STEM理念下“遙控紙飛機(jī)”科技活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

林志增

【摘 要】STEM教育理念對(duì)開(kāi)展科技教育活動(dòng)有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，“遙控紙飛機(jī)”活動(dòng)項(xiàng)目以航模為活動(dòng)背景，通過(guò)明確要求、討論、工具設(shè)備使用培訓(xùn)、設(shè)計(jì)與制作、調(diào)試與改進(jìn)、交流與評(píng)價(jià)等過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和制作自己的航模飛機(jī)，在反復(fù)的設(shè)計(jì)制作與測(cè)試中驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否合理，從而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科融合方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】STEM理念;遙控紙飛機(jī);設(shè)計(jì);實(shí)施

1.活動(dòng)設(shè)計(jì)背景

STEM教育最早起源于美國(guó)，旨在打破學(xué)科邊界，通過(guò)運(yùn)用多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)與技能解決真實(shí)問(wèn)題，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的工程師素養(yǎng)與創(chuàng)新精神。我國(guó)對(duì)STEM教育的研究開(kāi)始于2008年左右，在2015年，教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中首次提出要“探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”，自此引發(fā)了STEM 教育研究的熱潮。航?？萍蓟顒?dòng)具有趣味性、實(shí)踐性和科學(xué)性，一架航模飛機(jī)從設(shè)計(jì)到完成要用到多方面的科學(xué)知識(shí)和操作動(dòng)手能力，很適合用于開(kāi)展STEM活動(dòng)。

2.活動(dòng)設(shè)計(jì)理念

在“遙控紙飛機(jī)”科技活動(dòng)中，STEM理念主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：科學(xué)（S）方面，航模飛機(jī)的原理涉及牛頓力學(xué)定律、伯努利原理、電氣知識(shí)和無(wú)線(xiàn)電知識(shí)等;技術(shù)（T）方面，在活動(dòng)中每個(gè)學(xué)生都是設(shè)計(jì)師，模型制作中涉及各種新型材料、各種粘合劑、各種木材和金屬，學(xué)生在設(shè)計(jì)與制作航模的過(guò)程中需要思考應(yīng)該選什么材料，要用哪些工具，怎么操作，能培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和技術(shù)素養(yǎng);工程（E）方面，通過(guò)對(duì)航模飛機(jī)電池、電子調(diào)速器、電機(jī)和螺旋槳規(guī)格的合理選擇，能加深學(xué)生對(duì)統(tǒng)籌方法的理解;數(shù)學(xué)（M）方面，通過(guò)對(duì)航模飛機(jī)三視圖的分析、設(shè)計(jì)，能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)立體幾何的理解，通過(guò)對(duì)無(wú)刷馬達(dá)的輸入功率、效率、損耗功率、馬達(dá)殼體溫度等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，能提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力。

3.活動(dòng)情景的引入與問(wèn)題的提出

很多學(xué)生尤其是男生都有一個(gè)“飛行員夢(mèng)”，他們夢(mèng)想自己能親自駕駛飛行器在藍(lán)天白云中翱翔。教師引導(dǎo)學(xué)生：我們能不能造一架自己的“飛機(jī)”？可以操控其飛行，性能可靠，跌壞時(shí)又可以更換或升級(jí)零件。在課堂上討論這個(gè)問(wèn)題時(shí)大家都很興奮。于是，選修課上的學(xué)生開(kāi)始了自己“造飛機(jī)”的項(xiàng)目研究。

4.科學(xué)討論與明確方案

雖然造的是航模飛機(jī)，但航模飛機(jī)的氣動(dòng)性和飛行原理和真飛機(jī)是一樣的，造飛機(jī)可不是簡(jiǎn)單的事情，首先要知道飛機(jī)的飛行原理。

通過(guò)課堂上的一系列討論，學(xué)生得到：若要使航模飛機(jī)平穩(wěn)飛行，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、重心必須要合理;一架遙控紙飛機(jī)要有機(jī)翼、機(jī)身、電子調(diào)速器、無(wú)刷電機(jī)、螺旋槳、舵機(jī)等部件。

