以航模為載體的STEM科教課程介紹及設計案例

寧煜

摘 要：近年來我國對于中小學科學教育的重視程度逐步提高，但中小學開展科學課程卻面臨課程類型單一、課程內容不科學等問題，因而導致課程只停留于表面，落實效果差，無法達到科學課程應有的目的。而作為集數學、物理、計算機編程、電子通信工程等多門學科領域的具有科研性質的航空模型運動便可以成為此類STEM課程適合的載體。通過開展以航模為載體的STEM課程，能夠讓學生在拓寬知識領域的同時，培養其創新意識、合作及動手能力，同時全面提高青少年身體素質。本文主要以解析當今科教課程的現狀為前提，以航模類課程為例，分析此類課程的優勢與開展方式，并提供一項“水火箭”課程設計案例。

關鍵詞：STEM教育 航空模型 航模課程 “水火箭”課程案例

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0217-03

1 科學（STEM）教育的主要目的

科學（STEM）教育是一種以傳授基本科學知識為手段（載體），以素質教育為依托，體驗科學思維方法和科學探究方法，培養科學精神與科學態度，建立完整的科學知識觀與價值觀，進行科研基礎能力訓練和科學技術應用的教育。

其主要目的為使青少年掌握自然科學的基本知識和基本技能，學會科學方法，體驗科學探究，理解科學技術與社會關系，把握科學本質，養成科學精神，全面培養和提高科學素養；并通過培養具有科學素養的合格公民，發展社會生產力，改良社會文化，讓科學精神和人文精神在現代文明中交融貫通。

2 中小學科學教育的開展現狀

近年來響應教育部號召，中小學科學課程從開展內容、方式、效果等多方面提出了新的要求。但由于科學課程內容單一枯燥、對于實驗設備要求較高等原因，科學課程的開展一直成為難題。作為能夠適應科教要求的STEM教育方案，以其全面的課程領域和良好的課程效果得到重視，諸多學校廣泛效仿應用。

3 航空模型的相關介紹

3.1 航空模型的定義

航空模型是航空航天模型的簡稱，是一類按照比例進行縮小或適當簡化結構的、能夠實現于原飛行器相同的飛行效果的模型玩具。顧名思義航模分為航空模型和航天模型，航空模型指固定翼、多旋翼、直升機類飛行器，而航天模型則是仿航天器外形制作的一種可回收模型，是供體育運動用的一種不載人的飛行器，其動力為水動力或模型火箭發動機。

航空模型是一項包含數學、物理、電子通信工程、計算機編程等多門學科在內的科研競技類體育運動。當今，國內外科研類、競技類航空模型賽事廣泛開展。

3.2 航空模型的分類

3.2.1 按動力模式分類

無動力飛行器、電動飛行器、油動飛行器三類。

3.2.2 按飛行器類型分類

固定翼飛行器、多軸飛行器、火箭飛行器三類。

3.3 航空模型產業的現狀

3.3.1 政策下的航空航天教育產業

2016年11月，國家體育總局等9部委聯合發布了《航空運動產業發展規劃》，被認為是中國航空體育運動新的發展機遇。在《規劃》中，航空運動產業被認為“是重要新興體育項目產業之一……涵蓋目前我國正式開展的運動飛機、熱氣球、滑翔、飛機跳傘、輕小型無人駕駛航空器、航空模型等六大類共26個運動項目?！蓖瑫r，《規劃》中明確提出，將“積極開展青少年航空運動。通過無人駕駛航空器（無人機、航空模型、航天模型）進課堂、推廣校本課程、組織學生開展課外航空運動活動等多種形式，推進中小學校航空科技體育活動開展，培養青少年對于航模制作飛行等基本航空運動興趣。鼓勵學校與專業航模培訓機構合作，加強青少年航空運動培訓，培育青少年參與航空運動和養成航空運動消費習慣?！?/p>

3.3.2 航模作為科研類賽事的開展情況

由于航模運動知識多元化的特點和其本身不斷發展的趨勢，科技創新在航空模型領域就顯得格外突出。目前，航模運動是一項正處于高速復興的科研類體育運動，國內以至國際每年都舉辦多項重大科研類賽事。

“中國國際飛行器設計挑戰賽暨科研類全國航空航天模型錦標賽”（簡稱CADC錦標賽）是科研類賽事的代表。

3.3.3 航模作為體育競技類賽事的開展情況

航空模型運動本身作為一項體育競技類賽事，在世界范圍內涉及諸多賽事。其中包括如“航空模型世界錦標賽”等國際最高規格賽事，“航空模型全國公開賽”等國內高水平賽事?！叭\會”、“市運會”等體育綜合賽事中也包含航空模型運動項目。

3.3.4 航空模型（無人機）在社會服務領域上的應用

航空模型按照飛行器類別分類分為固定翼類、多軸類和火箭類。其中多軸類飛行器（常見四軸飛行器）即為無人機的雛形，而無人機在當今社會應用范圍廣泛。

無人機按應用領域分類，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機。在民用方面，無人機能應用于航拍、農業、植保、微型自拍、快遞運輸、災難救援、觀察野生動物、監控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災、影視拍攝等多個領域。

實例一：北京、天津、上海等諸多城市街道已經開始采用無人機執法，從而節省警力。

實例二：重大事故（如天津港大爆炸）發生時專業人員無法進入勘察情況，而無人機能夠第一時間安全可靠的獲取現場信息。

實例三：目前我國農業生產逐步全面自動化，其中灌溉、播種、防火防蟲等作業已經逐步采取無人機作業，極大節省勞動力，同時提升作業效率。

3.4 適合中小學科學課程的航模種類及特點

適合小學第一學段開展的航模種類主要包括：手擲泡沫飛機（初級）、橡筋動力滑翔機、水動力火箭（初級）等。其主要特點在于開展成本低、開展過程簡易且安全，同時能夠讓學生在活動中體驗動手制作的過程，并對“飛機”有初步的理性認識。

