動力飛行

沈玲彤

蘇教版《科學(xué)》要求低年段學(xué)生觀察并描述空氣的特征，中年段學(xué)生認識空氣的基本性質(zhì)，學(xué)生在科學(xué)課堂上對于空氣的了解不斷加深，因此本文建構(gòu)“動力飛行”STEM+課程，拓展空氣動力學(xué)的相關(guān)知識，以科學(xué)知識、技術(shù)技能為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)知識、工程設(shè)計為方法，帶領(lǐng)學(xué)生認知世界、探索規(guī)律、解決問題。

STEM教育是美國在20世紀末提出的教育理念，并于21世紀不斷在發(fā)達國家中進行推廣和發(fā)展，我國從21世紀初期開始進入STEM教育的研究行列，隨之引來了大量專家學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于STEM教育的研究論文發(fā)表數(shù)量逐年增加，因此也迎來了STEM教育的迅速發(fā)展期。STEM是指科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的總稱，而“+”則代表了文學(xué)、藝術(shù)等其他多種學(xué)科的融合和交叉，因此STEM+課程是一種綜合性的、實踐性的、探究性的、融合性的課程，它倡導(dǎo)學(xué)生進行跨學(xué)科和項目式的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、邏輯性思考的能力。S（Science）代表科學(xué)，在STEM+中是重要的一環(huán)，因此我們就不難發(fā)現(xiàn)科學(xué)課程與STEM+課程的關(guān)系，它們之間是緊密聯(lián)系的。而且2022年頒布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標準》中也指出科學(xué)課程是一門綜合性的基礎(chǔ)課程，目的是為提高全民科學(xué)素質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)展和科技強國打下良好的基礎(chǔ)。同時，課程理念倡導(dǎo)在教學(xué)過程當(dāng)中創(chuàng)設(shè)有趣的、良好的學(xué)習(xí)情境，倡導(dǎo)科學(xué)探究與技術(shù)工程實踐有機結(jié)合，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極體驗和感受。因此，在開發(fā)STEM+課程時可以以科學(xué)課程為基礎(chǔ)，將科學(xué)課程的內(nèi)容進行系統(tǒng)的總結(jié)和拓展，從而形成跨學(xué)科或者項目式的學(xué)習(xí)任務(wù)，凸顯出學(xué)生的“學(xué)”，創(chuàng)設(shè)生活情境，強調(diào)探究和實踐，注重過程性評價和總結(jié)，給予學(xué)生合適的反饋。

“動力飛行”是在蘇教版《科學(xué)》對于空氣相關(guān)科學(xué)知識的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上設(shè)計并建構(gòu)的STEM+課程，課程在調(diào)查研究階段融合數(shù)學(xué)和工程的方法，從而幫助學(xué)生完成基本的實驗探究和設(shè)計制作。同時，在設(shè)計方面通過對飛機外觀的評比，注重學(xué)生藝術(shù)審美的培養(yǎng)。在任務(wù)評價和最終的評比中，通過量表更加細化地去評定，完成對學(xué)生過程性的評價和完成性評價。最后，通過拓展內(nèi)容，幫助學(xué)生進一步加深理解和學(xué)習(xí)，拓寬學(xué)生的視野，加強學(xué)生對新技術(shù)、新科技的向往和探索。最終，整個課程倡導(dǎo)理論和實踐緊密聯(lián)系，積極引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自主探究、自主學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)。

1 課程目標

（1）科學(xué)

①知道空氣流速快會導(dǎo)致壓力下降。

②發(fā)現(xiàn)強有力的氣流與物體運動間的關(guān)系。

（2）技術(shù)：學(xué)會選擇合適的工具和材料，設(shè)計并制作飛行器。

（3）工程：通過不斷地改進優(yōu)化飛行器。

（4）數(shù)學(xué)：通過測量、記錄、分析飛行數(shù)據(jù)。

（5）藝術(shù)：設(shè)計并美化飛行器的外觀。

2 課程重點

本課程旨在引導(dǎo)學(xué)生解決如何讓飛行器利用空氣產(chǎn)生動力從而能夠飛行的問題，首先學(xué)生要知道空氣動力的原理，找到飛行的方法，然后再設(shè)計能夠飛行的裝置，在設(shè)計過程中要反復(fù)測試飛行的高度、飛行的時間、飛行的距離，最終確定設(shè)計方案。在整個過程中，運用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)等知識來解決這一問題。

【涉及領(lǐng)域】科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)

