以航模為載體的STEM科教課程介紹及設(shè)計案例

寧煜

摘 要：近年來我國對于中小學(xué)科學(xué)教育的重視程度逐步提高，但中小學(xué)開展科學(xué)課程卻面臨課程類型單一、課程內(nèi)容不科學(xué)等問題，因而導(dǎo)致課程只停留于表面，落實效果差，無法達(dá)到科學(xué)課程應(yīng)有的目的。而作為集數(shù)學(xué)、物理、計算機編程、電子通信工程等多門學(xué)科領(lǐng)域的具有科研性質(zhì)的航空模型運動便可以成為此類STEM課程適合的載體。通過開展以航模為載體的STEM課程，能夠讓學(xué)生在拓寬知識領(lǐng)域的同時，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、合作及動手能力，同時全面提高青少年身體素質(zhì)。本文主要以解析當(dāng)今科教課程的現(xiàn)狀為前提，以航模類課程為例，分析此類課程的優(yōu)勢與開展方式，并提供一項“水火箭”課程設(shè)計案例。

關(guān)鍵詞：STEM教育 航空模型 航模課程 “水火箭”課程案例

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0217-03

1 科學(xué)（STEM）教育的主要目的

科學(xué)（STEM）教育是一種以傳授基本科學(xué)知識為手段（載體），以素質(zhì)教育為依托，體驗科學(xué)思維方法和科學(xué)探究方法，培養(yǎng)科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度，建立完整的科學(xué)知識觀與價值觀，進行科研基礎(chǔ)能力訓(xùn)練和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的教育。

其主要目的為使青少年掌握自然科學(xué)的基本知識和基本技能，學(xué)會科學(xué)方法，體驗科學(xué)探究，理解科學(xué)技術(shù)與社會關(guān)系，把握科學(xué)本質(zhì)，養(yǎng)成科學(xué)精神，全面培養(yǎng)和提高科學(xué)素養(yǎng)；并通過培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)的合格公民，發(fā)展社會生產(chǎn)力，改良社會文化，讓科學(xué)精神和人文精神在現(xiàn)代文明中交融貫通。

2 中小學(xué)科學(xué)教育的開展現(xiàn)狀

近年來響應(yīng)教育部號召，中小學(xué)科學(xué)課程從開展內(nèi)容、方式、效果等多方面提出了新的要求。但由于科學(xué)課程內(nèi)容單一枯燥、對于實驗設(shè)備要求較高等原因，科學(xué)課程的開展一直成為難題。作為能夠適應(yīng)科教要求的STEM教育方案，以其全面的課程領(lǐng)域和良好的課程效果得到重視，諸多學(xué)校廣泛效仿應(yīng)用。

3 航空模型的相關(guān)介紹

3.1 航空模型的定義

航空模型是航空航天模型的簡稱，是一類按照比例進行縮小或適當(dāng)簡化結(jié)構(gòu)的、能夠?qū)崿F(xiàn)于原飛行器相同的飛行效果的模型玩具。顧名思義航模分為航空模型和航天模型，航空模型指固定翼、多旋翼、直升機類飛行器，而航天模型則是仿航天器外形制作的一種可回收模型，是供體育運動用的一種不載人的飛行器，其動力為水動力或模型火箭發(fā)動機。

航空模型是一項包含數(shù)學(xué)、物理、電子通信工程、計算機編程等多門學(xué)科在內(nèi)的科研競技類體育運動。當(dāng)今，國內(nèi)外科研類、競技類航空模型賽事廣泛開展。

3.2 航空模型的分類

3.2.1 按動力模式分類

無動力飛行器、電動飛行器、油動飛行器三類。

3.2.2 按飛行器類型分類

固定翼飛行器、多軸飛行器、火箭飛行器三類。

3.3 航空模型產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

3.3.1 政策下的航空航天教育產(chǎn)業(yè)

2016年11月，國家體育總局等9部委聯(lián)合發(fā)布了《航空運動產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，被認(rèn)為是中國航空體育運動新的發(fā)展機遇。在《規(guī)劃》中，航空運動產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為“是重要新興體育項目產(chǎn)業(yè)之一……涵蓋目前我國正式開展的運動飛機、熱氣球、滑翔、飛機跳傘、輕小型無人駕駛航空器、航空模型等六大類共26個運動項目?！蓖瑫r，《規(guī)劃》中明確提出，將“積極開展青少年航空運動。通過無人駕駛航空器（無人機、航空模型、航天模型）進課堂、推廣校本課程、組織學(xué)生開展課外航空運動活動等多種形式，推進中小學(xué)校航空科技體育活動開展，培養(yǎng)青少年對于航模制作飛行等基本航空運動興趣。鼓勵學(xué)校與專業(yè)航模培訓(xùn)機構(gòu)合作，加強青少年航空運動培訓(xùn)，培育青少年參與航空運動和養(yǎng)成航空運動消費習(xí)慣?！?/p>

