“豐臺少年1號”科普衛星研制與通信體驗活動

王英

北京市豐臺區東高地青少年科技館地處航天發源地，多年來堅持開展航天特色科技教育活動，是全國航天科普教育基地。科技館于2016年開展了“豐臺少年1號”科普衛星研制與通信體驗活動，包括衛星設計、衛星研制、衛星應用3大板塊活動，涉及衛星相關知識與技術講座，“我心中的‘豐臺少年1號”科普衛星創意設計大賽，走進中國航天一院開展衛星研制與測試實驗，文昌火箭發射基地考察，走進東方紅衛星中心參觀衛星通信地面設備，衛星通信天線制作，衛星通信效果探究，衛星信標信號接收與衛星通信等具體活動。本方案所涉及的活動，主要是“衛星應用”主題活動。

知識與技能目標

學生能夠描述衛星通信基本原理和過程。

學生能夠理解影響衛星通信效果的4個因素。

學生能夠正確使用壓線鉗、電烙鐵等工具完成衛星通信天線的制作。

學生能夠掌握追蹤衛星的過程與方法。

學生能夠熟練應用字母解釋法進行實地衛星通聯。

活動實施

參加活動的20名學生都是小學五六年級無線電通信科技興趣小組學員，他們對無線電通信和科學探究充滿熱情，參加小組活動都在2年以上，具備比較扎實的專業基礎。

活動一：衛星通信資料收集與整理，架構認知（3課時）

教師指導學生搜集活動相關資料，了解衛星通信原理和過程，了解衛星通信天線的形式和作用，學會手持天線追蹤衛星的過程等。通過閱讀相關書籍、去圖書館查閱論文、利用網絡搜索引擎、請教專家等方式進行信息搜集。教師帶領學生參觀東方紅衛星中心，參觀衛星通信地面設備，聆聽專家講座，讓學生對衛星通信有更具體、更形象的認識，建立比較系統的知識體系。學生按主題整理資料，寫成文字，并配以圖表、圖片、圖紙等，在交流會上與大家共享和研討。會后制作主題知識展板。

活動二：天線及手持衛星通信天線制作（3課時）

天線知識學習活動天線是通信系統中的重要部件，教師通過展示各種天線激發學生對天線的興趣。介紹天線的作用、好天線的標準等知識。學生做筆記，手繪各種天線，加深理解，并對比自己整理的天線資料，重新架構知識體系。通過此內容，讓學生對天線有初步的認識，明確天線在通信過程中的重要作用。

手持衛星通信天線制作活動教師以制作完成的天線為教具，講解制作過程，學生在教師指導下完成J型UV雙段衛星通信天線，并用天線分析儀調試、調整。直到做成一副工藝良好、性能優良的天線。

活動三：探究影響衛星通信效果的主要因素（3課時）

教師向學生介紹科學探究方法——變量控制法，然后學生在教師的指導下探究影響衛星通信效果的4個因素。

天線駐波比選用5個不同駐波比的天線，駐波比分別為：1.1、1.5、2、2.5、3，同時接收在軌衛星的信標信號。記錄3次通信的信號報告（RST）。

問題：駐波比對小衛星通信效果影響——（明顯/不明顯）。要想收到59的信號，駐波比不得大于——（1.5/2/2.5/3/3.5）。

天線的角度偏差選用一架駐波比在1.5以下的天線進行測試。接收衛星信標過程中，收到信號后，不轉天線，直到信號消失。測試信號消失的最大角度。測試6次，記錄測試數據。

問題：6次通信測試中，最大的天線角度偏差是——度。天線的角度偏差對衛星通信效果影響——（大/小）。

手動轉動天線時人體與天線之間的距離——使用天線分析儀測量人體與天線之間保持不同距離時（0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、1m以上）駐波比的大小變化。

問題：當人體距離天線0.5m范圍之內的時候，駐波比最大變化值是——。天線的角度偏差對衛星通信效果影響——（明顯/不明顯）。

多普勒頻移學生通過實驗，回答記錄卡上的問題。教師引入多普勒頻移的概念，并引導學生思考現實生活中多普勒頻移的例子。

問題：火車由遠及近又由近及遠的過程中，火車鳴笛聲會有什么變化？如果電臺在固定頻率，能否收到衛星信號？多普勒效應對通信效果影響____（大/小）。

此環節是學生進行衛星通信實驗的過程。教師引導啟發學生探究問題的真相，學生記錄實驗數據，并分析實驗數據，得出結論。此活動讓學生初步了解科學探究的思維方法，培養嚴謹求實的科學態度。

活動四：開展“豐臺少年1號”衛星通信活動（3課時）

在正式通信活動開始之前，把學生分為2人1組，明確分工與合作。教師首先通過提問的方式檢查學生對字母解釋法的記憶情況，要求學生熟記26個字母的解釋法。然后教師介紹追蹤衛星過程，解讀衛星追蹤軟件的數據含義，并對學生追蹤衛星過程進行多遍強化練習。提醒學生注意影響衛星通信效果的4大因素在通信活動中的靈活運用。最后，教師帶領學生一起回顧衛星通信程序。

學生負責設置好電臺設備及衛星跟蹤軟件，應用自己制作的天線，完成衛星信標接收和1次衛星通聯。通聯時的學生調頻是本活動的難點，教師要緊密觀察學生通信情況，必要時給予及時幫助，讓學生感受調頻節奏。

衛星通聯活動是整個活動的高潮，也是總結。孩子們在通聯過程中，把自己所學到的知識和技術應用于實踐，當孩子們的聲音出現在電波上的那一刻，他們是無比興奮的。“追”星的科技探索之旅暫告一段落。

活動創新點

內容創新：在教師的指導下，學生參與由我國中小學生研制的“豐臺少年1號”科普衛星活動，與書本教學內容不同，本次活動傳播的是正在發展中的科學前沿。

形式創新：通過讓學生親自參與衛星研制和應用活動，打破以往說教、參觀等被動的航天科技教育形式，讓青少年能夠像科學家一樣親自參與前沿科學的探索與嘗試，開辟了科技教育活動與國家航天科學實驗相結合的新形式。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科技教育方案類一等獎。

專家評語

該方案充分體現了“三自”原則，教育目標基本明確，傳播的相關科學知識、方法、技能和思想來源可靠，符合科技教育活動的基本規律。所設計的“豐臺少年1號”科普衛星研制與通信體驗活動內容及形式具有較好的創新性，方案同時體現出完整性和可行性，實施后亦會產生較好的示范效應。希望繼續對該方案進行完善，以充分發揮其提升青少年科學素質的作用。