【建議年級】小學(xué)中高年級

【建議課時】8課時

【準備材料】《飛行傳奇》《飛行員之眼》等航空類紀錄片、《飛機全書——一部明晰可見的歷史》等航空類書籍和資料、氣球、打氣筒、細繩、吸管、輕的卡紙、鉛筆、剪刀、吹風(fēng)機、膠帶、小木棒、硬紙板、KT板、電機套裝、熱熔膠槍等。

3 課程步驟

3.1 問題聚焦（1課時）

（1）了解飛行器的歷史

課前收集人類飛行的資料，課堂上一起閱讀、分享人類動力飛行的實踐過程。從古至今人類多少次夢想著自由翱翔，因此有了許多飛天故事，中國有嫦娥奔月、敦煌飛天、萬戶飛天等傳說故事，也有許多民間發(fā)明成為后來飛行器的模型，例如：孔明燈、風(fēng)箏、竹蜻蜓等。熱氣球、飛艇是人類首次實現(xiàn)飛上天空夢想的工具，由于它們的局限性后來逐漸被取代?；铏C是一種沒有動力裝置的飛行器，歷史的先行者奧托·李林達爾的滑翔機為后人奠定了飛行基礎(chǔ)。在20世紀初，萊特兄弟完成了人類歷史上最偉大的飛行，他們解開了動力飛行的秘密，隨后航空業(yè)蓬勃發(fā)展，單翼機、雙翼機以及軍用飛機都應(yīng)運而生。飛機發(fā)展的幾個重要階段有：滑翔機、螺旋槳飛機、噴氣式飛機、直升機和民航機，馮如是中國歷史上自制動力飛機且試飛成功的第一人。

【設(shè)計意圖】在了解人類動力飛行的實踐探索過程中，讓學(xué)生感受人類發(fā)明創(chuàng)造的艱辛過程，學(xué)習(xí)不畏艱險努力拼搏的科研精神，同時引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會收集資料，自主閱讀，熱愛分享。

（2）聚焦主題

飛機的結(jié)構(gòu)包括機翼、機身、尾翼和起落架，飛機飛上天空的秘密是什么呢？其實空氣給飛機提供了動力，回顧之前學(xué)習(xí)的空氣的特點，思考并聚焦提出的問題，即如何利用空氣動力進行飛行。

【設(shè)計意圖】以問題的形式聚焦活動主題，提出科學(xué)問題是科學(xué)探究能力的體現(xiàn)，學(xué)生在問題中明確探究對象，并針對問題進行合理猜想和假設(shè)，為隨后的課程活動方案奠定基礎(chǔ)。

3.2 調(diào)查與研究（3課時）

（1）奇怪的氣球（探究空氣流速與壓力間的關(guān)系）

學(xué)生分組準備好兩只氣球、細線、打氣筒和吸管，教師指導(dǎo)學(xué)生將兩只氣球用打氣筒充氣到一樣大小，并系好口；用線將氣球掛好，使它們相隔一小段距離，進行空氣流速與壓力探究實驗（表1）。

【設(shè)計意圖】通過簡單而又有趣的氣球?qū)嶒?，讓學(xué)生直觀地感受空氣流速與壓力的關(guān)系，為后面機翼結(jié)構(gòu)和飛行原理的學(xué)習(xí)做鋪墊。

（2）飛機的機翼（探究升力的產(chǎn)生）

學(xué)生分組準備好輕的卡紙、膠帶、細線、打氣筒、鉛筆、吸管、吹風(fēng)機和剪刀。教師展示機翼圖片并指導(dǎo)學(xué)生制作機翼原理模型，將輕的卡紙折成不同的兩半，其中一半稍比另一半大些；然后把紙的邊緣粘在一起，使得紙的上部呈彎曲的弧形；用鉛筆在紙的上下面各扎一個小孔；剪一小段吸管，把吸管穿過小孔用膠帶固定?。粚⒓毦€穿過吸管；將細線系在某個固定物體上，使機翼能上下移動，進行升力的產(chǎn)生探究實驗（表2）。

【設(shè)計意圖】在空氣流速與壓力關(guān)系探究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上探究機翼結(jié)構(gòu)，可以更好地理解機翼產(chǎn)生升力的原理，同時通過實驗，直觀地感受到升力的方向和機翼運動的軌跡。

（3）飛機的尾翼（探究尾翼的穩(wěn)定功能）

學(xué)生分組準備好輕的卡紙。教師指導(dǎo)學(xué)生折一個紙飛機，在飛機的尾部折出小折葉，進行尾翼的穩(wěn)定功能探究實驗（表3）。

【設(shè)計意圖】通過調(diào)整折葉試飛并觀察紙飛機的運動軌跡，直觀地感受到折葉對飛機飛行方向的控制，從而了解飛機尾翼在實際飛行過程中的功能和作用。

（4）噴氣氣球（探究噴氣式發(fā)動機）

學(xué)生分組準備好細線、膠帶、氣球、吸管和打氣筒，把細線穿過吸管，把穿過吸管的細線橫著拉開并固定，把兩條膠帶粘在吸管上，用打氣筒把氣球吹起來，把氣球粘在膠帶上，進行噴氣式發(fā)動機探究實驗（表4）。