3.3.2 航模作為科研類賽事的開展情況

由于航模運動知識多元化的特點和其本身不斷發(fā)展的趨勢，科技創(chuàng)新在航空模型領(lǐng)域就顯得格外突出。目前，航模運動是一項正處于高速復(fù)興的科研類體育運動，國內(nèi)以至國際每年都舉辦多項重大科研類賽事。

“中國國際飛行器設(shè)計挑戰(zhàn)賽暨科研類全國航空航天模型錦標(biāo)賽”（簡稱CADC錦標(biāo)賽）是科研類賽事的代表。

3.3.3 航模作為體育競技類賽事的開展情況

航空模型運動本身作為一項體育競技類賽事，在世界范圍內(nèi)涉及諸多賽事。其中包括如“航空模型世界錦標(biāo)賽”等國際最高規(guī)格賽事，“航空模型全國公開賽”等國內(nèi)高水平賽事。“全運會”、“市運會”等體育綜合賽事中也包含航空模型運動項目。

3.3.4 航空模型（無人機）在社會服務(wù)領(lǐng)域上的應(yīng)用

航空模型按照飛行器類別分類分為固定翼類、多軸類和火箭類。其中多軸類飛行器（常見四軸飛行器）即為無人機的雛形，而無人機在當(dāng)今社會應(yīng)用范圍廣泛。

無人機按應(yīng)用領(lǐng)域分類，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機。在民用方面，無人機能應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍、快遞運輸、災(zāi)難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災(zāi)、影視拍攝等多個領(lǐng)域。

實例一：北京、天津、上海等諸多城市街道已經(jīng)開始采用無人機執(zhí)法，從而節(jié)省警力。

實例二：重大事故（如天津港大爆炸）發(fā)生時專業(yè)人員無法進入勘察情況，而無人機能夠第一時間安全可靠的獲取現(xiàn)場信息。

實例三：目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步全面自動化，其中灌溉、播種、防火防蟲等作業(yè)已經(jīng)逐步采取無人機作業(yè)，極大節(jié)省勞動力，同時提升作業(yè)效率。

3.4 適合中小學(xué)科學(xué)課程的航模種類及特點

適合小學(xué)第一學(xué)段開展的航模種類主要包括：手?jǐn)S泡沫飛機（初級）、橡筋動力滑翔機、水動力火箭（初級）等。其主要特點在于開展成本低、開展過程簡易且安全，同時能夠讓學(xué)生在活動中體驗動手制作的過程，并對“飛機”有初步的理性認(rèn)識。

適合小學(xué)第二學(xué)段開展的航模種類主要包括：手?jǐn)S泡沫飛機（中級）、橡筋動力撲翼機、一級牽引滑翔機、水動力火箭（初級）、電動自由飛等。此類課程相較第一學(xué)段，在學(xué)生動手制作的部分增加了難度，同時在飛行環(huán)節(jié)中對學(xué)生身體協(xié)調(diào)能力、合作能力提出了更高要求。

適合中學(xué)及以上開展的航模種類主要有：多旋翼飛行器、水動力火箭（中、高級）、彈射飛機、無線遙控KT紙飛機、電動滑翔機、DLG手?jǐn)S滑翔機等。針對12歲及以上的學(xué)生，其已經(jīng)具備了較強的理解能力，對一些抽象理論概念能夠有所認(rèn)識。同時此類飛行器在教師傳授完成簡易制作和飛行的基礎(chǔ)上，對于學(xué)生動手制作、操作飛行等方面，創(chuàng)新思維、設(shè)計能力提出更高要求。

4 “以水動力火箭飛行器”為例的航空模型課程方案示例

4.1 活動課程環(huán)節(jié)詳細(xì)介紹

4.1.1 活動材料準(zhǔn)備：（每套材料）

500mL碳酸飲料（雪碧）瓶兩個、水火箭套材一套（含四個尾翼、一個整流罩）、發(fā)射臺一臺、打氣筒一只、電工膠布一卷、剪刀一把、水適量。

4.1.2 理論知識講授

理論知識講授環(huán)節(jié)主要包含航空模型、火箭類飛行器、專有名詞的介紹；科學(xué)實驗中所設(shè)計的物理知識或常識的講解等內(nèi)容。

