海上航行（三）

李佩寧

本課程并沒有給出具體的課程任務(wù)目標(biāo)，而是希望學(xué)生在調(diào)研過程中產(chǎn)生自己的想法，設(shè)計(jì)方案并通過各種創(chuàng)客類工具實(shí)現(xiàn)方案。在把一個(gè)想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的問題，如怎樣使用現(xiàn)有的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)某個(gè)設(shè)計(jì)想法和功能，如何通過快速學(xué)習(xí)來掌握某種技術(shù)手段……因此，解決開放性問題的流程更加貼近現(xiàn)實(shí)。

一、課程重點(diǎn)

本課程旨在讓學(xué)生在實(shí)現(xiàn)想法的過程中不斷解決產(chǎn)生的新問題，學(xué)習(xí)新知識(shí)，嘗試使用新的技術(shù)手段解決原來解決不了的問題，從而促進(jìn)學(xué)生提高創(chuàng)造能力、批判性思維能力、溝通和協(xié)作能力、解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

【涉及領(lǐng)域】工程、物理、3D打印、創(chuàng)客、技術(shù)

【建議年級(jí)】小學(xué)高年級(jí)至初二年級(jí)

【建議時(shí)間】130分鐘；3D打印相關(guān)課程（可選）；創(chuàng)客技術(shù)相關(guān)課程（可選）

【材料】基礎(chǔ)材料：直流電動(dòng)機(jī)（額定電壓5V）、電池、電池盒、導(dǎo)線、手工棒、硬紙板、礦泉水瓶、膠帶或膠水、熱熔膠槍、泡沫塑料；自選材料：可自選材料和加工方式

二、課程任務(wù)

以一個(gè)5V直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，制造一艘小船。在制造的過程中，學(xué)習(xí)并使用各種創(chuàng)客類工具，如3D打印機(jī)、智能硬件等。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（10分鐘）

教師引導(dǎo)學(xué)生討論能想到幾種驅(qū)動(dòng)船只前進(jìn)的方案。例如：劃槳；帶水輪的，用腳蹬；用長桿子撐船；用纖繩拉；人站在水中往前推；風(fēng)吹船帆推動(dòng)船前進(jìn)；把鐘表的發(fā)條安在螺旋漿上，用人力上弦，然后使?jié){轉(zhuǎn)起來；搖櫓；岸上裝一個(gè)滑輪，繩子穿過滑輪，一頭系住船頭，拉另一頭；站在船尾，用力向后跳，用腳的反作用力推動(dòng)船只；把一個(gè)大氣球吹足氣，綁在船尾，向水面吹氣；給螺旋漿安上電動(dòng)機(jī)，然后人站在船上用手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)螺旋槳；趴在船上，用手向后劃水；在水中邊游邊推；讓船漏水，把水舀起來向后潑；用手撥水，利用水波把船向前推；用橡皮筋給螺旋漿上勁，然后放開讓螺旋槳轉(zhuǎn)；把船上的東西一件一件向一個(gè)方向投出去，船會(huì)向相反的方向運(yùn)動(dòng)。

教師可以把學(xué)生分成小組，讓各組進(jìn)行討論，盡可能多地列舉驅(qū)動(dòng)船只前進(jìn)的辦法?？梢圆捎煤献鲗W(xué)習(xí)的方式，請(qǐng)各組按照順序輪流說一種方法。教師將其列在黑板上，不能提出更新答案的小組出局，看哪一組能留到最后。

教師將驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類，如按照做功的方式可以分成直接做功類、反作用力類和沖量轉(zhuǎn)化類，并解釋這三類驅(qū)動(dòng)方式?？梢韵?qū)W生出示一系列圖片（見圖1），請(qǐng)學(xué)生識(shí)別并歸類。

2.宣布任務(wù)及評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】各組自選材料，制作一個(gè)使用5V電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小船，達(dá)到向前行駛的最低要求。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見表1）。

3.信息收集（課余時(shí)間完成）

在信息收集階段，教師應(yīng)組織學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)中船只的功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、船體、使用方式、行駛區(qū)域等信息進(jìn)行收集。教師要鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用各種信息收集手段收集信息，也可以提供船只分類的資料庫供學(xué)生參考。

（1）按照船只使用的水域進(jìn)行分類（遠(yuǎn)海、近海、內(nèi)陸河等）；

（2）按照船只用途進(jìn)行分類（運(yùn)輸、戰(zhàn)斗、科探等）；

（3）按照船只運(yùn)載物品類型進(jìn)行分類（人、普通貨物、特種品、危險(xiǎn)品等）；

（4）按照船只能量來源進(jìn)行分類（核能、水蒸氣、電能、非機(jī)動(dòng)等）；

（5）請(qǐng)?jiān)O(shè)想你的分類方式，并按照這個(gè)思路進(jìn)行具體調(diào)研。

各組調(diào)查后要提交詳細(xì)的調(diào)研報(bào)告，作為匯報(bào)展示的一部分。

4.頭腦風(fēng)暴和設(shè)計(jì)方案（40分鐘）

各組進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，決定要制作的船只、驅(qū)動(dòng)方式、功能實(shí)現(xiàn)方式，并制作設(shè)計(jì)圖紙。這一階段，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，幫助學(xué)生完善設(shè)計(jì)方案、評(píng)估可行性和制作難度，以及解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)和控制設(shè)計(jì)方案的問題。圖2展示的是一些基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案。

