定功能：從結(jié)構(gòu)到原理的深度解析穩(wěn)定功能的核心結(jié)構(gòu)組成要理解助行器為何能穩(wěn)定支撐，首先需要拆解它的“骨骼”。通過觀察醫(yī)院康復科的助行器（經(jīng)許可借用教學）和學生從家庭收集的舊款助行器，我們總結(jié)出其核心結(jié)構(gòu)包括三大系統(tǒng)：穩(wěn)定功能的核心結(jié)構(gòu)組成支撐框架系統(tǒng)這是助行器的“主骨架”，通常由鋁合金、鋼或工程塑料制成。以常見的四腳助行器為例，其框架呈“U”型或“O”型，兩側(cè)豎桿高度可調(diào)節(jié)（刻度范圍多為70-100cm），橫桿連接兩側(cè)豎桿形成支撐面。我曾測量過爺爺?shù)闹衅?，鋁合金框架重量僅1.8kg，但能承受120kg的壓力——這得益于材料的“強度-重量比”設(shè)計，既輕便又穩(wěn)固。底腳接觸系統(tǒng)底腳是助行器與地面的“接觸面”，常見類型有三種：橡膠腳釘（無輪）：底部有深紋防滑設(shè)計，接觸面積約80-120cm2（相當于成年人大手掌大?。o摩擦系數(shù)可達0.8（普通瓷磚表面靜摩擦系數(shù)約0.6）；單向輪（前輪帶輪，后輪腳釘）：輪徑5-8cm，輪面有彈性橡膠包裹，滾動摩擦系數(shù)僅0.02，適合需要小范圍移動的場景；穩(wěn)定功能的核心結(jié)構(gòu)組成支撐框架系統(tǒng)萬向輪（四輪帶剎）：輪體可360旋轉(zhuǎn)，剎車裝置為腳踏式，按下后輪體鎖定，摩擦系數(shù)瞬間提升至0.7。去年帶學生參觀康復輔具廠時，工程師特別強調(diào)：“底腳設(shè)計是穩(wěn)定的第一道防線，就像桌子的桌腳——接觸面積越大、摩擦系數(shù)越高，越不容易打滑?！敝匦恼{(diào)節(jié)系統(tǒng)助行器的扶手高度調(diào)節(jié)裝置（多為卡扣式或旋鈕式）是重心調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。根據(jù)人體工程學數(shù)據(jù)，健康成年人自然站立時，手肘彎曲15-20時的高度最舒適（約為身高×0.45）。若扶手過高，用戶需踮腳支撐，重心會后移；若過低，用戶需彎腰，重心前移超過支撐面，就容易摔倒。我曾記錄一位術(shù)后患者的使用數(shù)據(jù)：當扶手高度比標準低5cm時，其行走時身體前傾角度從12增至28，支撐面投影超出底腳邊緣的概率從5%升至35%。穩(wěn)定功能的科學原理：從物理課本到生活實踐理解了結(jié)構(gòu)，我們需要用科學原理解釋“為什么這些結(jié)構(gòu)能讓助行器穩(wěn)定”。結(jié)合五年級科學已學的“力與運動”“摩擦力”知識，我們可以從三個維度分析：03支撐面與重心投影的關(guān)系支撐面與重心投影的關(guān)系物理學中，物體穩(wěn)定的基本條件是：重心的垂直投影必須落在支撐面內(nèi)。助行器的支撐面由四個底腳的著地點圍成（四腳助行器支撐面約為40cm×30cm的矩形）。當用戶雙手扶在扶手上時，人體與助行器組成的“系統(tǒng)重心”需落在這個矩形內(nèi)。我們曾用模擬實驗驗證：將1kg的沙袋（模擬人體上半身）固定在扶手高度處，當沙袋垂直投影在支撐面內(nèi)時，推動助行器需3N的力才會傾倒；若投影移出支撐面10cm，僅需1.2N的力就會翻倒。摩擦力的“穩(wěn)定錨點”作用底腳與地面的摩擦力是阻止助行器滑動的關(guān)鍵。以橡膠腳釘為例，當用戶向前移動時，腳釘與地面產(chǎn)生靜摩擦力（方向與運動趨勢相反），防止助行器“溜走”。我們用彈簧測力計測試不同材質(zhì)地面的摩擦力：在瓷磚上，腳釘靜摩擦力為8N；在木地板上為12N；在濕滑的大理石上僅4N——這解釋了為什么醫(yī)院走廊會優(yōu)先使用防滑地磚，也提醒我們雨天使用助行器要更小心。支撐面與重心投影的關(guān)系框架結(jié)構(gòu)的“抗傾倒”力學特性“U”型框架的兩側(cè)豎桿與橫桿形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（三角形具有穩(wěn)定性是五年級已學內(nèi)容）。測試數(shù)據(jù)顯示：當向左側(cè)推動助行器時，右側(cè)豎桿與橫桿的夾角保持60不變，框架形變量小于0.5cm；若將框架改為方形（非三角形連接），相同推力下形變量達2.3cm，傾倒風險顯著增加。04行走輔助功能：從“支撐”到“助力”的設(shè)計邏輯行走輔助功能：從“支撐”到“助力”的設(shè)計邏輯穩(wěn)定是基礎(chǔ)，助行器的核心價值在于“輔助行走”。通過對比不同類型助行器（固定式、輪式、助行椅）的使用場景，我們發(fā)現(xiàn)其輔助功能圍繞“省力”“控速”“適應不同地形”三個目標展開。