STEM項目《降落傘》案例分析

王遠廣 張桐斌

隨著人類科技的發(fā)展，各種各樣的飛行器和飛行方式實現(xiàn)了人類不同領(lǐng)域的飛行需求，如翼裝飛行、跳傘、可回收火箭、各式各樣的飛機等?？梢灶A見，在未來人們的高空活動會越來越普及，這些活動都離不開一個至關(guān)重要的安全保障——降落傘。由此可見，一款成本低廉、應用范圍廣泛、安全性高以及足夠便攜的降落傘很可能成為未來生活的必需品。

項目目標

科學：了解降落傘的發(fā)展歷史、降落傘的相關(guān)故事以及降落傘的有關(guān)信息。知道在下落過程中降落傘上的重物受到重力和空氣阻力的作用。知道現(xiàn)代降落傘傘面的復雜性以及傘面孔洞的作用。知道影響降落傘下降快慢的因素并學會控制變量法的使用。

技術(shù)：各種工具的使用。

工程：根據(jù)需求選擇不同的材料，繪制降落傘設(shè)計圖。

數(shù)學：確定降落傘面直徑大小、傘繩的長度、重物的質(zhì)量以及傘面孔洞的大小。測量降落傘下降地點的高度。記錄降落傘從開始下降到落地的時間。

材料準備

塑料薄膜、繩子、透明膠、剪刀、縫衣針、針筒、重物（灌滿水的不同氣球）、白布、白紙、氣球等。

情境導入

由精彩絕倫的極限運動視頻（翼裝飛行、低空跳傘）和高空跳傘視頻等引入本項目課題。通過視頻啟發(fā)學生對自己所了解的降落傘進行分類（如從外形、材料、用途等方面分類），給出各自的理由。討論過后，全班一起學習降落傘應用分類及其發(fā)展史，激發(fā)學生對課程的興趣，并在設(shè)計環(huán)節(jié)給他們提供多種思考方向。

學生根據(jù)視頻以及自己對降落傘的理解進行實驗，利用手頭的材料來探究降落傘的工作原理以及影響降落速度的因素，并完成下列預設(shè)的實驗方案。

師：請同學猜想，改變哪些因素會影響降落傘下降的快慢？

生：可能是傘面的大小、傘繩的長短、傘面的材料、重物的重量等。

師：好，假如探究傘面的大小對降落傘下降快慢的影響，我們應該控制哪些因素相同、哪些因素不同？

生：相同因素是傘面材料、傘面形狀、傘繩長度以及重物的重量，不同因素是傘面大小。

師：這里用到的方法是不是很熟悉，誰能告訴我？

生：控制變量法。

師：非常好，在設(shè)計降落傘時要考慮我們所探究的問題，并確定相關(guān)數(shù)據(jù)，如傘面的大小、傘繩的長度、重物的重量等數(shù)據(jù)。

在學生自主探究的過程中會涉及各類形狀的面積計算及應用，如三角形、圓形、方形等。通過三次預設(shè)實驗，讓學生嘗試在探索過程中發(fā)現(xiàn)影響降落傘滯空時間的核心因素是空氣阻力，進而探索影響空氣阻力的因素。

項目實施

1.制定項目實施方案

按比例縮小一個成年人的體重，并據(jù)此計算出項目所需的其他數(shù)據(jù)，如傘面積、繩長等。

教師給學生展示降落傘的具體數(shù)據(jù)，如傘面的形狀和大小、傘繩的長度等，讓學生以自身體重為參考，按比例縮小所有數(shù)據(jù)得出項目所需所有數(shù)據(jù)。在此過程中，學生需要運用到比例尺、面積計算等知識，并且在計算的過程中需要參考和理解現(xiàn)實中真實合理的設(shè)計原理。

2.繪制設(shè)計圖

根據(jù)形狀不同繪制圓形、八邊形、正方形、三角形等傘面，還可以繪制大小不一的傘面，同時標注出使用材料，如白紙、塑料膜和布料等。

學生以按比例縮小的降落傘數(shù)據(jù)為參考，用工程三視圖的方式繪制出設(shè)計圖，并在設(shè)計圖上標注出數(shù)據(jù)、使用材料、拼接方式等。

學生在開始制作前，參考已知數(shù)據(jù)繪制出各自想象中的成品，工程三視圖可以很好地幫助他們把想象中的作品呈現(xiàn)出來。從工程的角度來說，三視圖能夠直觀地展現(xiàn)整個項目的可實施性和預估所需材料總量等。

3.實踐制作

了解材料的特性，學習各類工具的使用以保證各個配件的精確度。

開始制作前，學生通過小組探究的形式，總結(jié)不同材料的特性以及針對不同材料應該使用的加工工藝，再以同樣的形式總結(jié)出使用不同工具的注意事項。

根據(jù)對材料以及工具的討論和探究結(jié)果，教師引導學生回到自己的設(shè)計方案，思考是否需要做調(diào)整或者在制作過程中應該注意哪些細節(jié)，然后學生開始制作。

4.作品展示

各小組闡述自己的設(shè)計理念以及運用的科學依據(jù)和計算方法，其他小組提出問題或改進建議。

為完整呈現(xiàn)設(shè)計過程，每組需要將自己的設(shè)計理念、數(shù)據(jù)的計算過程、學科的理論依據(jù)、工程三視圖等內(nèi)容整理到一起。學生結(jié)合作品用簡潔明了的語言做介紹，重點突出項目設(shè)計的優(yōu)勢和可以進行實際運用的領(lǐng)域。

此過程需要完整展示產(chǎn)品設(shè)計的理念、過程及實際意義，考驗學生的語言組織和表達能力和藝術(shù)性。同時，其他學生以審視的角度傾聽，進行質(zhì)疑或提出建議，提升整體的思考廣度和深度。

5.作品完善

在設(shè)計制作過程中，學生可能會遇到諸多問題，如圓形傘面如何切割，如何將水灌入氣球，工具不合適等，但在大家的共同努力下一一解決，還發(fā)現(xiàn)身邊的許多材料都可以運用到降落傘的制作中。

測試

學生按照小組進行三輪測試：低空滯空測試（2米高度），高空滯空及穩(wěn)定性測試（4米高度），折疊狀態(tài)高空滯空及穩(wěn)定性測試（4米高度），如上表。

各小組根據(jù)自己還有其他組的測試數(shù)據(jù)，對自己的項目設(shè)計進行總結(jié)和歸納。通過分析傘面形狀和面積、傘繩長度等因素，結(jié)合所學知識，完善整個項目的改進方案。

降落傘的制作活動，學生通過探究影響降落傘下降速度的因素，了解并意識到人類通過對產(chǎn)品不斷改進以適應不同的需求。學生提出實際的科學問題，綜合運用已有知識解釋分析問題，探索解決問題的各種方法，從而發(fā)展創(chuàng)新意識。學生在活動中體會科學的樂趣，加強相互間的溝通，訓練了團隊合作，共同完成課程活動。

教學反思

STEM項目活動中，學生會主動思考：這個問題的結(jié)果會是怎樣的？可能有哪些情況發(fā)生？如果出現(xiàn)這樣的情況又會是哪些因素的原因？這些問題使得學生思維能力和解決問題能力得到提高。學生需要靈活運用各學科知識，經(jīng)歷科學探究和工程設(shè)計的全過程，完成項目學習，提高自身的科學素養(yǎng)，達到事半功倍的效果。