基于遙控固定翼電動航空模型的STEM教育活動設(shè)計

黃海

【摘要】通過對固定翼航模動力和機(jī)翼的學(xué)習(xí)和討論，啟發(fā)學(xué)生制作電動航空模型，重點是讓學(xué)生解決一個開放性問題。學(xué)習(xí)過程貼近現(xiàn)實，對學(xué)生的創(chuàng)造性、批判性思維能力、溝通和協(xié)作能力、解決現(xiàn)實問題能力都會有極大的提升。

【關(guān)鍵詞】航空模型 STEM

【中圖分類號】G632.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1992-7711（2020）14-163-01

一、教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容

提高學(xué)生綜合運用跨學(xué)科知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。涉及工程、物理、技術(shù)、數(shù)學(xué)、寫作五個領(lǐng)域，以使用無刷電機(jī)為驅(qū)動方式，設(shè)計制造一架遙控固定翼航模飛機(jī)，撰寫技術(shù)文檔。學(xué)習(xí)使用各種工具，教學(xué)時間為130分鐘。

二、教師引入過程

引導(dǎo)學(xué)生討論：飛機(jī)飛行時，動力特點？機(jī)翼的構(gòu)造特點？

把學(xué)生分成小組，由組長對各階段工作進(jìn)行分工。組長組織討論，學(xué)生充分表達(dá)自己的想法。教師注意巡視，觀察學(xué)生討論參與情況。各小組可以把討論情況寫在自己小組的小黑板上。允許學(xué)生在課前收集資料。舉例如下：

螺旋槳在飛機(jī)前頭的、在機(jī)翼兩端的。發(fā)動機(jī)在機(jī)翼兩端的、在飛機(jī)尾部的。

現(xiàn)代飛機(jī)一般都是單翼機(jī)，但歷史上也曾流行過雙翼機(jī)、三翼機(jī)和多翼機(jī)。根據(jù)單翼機(jī)的機(jī)翼與機(jī)身的連接方式可分為下單翼、中單翼、上單翼。

學(xué)生有準(zhǔn)備圖片的，可以由組長代表小組展示圖片。否則，教師進(jìn)行歸納時，配以圖片講解。

根據(jù)動力情況，教師也要進(jìn)行歸納、分類。

反作用力類別：指在飛機(jī)上產(chǎn)生一個向空氣的作用力，利用力的相互作用力推動飛機(jī)前進(jìn)。動量守恒類別：利用飛機(jī)向后分離一個有質(zhì)量和速度的物體，使飛機(jī)獲得一個相反方向的動量，如向后拋東西等。

學(xué)生根據(jù)圖片進(jìn)行分類識別。

通過這個學(xué)習(xí)過程，學(xué)生對飛機(jī)有進(jìn)一步認(rèn)識。

三、小組合作設(shè)計、制作

1.出示任務(wù)和評價表

（1）任務(wù)：選擇材料，制作一架遙控電動航模飛機(jī)。

（2）材料：遙控器、接收機(jī)、泡沫塑料、KT板、鋰電池、電子調(diào)速器、航模膠水、無刷電機(jī)、碳纖維桿、方向舵機(jī)、升降舵機(jī)。

2.信息收集（課前完成）

教師組織學(xué)生運用信息收集手段對現(xiàn)實中飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落裝置和動力裝置等信息進(jìn)行收集。各小組調(diào)研后提交詳細(xì)的調(diào)研報告，作為匯報展示的一部分。

3.設(shè)計方案

小組進(jìn)行討論，確定要制作的飛機(jī)的外形、動力方式，并畫出設(shè)計圖。教師對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，幫助學(xué)生完成完善設(shè)計方案、評估可行性和制作難度，幫助學(xué)生解決結(jié)構(gòu)設(shè)計，電路設(shè)計、驅(qū)動和控制設(shè)計等方面的問題。

4.制作原型機(jī)

各小組按照設(shè)計方案進(jìn)行制作、并進(jìn)行手拋檢查飛行軌跡。教師要進(jìn)行巡視，并提出問題進(jìn)行引導(dǎo)。教師可以進(jìn)行設(shè)問：為什么你設(shè)計的飛機(jī)頭朝下？為什么飛機(jī)會向左或向右偏？如何進(jìn)行調(diào)整？副翼、方向舵、升降舵是如何控制飛機(jī)的？

5.知識性講解

如果學(xué)生對流速與壓強(qiáng)、重力、升力、阻力等概念不是很理解，教師要進(jìn)行適時解答或講解。

6.撰寫技術(shù)文檔，交換文檔，試制飛機(jī)

安排學(xué)生15分鐘時間，撰寫飛機(jī)制作步驟。教師巡視并點評，讓學(xué)生了解優(yōu)秀的文檔的寫作關(guān)鍵。

教師要求不同組交換文檔，引導(dǎo)學(xué)生分析別人寫的文檔。

這份文檔哪些地方是表述不清楚的？哪些是地方不符合科學(xué)原理？怎樣改進(jìn)？步驟是否完整？次序是否合理可行？有沒有更好的方案？有哪些術(shù)語是你不熟悉的？有沒有看不懂的地方？

教師歸納：學(xué)會撰寫技術(shù)文檔，在設(shè)計——實驗——改進(jìn)流程中培養(yǎng)工程思維，掌握與他人溝通的基本技能，學(xué)會清晰地表達(dá)自己的想法。

學(xué)生根據(jù)技術(shù)文檔制作飛機(jī)。在制作過程中，適時記錄文檔中出現(xiàn)的問題，要求作者要進(jìn)一步明確制作方法，然后把飛機(jī)和文檔一起交給作者。

7.改進(jìn)技術(shù)文檔，制作定型機(jī)

每一組對于文檔中的問題進(jìn)行分析、修改，并且重新制作飛機(jī)，作為定型機(jī)。

8.展示評價

對原型機(jī)和定型機(jī)同時展示，各小組進(jìn)行交流。

9.調(diào)試和試飛

各小組對飛機(jī)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試要注意安全，教師先統(tǒng)一要求不安裝螺旋槳，讓學(xué)生先對副翼、升降舵和方向舵進(jìn)行調(diào)試。正確后再安裝槳。

教師巡視提問：副翼和各個舵方向是否正確？如何調(diào)整？電機(jī)驅(qū)動方向是否正確？如何調(diào)整？

試飛注意讓學(xué)生每次只讓一架飛機(jī)升空，其他學(xué)生一邊觀察一邊做記錄，并進(jìn)行分析、討論。

四、展示匯報

包括調(diào)研報告和飛行匯報。要展示設(shè)計思路、制作過程、遇到的困難和解決過程。

五、結(jié)語

航模涵蓋空氣動力學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識。在開放性的設(shè)計、制作、放飛、調(diào)試等過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和合作精神。突出培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識的和技術(shù)文檔的寫作能力，全面提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳曉紅，田小蘭，蔣思雪.以培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)為目標(biāo)的項目化學(xué)習(xí)設(shè)計一以“愛護(hù)水資源為例”[J].化學(xué)教學(xué)，2017年第12期.