5.工具設(shè)備使用的培訓(xùn)

航模制作需要用到一些專(zhuān)用工具，有些工具具有一定的危險(xiǎn)性，為了避免對(duì)學(xué)生造成傷害和減少損失，有必要對(duì)學(xué)生進(jìn)行一些工具設(shè)備使用的培訓(xùn)。

工具設(shè)備培訓(xùn)的第一原則是安全，讓學(xué)生懂得保護(hù)自己和保護(hù)器材，在保證安全的情況下容許學(xué)生犯錯(cuò)，讓學(xué)生自己體會(huì)其中的奧秘。

6.方案的設(shè)計(jì)與制作

6.1設(shè)計(jì)

通過(guò)體驗(yàn)、討論交流，學(xué)生對(duì)航模飛機(jī)有了一定的認(rèn)識(shí)，按照現(xiàn)成的圖紙制作一架航模飛機(jī)，不是一件太難的事。但根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)制作一架航模飛機(jī)，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)還是有一定的挑戰(zhàn)性。

對(duì)此，教師要引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位搜索資料、解決相關(guān)問(wèn)題。

并提醒他們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮可利用的資源、實(shí)施難度和制作方案的可操作性。

學(xué)生根據(jù)教師提出的問(wèn)題分組設(shè)計(jì)，畫(huà)出三視圖。這一環(huán)節(jié)，教師要積極參與學(xué)生設(shè)計(jì)活動(dòng)，給予學(xué)生點(diǎn)撥、評(píng)價(jià)，如哪些方案容易實(shí)現(xiàn)、哪些方法制作難度較大、哪些設(shè)想不現(xiàn)實(shí)等。針對(duì)學(xué)生在活動(dòng)中遇到的疑難問(wèn)題，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自己感悟、積極思考、探索解決問(wèn)題的途徑和方法。

經(jīng)過(guò)多次反反復(fù)復(fù)的比較、分析、討論、交流，學(xué)生終于得出了結(jié)構(gòu)最合理、造型最簡(jiǎn)單的飛機(jī)制作方案。

6.2制作

根據(jù)設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備零件，按照設(shè)計(jì)圖打印1：1圖紙，貼在KT板上切割出機(jī)身，然后使用熱熔膠槍、纖維膠布等工具把機(jī)身進(jìn)行粘貼并安裝電機(jī)座和舵角，接著給飛機(jī)裝上電機(jī)、電子調(diào)速器、接收機(jī)、舵機(jī)等電子器件。安裝完電子器件后放上電池，測(cè)量飛機(jī)的重心位置并做下標(biāo)志。

7.模型的調(diào)試與改進(jìn)

在模型制作完成后，學(xué)生從調(diào)整模型的重心、電機(jī)位置、推力線(xiàn)、電機(jī)與螺螺旋槳的搭配等方面測(cè)試，進(jìn)而驗(yàn)證之前的設(shè)計(jì)是否合理。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生像工程師一樣去設(shè)計(jì)實(shí)踐，像科學(xué)家一樣去縝密思考，進(jìn)一步體驗(yàn)了工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)流程和學(xué)科知識(shí)的融合在此項(xiàng)目中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，在迭代改進(jìn)中不斷提升自己的思維能力，為成為卓越的工程師奠定了良好的基礎(chǔ)。

8.交流與評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試改進(jìn)之后，學(xué)生得到了最終的作品，教師組織學(xué)生進(jìn)行成果展示比賽，讓航模飛機(jī)在特定的航線(xiàn)中完成直線(xiàn)飛行、左右轉(zhuǎn)彎、爬升、降落等動(dòng)作，根據(jù)完成的情況打分。

9.小結(jié)

通過(guò)以上案例可以發(fā)現(xiàn)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域間的聯(lián)系也越來(lái)越密切，教師在教學(xué)中要多關(guān)注各學(xué)科間的聯(lián)系，進(jìn)一步挖掘?qū)W科知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，將科學(xué)知識(shí)融入到真實(shí)的生活中，探索科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生適應(yīng)未來(lái)職業(yè)和學(xué)習(xí)所需要的能力和素養(yǎng)。

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