適合小學第二學段開展的航模種類主要包括：手擲泡沫飛機（中級）、橡筋動力撲翼機、一級牽引滑翔機、水動力火箭（初級）、電動自由飛等。此類課程相較第一學段，在學生動手制作的部分增加了難度，同時在飛行環節中對學生身體協調能力、合作能力提出了更高要求。

適合中學及以上開展的航模種類主要有：多旋翼飛行器、水動力火箭（中、高級）、彈射飛機、無線遙控KT紙飛機、電動滑翔機、DLG手擲滑翔機等。針對12歲及以上的學生，其已經具備了較強的理解能力，對一些抽象理論概念能夠有所認識。同時此類飛行器在教師傳授完成簡易制作和飛行的基礎上，對于學生動手制作、操作飛行等方面，創新思維、設計能力提出更高要求。

4 “以水動力火箭飛行器”為例的航空模型課程方案示例

4.1 活動課程環節詳細介紹

4.1.1 活動材料準備：（每套材料）

500mL碳酸飲料（雪碧）瓶兩個、水火箭套材一套（含四個尾翼、一個整流罩）、發射臺一臺、打氣筒一只、電工膠布一卷、剪刀一把、水適量。

4.1.2 理論知識講授

理論知識講授環節主要包含航空模型、火箭類飛行器、專有名詞的介紹；科學實驗中所設計的物理知識或常識的講解等內容。

（1）航空模型（水火箭）相關知識的介紹（同標題“一”內容）。

（2）專有名詞：整流罩、尾翼、動力倉、水火箭發射臺（其中包括：安全銷、發射棒、鎖扣）、氣筒、加壓。

（3）物理知識或常識：流線型、尾翼的平衡作用、整流罩的整流作用、動力的作用力和反作用力。

4.1.3 水火箭制作方法（具體步驟）

（1）將清洗好的雪碧瓶取出，揭去表面標簽，并任選其一進行裁切：從瓶底向上兩厘米為截面裁切，保留上半部分（大），丟棄其余部分（?。?。

[注意]裁切過程中剪刀的使用安全，同時盡可能保證裁切的平整性。

（2）將完整的雪碧瓶作為動力瓶、裁切的雪碧瓶作為火箭箭體，動力瓶瓶口向下、箭體瓶口向上，完成對接，并用電工膠帶纏繞固定。

[注意]保證箭體與動力瓶連接的同軸性，可采取旋轉觀察的方法確定。電工膠帶纏繞2～3圈確保連接的牢固性。

（3）取出火箭套材中的四個尾翼，揭去3M雙面膠帶粘貼于動力瓶標簽平面處，安裝完成后使用電工膠帶固定。

[注意]安裝時注意相鄰尾翼兩兩垂直，上下高度統一。

（4）將水火箭套材中的整流罩取出，安裝于火箭箭體前部，并用電工膠帶纏繞牢固。

[注意]為確保牢固，應使用電工膠帶纏繞2～3圈。

（5）去除動力瓶瓶口的瓶蓋和密封環。

4.1.4 發射臺的使用及水火箭發射流程

（1）發射臺的使用步驟。

①打開發射鎖扣（將鎖扣開口向上）。

②火箭加水（容積的1/3），并將發射臺抬起，引導管從火箭動力瓶瓶口進入，將火箭按壓至引導管最底部，擺正發射臺。

③關閉發射鎖扣（將鎖扣開口對向彼此）。

④安裝發射棒，而后安裝安全銷。

⑤調整發射臺發射角度及方向。

（2）水火箭發射流程。

①按照以上步驟安裝發射臺及火箭。

②利用氣筒為火箭動力艙打氣加壓（觀察氣壓表示數，控制壓力范圍在3～6個大氣壓之間）。

③向指導教師申請發射（申請并舉手示意）。

④指導教師允許查看安裝情況，并下達允許發射，拔安全銷的指令。

⑤學生拔下安全銷、手持引導線等候發射倒計時。

⑥教師下達倒計時指令（由5開始倒數，數至1后下達發射口令）。

⑦學生快速牽拉引導線拉出發射棒，水火箭發射升空。

⑧待火箭落地后，教師下達回收火箭指令，學生回收火箭。

4.1.5 “定點打靶”競賽開展方案

為增加活動體驗性，教師可在學生熟悉火箭發射操作的情況下，根據需要增加競賽類活動。

學生以5組為一批次進行發射，發射起點設置于以靶心為圓心，50m為半徑的圓弧上，每組相鄰5m。在下達發射口令后，每一批次統一發射，發射結束后裁判員進行測量火箭與靶心之間的距離，距離小者取勝。

[意義]開展此項競賽可以提升學生對于火箭安裝及發射的熟練度，同時感受火箭發射的水量、壓力、發射角度和距離之間的關系，從而引導學生初步建立數學模型。

4.2 活動開展注意事項

（1）教師需要確保尖銳工具（如剪刀、壁紙刀等）使用的安全。

（2）發射環節的開展應使用不小于一個標準足球場的場地，并確?；鸺A計著陸區域沒有無關人員。

（3）學生發射過程務必遵守發射流程（本流程參照國際火箭類賽事中標準的發射要求及發射規則）

（4）學生應位于發射臺后方，前方為火箭預計著陸區（即危險區），火箭升空且未落地前，學生不得前往回收。

（5）根據相關空中管制要求，在重大會議進行期間，限制區域應停止相關活動的開展。

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