（1）航空模型（水火箭）相關(guān)知識的介紹（同標(biāo)題“一”內(nèi)容）。

（2）專有名詞：整流罩、尾翼、動力倉、水火箭發(fā)射臺（其中包括：安全銷、發(fā)射棒、鎖扣）、氣筒、加壓。

（3）物理知識或常識：流線型、尾翼的平衡作用、整流罩的整流作用、動力的作用力和反作用力。

4.1.3 水火箭制作方法（具體步驟）

（1）將清洗好的雪碧瓶取出，揭去表面標(biāo)簽，并任選其一進行裁切：從瓶底向上兩厘米為截面裁切，保留上半部分（大），丟棄其余部分（小）。

[注意]裁切過程中剪刀的使用安全，同時盡可能保證裁切的平整性。

（2）將完整的雪碧瓶作為動力瓶、裁切的雪碧瓶作為火箭箭體，動力瓶瓶口向下、箭體瓶口向上，完成對接，并用電工膠帶纏繞固定。

[注意]保證箭體與動力瓶連接的同軸性，可采取旋轉(zhuǎn)觀察的方法確定。電工膠帶纏繞2～3圈確保連接的牢固性。

（3）取出火箭套材中的四個尾翼，揭去3M雙面膠帶粘貼于動力瓶標(biāo)簽平面處，安裝完成后使用電工膠帶固定。

[注意]安裝時注意相鄰尾翼兩兩垂直，上下高度統(tǒng)一。

（4）將水火箭套材中的整流罩取出，安裝于火箭箭體前部，并用電工膠帶纏繞牢固。

[注意]為確保牢固，應(yīng)使用電工膠帶纏繞2～3圈。

（5）去除動力瓶瓶口的瓶蓋和密封環(huán)。

4.1.4 發(fā)射臺的使用及水火箭發(fā)射流程

（1）發(fā)射臺的使用步驟。

①打開發(fā)射鎖扣（將鎖扣開口向上）。

②火箭加水（容積的1/3），并將發(fā)射臺抬起，引導(dǎo)管從火箭動力瓶瓶口進入，將火箭按壓至引導(dǎo)管最底部，擺正發(fā)射臺。

③關(guān)閉發(fā)射鎖扣（將鎖扣開口對向彼此）。

④安裝發(fā)射棒，而后安裝安全銷。

⑤調(diào)整發(fā)射臺發(fā)射角度及方向。

（2）水火箭發(fā)射流程。

①按照以上步驟安裝發(fā)射臺及火箭。

②利用氣筒為火箭動力艙打氣加壓（觀察氣壓表示數(shù)，控制壓力范圍在3～6個大氣壓之間）。

③向指導(dǎo)教師申請發(fā)射（申請并舉手示意）。

④指導(dǎo)教師允許查看安裝情況，并下達(dá)允許發(fā)射，拔安全銷的指令。

⑤學(xué)生拔下安全銷、手持引導(dǎo)線等候發(fā)射倒計時。

⑥教師下達(dá)倒計時指令（由5開始倒數(shù)，數(shù)至1后下達(dá)發(fā)射口令）。

⑦學(xué)生快速牽拉引導(dǎo)線拉出發(fā)射棒，水火箭發(fā)射升空。

⑧待火箭落地后，教師下達(dá)回收火箭指令，學(xué)生回收火箭。

4.1.5 “定點打靶”競賽開展方案

為增加活動體驗性，教師可在學(xué)生熟悉火箭發(fā)射操作的情況下，根據(jù)需要增加競賽類活動。

學(xué)生以5組為一批次進行發(fā)射，發(fā)射起點設(shè)置于以靶心為圓心，50m為半徑的圓弧上，每組相鄰5m。在下達(dá)發(fā)射口令后，每一批次統(tǒng)一發(fā)射，發(fā)射結(jié)束后裁判員進行測量火箭與靶心之間的距離，距離小者取勝。

[意義]開展此項競賽可以提升學(xué)生對于火箭安裝及發(fā)射的熟練度，同時感受火箭發(fā)射的水量、壓力、發(fā)射角度和距離之間的關(guān)系，從而引導(dǎo)學(xué)生初步建立數(shù)學(xué)模型。

4.2 活動開展注意事項

（1）教師需要確保尖銳工具（如剪刀、壁紙刀等）使用的安全。

（2）發(fā)射環(huán)節(jié)的開展應(yīng)使用不小于一個標(biāo)準(zhǔn)足球場的場地，并確保火箭預(yù)計著陸區(qū)域沒有無關(guān)人員。

（3）學(xué)生發(fā)射過程務(wù)必遵守發(fā)射流程（本流程參照國際火箭類賽事中標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射要求及發(fā)射規(guī)則）

（4）學(xué)生應(yīng)位于發(fā)射臺后方，前方為火箭預(yù)計著陸區(qū)（即危險區(qū)），火箭升空且未落地前，學(xué)生不得前往回收。

（5）根據(jù)相關(guān)空中管制要求，在重大會議進行期間，限制區(qū)域應(yīng)停止相關(guān)活動的開展。

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