省力：減少行走中的肌肉負擔健康人行走時，雙腿承擔全部體重；使用助行器后，雙手可分擔20%-40%的體重（具體比例因扶手高度調(diào)節(jié)而異）。這一功能的實現(xiàn)依賴于“力的分解”原理：當用戶雙手下壓扶手時，手臂的推力通過框架傳遞到底腳，與地面的支持力形成向上的分力，從而減輕雙腿壓力。我們用壓力傳感器做過實驗：一位60kg的用戶正常行走時，單腿承受30kg壓力；使用助行器且扶手高度合適時，單腿壓力降至18-24kg，相當于“每走一步節(jié)省了12-18kg的負擔”?？厮伲簭摹氨粍又巍钡健爸鲃诱{(diào)節(jié)”輪式助行器的剎車系統(tǒng)是控速的核心設(shè)計。以某款康復型助行器為例，其剎車裝置為“常閉式”——未踩剎車時，輪體自由滾動（適合平路快速移動）；輕踩剎車桿，剎車片與輪軸接觸，滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ粒俣冉档?；完全踩下時，輪體鎖定，變?yōu)椤澳_釘模式”（適合上下臺階或斜坡）。我們模擬斜坡行走（坡度10）：未剎車時，助行器從靜止開始5秒內(nèi)加速至0.8m/s；輕踩剎車后，5秒內(nèi)僅加速至0.3m/s；完全鎖定時，助行器保持靜止。這一設(shè)計讓用戶能根據(jù)地形主動控制速度，避免“溜坡”風險。適應不同地形：從室內(nèi)到戶外的功能拓展010203040506助行器的設(shè)計需兼顧多場景需求，常見的三種地形適配方案如下：|地形類型|適配設(shè)計|科學原理|典型場景||----------|----------|----------|----------||室內(nèi)平路|萬向輪+輕量框架|滾動摩擦小于滑動摩擦，減少推動阻力|家庭客廳、醫(yī)院走廊||室外磚石路|彈性輪+防滑腳釘（可切換）|彈性輪緩沖地面顛簸，腳釘增加復雜地面摩擦力|小區(qū)步道、公園石板路||臺階/斜坡|可折疊框架+防滑紋|折疊后減小體積便于搬運，深紋增加接觸摩擦力|樓梯轉(zhuǎn)角、地下車庫斜坡|適應不同地形：從室內(nèi)到戶外的功能拓展去年冬天帶學生探訪社區(qū)養(yǎng)老院時，王奶奶的助行器給我們留下了深刻印象：她的助行器前輪是帶減震彈簧的橡膠輪（適應戶外坑洼），后輪是可裝卸的防滑腳釘（雨雪天換上），扶手內(nèi)側(cè)還有海綿墊（減少長時間握持的手部壓力）。這讓我們意識到：“好的助行器不是‘一個設(shè)計走天下’，而是根據(jù)用戶需求‘量體裁衣’?！?5實踐探究：設(shè)計一款“我的助行器”實踐探究：設(shè)計一款“我的助行器”科學學習的最終目標是“用科學解決問題”。我們以小組為單位，開展“助行器優(yōu)化設(shè)計”實踐活動，要求：①穩(wěn)定（支撐面≥30cm×25cm，重心投影不超出支撐面）；②輔助（能分擔至少20%體重）；③創(chuàng)新（針對某一場景改進，如“雨天防滑”“攜帶折疊”）。材料與工具準備每組領(lǐng)取：硬紙板（模擬框架）、橡皮筋（模擬彈性結(jié)構(gòu)）、塑料瓶蓋（模擬輪子）、橡膠墊（模擬腳釘）、刻度尺、彈簧測力計、沙袋（模擬人體重量）。設(shè)計-測試-改進流程方案設(shè)計：小組討論使用場景（如“社區(qū)老人買菜”），繪制設(shè)計圖（標注支撐面大小、底腳類型、扶手高度）。模型制作：用硬紙板搭建框架，安裝底腳（瓶蓋輪或橡膠墊腳釘），調(diào)整扶手高度（用橡皮筋固定不同位置）。穩(wěn)定性測試：將沙袋固定在扶手高度處，緩慢推動模型，記錄傾倒時的推力值（推力越大越穩(wěn)定）。輔助功能測試：用彈簧測力計測量“不使用助行器時提起沙袋的力”（F1）和“使用助行器時提起沙袋的力”（F2），計算省力比例（(F1-F2)/F1×100%）。改進優(yōu)化：根據(jù)測試數(shù)據(jù)調(diào)整支撐面大小、底腳類型或扶手高度，重復測試直至達標。典型案例分享第三小組設(shè)計了“買菜專用助行器”：創(chuàng)新點：框架一側(cè)增加可折疊菜籃（用硬紙板折疊而成），底腳采用“前輪換后輪腳釘”設(shè)計（前輪帶輪便于推動，后輪腳釘防止買菜時助行器滑動）。測試數(shù)據(jù)：支撐面35cm×30cm，傾倒推力5.2N（標準需≥4N）；省力比例28%（達標）；菜籃承重2kg時，整體重心投影仍在支撐面內(nèi)。這個設(shè)計得到了社區(qū)老人的肯定：“要是真有這樣能掛菜籃子又不滑的助行器，買菜就更方便啦！”06總結(jié)：從助行器看“科學服務生活”的本質(zhì)總結(jié)：從助行器看“科學服務生活”的本質(zhì)回顧整節(jié)課的探究，我們從觀察助行器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，用“支撐面與重心”“摩擦力”“力的分解”等科學原理解釋了其穩(wěn)定功能，又從“省力”“控速”“地形適配”角度分析了行走輔助功能，最后通過實踐設(shè)計深化了對“科學