如果學(xué)生采用了槳直接入水的驅(qū)動(dòng)方式，怎樣設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)才能讓槳入水的同時(shí)馬達(dá)不進(jìn)水，是一個(gè)設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)。常見的解決方案有兩種，一是采用連桿斜插入水的形式，保證馬達(dá)吃水線以上，但這樣會(huì)降低小船驅(qū)動(dòng)效率；二是采用皮帶或齒輪等傳動(dòng)方式，改變動(dòng)力方向（見圖3）。

船體可以使用泡沫塑料或者飲料瓶進(jìn)行制作（見圖4）。建議開設(shè)了創(chuàng)客課程、有創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校結(jié)合創(chuàng)客類課程來完成本課程任務(wù)。特別是在驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)上，可以結(jié)合附件1和附件2所述的明輪船和螺旋槳船的知識(shí)，使用3D打印機(jī)完成螺旋槳部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作。沒有條件的話，可以將塑料片制成合適的形狀，按照一定的角度粘在軸上。

5.制造（40分鐘）

各組按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制造。

6.展示匯報(bào)（30分鐘）

展示匯報(bào)包括書面口頭展示和實(shí)地實(shí)驗(yàn)兩部分。給各組至少10分鐘的展示時(shí)間，詳細(xì)介紹各階段工作和調(diào)研情況，展示船只設(shè)計(jì)思路、制作過程和船只功能。實(shí)地實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以尋找一個(gè)湖面或者水池，測試記錄船只行駛的速度和穩(wěn)定性。

附件1：明輪船

明輪船的命名是根據(jù)船舶的推進(jìn)方式而產(chǎn)生?？偟膩碚f，在過去，明輪船可以用于戰(zhàn)爭船艦、商業(yè)貿(mào)易、客貨運(yùn)輸?shù)缺姸喾矫妗，F(xiàn)在，明輪船主要用于商業(yè)旅游與歷史展覽等。根據(jù)布置位置，明輪分為舷側(cè)明輪和船尾明輪（見圖5）。

明輪是一種局部入水的推進(jìn)器，裝在明輪周圍的用來向后劃水的叫蹼板。劃水產(chǎn)生的反作用力通過轉(zhuǎn)軸作用到船體上，推動(dòng)艦船前進(jìn)。根據(jù)蹼板在明輪上的安裝形式，分為“定蹼式明輪”和“動(dòng)蹼式明輪”（見圖6）。前者構(gòu)造簡單，但效率太低，后者效率較好。

明輪船是靠蒸汽機(jī)帶動(dòng)明輪，使槳輪轉(zhuǎn)動(dòng)，槳輪上葉片撥水，推動(dòng)船舶前進(jìn)。相對(duì)于后續(xù)發(fā)展的船舶，它結(jié)構(gòu)笨重、效率低，而且明輪的葉片使用時(shí)易損壞。當(dāng)它在碼頭上?？繒r(shí)，與兩旁的輪船很容易發(fā)生碰撞，既影響自己的安全行駛，也存在著擦傷別的輪船的可能性。另外，如果水草一類的纏繞物絞住明輪的葉片或軸，明輪就有失去轉(zhuǎn)動(dòng)的可能。正是明輪推進(jìn)器的缺點(diǎn)，到了19世紀(jì)60年代，明輪船被使用螺旋槳的先進(jìn)蒸汽船淘汰。

附件2：螺旋槳船

螺旋槳船改變了船只由明輪推進(jìn)的形式，而用螺旋槳代替。經(jīng)過發(fā)展，螺旋槳推進(jìn)效率越來越高，成為現(xiàn)代船舶的主要推進(jìn)工具。螺旋槳的分類方式大致有以下幾種：按照槳葉數(shù)量，螺旋槳有2、3或4個(gè)槳葉，甚至更多，一般槳葉數(shù)目越多，吸收功率越大；按照構(gòu)造不同，螺旋槳分為定（槳）距、變距螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳、串列螺旋槳、對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳、直葉推進(jìn)器等；根據(jù)船舶安裝螺旋槳個(gè)數(shù)的多少，可以分為單螺旋槳船、雙螺旋槳船、三螺旋槳船（見圖7），甚至四螺旋槳船。

19世紀(jì)60年代以來，船舶趨于大型化，使用大功率的主機(jī)后，螺旋槳激振造成的船尾振動(dòng)、結(jié)構(gòu)損壞、噪聲、剝蝕等問題引起各國的重視。螺旋槳激振的根本原因在于螺旋槳葉負(fù)荷加重，在船后不均勻尾流中工作時(shí)容易產(chǎn)生局部的不穩(wěn)定空泡，從而導(dǎo)致螺旋槳作用于船體的壓力、振幅和相位都不斷變化。因此，現(xiàn)代船用螺旋槳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是吸收最小的能量，提供最大的效率，減小船體振動(dòng)和避免產(chǎn)生不利的空泡……現(xiàn)在，螺旋槳船的發(fā)展前景依然很光明。

（責(zé)任編輯 張慧籽）