【設(shè)計意圖】用簡易的氣球裝置模擬噴氣式發(fā)動機的工作原理，幫助學(xué)生了解噴氣式發(fā)動機，為后期制作動力飛行器做好理論準備。

（5）橡皮筋馬達（探究橡皮筋動力原理）

學(xué)生分組準備好橡皮筋、螺旋槳、硬紙板、小木棒，在硬紙板上用剪刀剪出飛機的機翼和尾翼，并用膠帶和橡皮筋將機翼和尾翼固定在小木棒上，用橡皮筋在木棒頂端連接螺旋槳，進行橡皮筋動力原理探究實驗（表5）。

【設(shè)計意圖】通過探究橡皮筋動力模型了解橡皮筋產(chǎn)生動力的原理，在實踐操作中增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也為后期動力飛行器的設(shè)計與制作做好理論準備。

3.3 設(shè)計與制作（2課時）

【明確任務(wù)】請同學(xué)們結(jié)合前面學(xué)習(xí)的空氣動力的知識，使用小木棒、螺旋槳、橡皮筋、電機套裝、硬紙板、KT板、熱熔膠槍等材料制作創(chuàng)意動力飛機。教師呈現(xiàn)評價量規(guī)（表6），學(xué)生對照表格的要求分組完成設(shè)計與制作。

【設(shè)計意圖】學(xué)生結(jié)合前期的知識和實踐基礎(chǔ)自主設(shè)計和制作飛行器，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、主動探究和操作能力，通過設(shè)定任務(wù)評價量規(guī)方便對學(xué)生進行過程性評價，同時注重引導(dǎo)學(xué)生進行小組合作學(xué)習(xí)。

3.4 展示與評價（1課時）

對飛機的飛行參數(shù)進行記錄并使用評價標準對本組作品和其他組作品進行評價（表7）。

【設(shè)計意圖】通過飛行參數(shù)記錄表對小組作品評價，使評價更具體、更科學(xué)和完整，激發(fā)學(xué)生完成任務(wù)的自主性和積極性。

3.5 拓展與應(yīng)用（1課時）

（1）生活中各種各樣的飛行器

飛行器有航空器和航天器等，航空器在大氣層內(nèi)飛行，航天器在太空飛行。航天器包括人造地球衛(wèi)星、空間探測器、載人飛船、空間站等。航空器大體分為輕于空氣的輕航空器和重于空氣的重航空器，輕航空器主要包括熱氣球和飛艇，重航空器分為固定翼機、直升機和滑翔機。

【設(shè)計意圖】通過了解生活中各種各樣的飛行器，拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生積極探索的興趣，幫助學(xué)生了解更多飛行器的種類，了解更多領(lǐng)域飛行器以及它們各自的功能。

（2）無人機

百年前用無線電操縱的小型飛機是無人機最初的概念源頭，在戰(zhàn)爭中許多國家把無人機做成訓(xùn)練使用的靶機，美國人最先將無人機投入戰(zhàn)場，隨后西方各國爭相研發(fā)無人機從而在戰(zhàn)爭中發(fā)揮其重要作用，它們無論是從航時、作戰(zhàn)距離、通信方面都有重大的突破。現(xiàn)在，無人機的應(yīng)用逐漸從軍事領(lǐng)域向民用領(lǐng)域發(fā)展，如無人機物流配送、遠程監(jiān)控等等，未來無人機的功能和應(yīng)用領(lǐng)域也將更加多樣化。

【設(shè)計意圖】通過了解無人機的發(fā)展，使學(xué)生能夠更加緊密聯(lián)系生活，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的科技發(fā)展動態(tài)。

（3）3D打印·飛行器

使用3DOne進行簡單形體的建模，使用長、寬、高等參數(shù)對幾何學(xué)重點基本體進行計算，以形成飛機基本結(jié)構(gòu)形狀，通過3D打印技術(shù)進一步豐富飛行器的外觀，然后將建模文件上傳并打印。

【設(shè)計意圖】通過3D打印技術(shù)制作飛行器更加便捷，同時能加強學(xué)生的綜合素質(zhì)，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，也能開闊學(xué)生的跨學(xué)科視野，提高學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。

（作者單位：南京外國語學(xué)校方山分校）