STEM理念下“遙控紙飛機”科技活動的設計與實施

林志增

【摘 要】STEM教育理念對開展科技教育活動有較強的指導作用，“遙控紙飛機”活動項目以航模為活動背景，通過明確要求、討論、工具設備使用培訓、設計與制作、調試與改進、交流與評價等過程，引導學生設計和制作自己的航模飛機，在反復的設計制作與測試中驗證設計方案是否合理，從而培養學生運用多學科融合方法解決實際問題的能力。

【關鍵詞】STEM理念;遙控紙飛機;設計;實施

1.活動設計背景

STEM教育最早起源于美國，旨在打破學科邊界，通過運用多個領域的知識與技能解決真實問題，鍛煉和培養學生的工程師素養與創新精神。我國對STEM教育的研究開始于2008年左右，在2015年，教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》中首次提出要“探索STEM教育、創客教育等新教育模式”，自此引發了STEM 教育研究的熱潮。航模科技活動具有趣味性、實踐性和科學性，一架航模飛機從設計到完成要用到多方面的科學知識和操作動手能力，很適合用于開展STEM活動。

2.活動設計理念

在“遙控紙飛機”科技活動中，STEM理念主要體現在下列幾個方面：科學（S）方面，航模飛機的原理涉及牛頓力學定律、伯努利原理、電氣知識和無線電知識等;技術（T）方面，在活動中每個學生都是設計師，模型制作中涉及各種新型材料、各種粘合劑、各種木材和金屬，學生在設計與制作航模的過程中需要思考應該選什么材料，要用哪些工具，怎么操作，能培養學生的問題意識和技術素養;工程（E）方面，通過對航模飛機電池、電子調速器、電機和螺旋槳規格的合理選擇，能加深學生對統籌方法的理解;數學（M）方面，通過對航模飛機三視圖的分析、設計，能加強學生對立體幾何的理解，通過對無刷馬達的輸入功率、效率、損耗功率、馬達殼體溫度等參數的實驗和數據分析，能提高學生的數據處理能力。

3.活動情景的引入與問題的提出

很多學生尤其是男生都有一個“飛行員夢”，他們夢想自己能親自駕駛飛行器在藍天白云中翱翔。教師引導學生：我們能不能造一架自己的“飛機”？可以操控其飛行，性能可靠，跌壞時又可以更換或升級零件。在課堂上討論這個問題時大家都很興奮。于是，選修課上的學生開始了自己“造飛機”的項目研究。

4.科學討論與明確方案

雖然造的是航模飛機，但航模飛機的氣動性和飛行原理和真飛機是一樣的，造飛機可不是簡單的事情，首先要知道飛機的飛行原理。

通過課堂上的一系列討論，學生得到：若要使航模飛機平穩飛行，飛機的結構、重心必須要合理;一架遙控紙飛機要有機翼、機身、電子調速器、無刷電機、螺旋槳、舵機等部件。

5.工具設備使用的培訓

航模制作需要用到一些專用工具，有些工具具有一定的危險性，為了避免對學生造成傷害和減少損失，有必要對學生進行一些工具設備使用的培訓。

工具設備培訓的第一原則是安全，讓學生懂得保護自己和保護器材，在保證安全的情況下容許學生犯錯，讓學生自己體會其中的奧秘。

6.方案的設計與制作

6.1設計

通過體驗、討論交流，學生對航模飛機有了一定的認識，按照現成的圖紙制作一架航模飛機，不是一件太難的事。但根據自己的需要設計制作一架航模飛機，對學生來說還是有一定的挑戰性。

對此，教師要引導學生以小組為單位搜索資料、解決相關問題。

并提醒他們在設計時仔細考慮可利用的資源、實施難度和制作方案的可操作性。

學生根據教師提出的問題分組設計，畫出三視圖。這一環節，教師要積極參與學生設計活動，給予學生點撥、評價，如哪些方案容易實現、哪些方法制作難度較大、哪些設想不現實等。針對學生在活動中遇到的疑難問題，教師應引導學生自己感悟、積極思考、探索解決問題的途徑和方法。

經過多次反反復復的比較、分析、討論、交流，學生終于得出了結構最合理、造型最簡單的飛機制作方案。

6.2制作

根據設計方案準備零件，按照設計圖打印1：1圖紙，貼在KT板上切割出機身，然后使用熱熔膠槍、纖維膠布等工具把機身進行粘貼并安裝電機座和舵角，接著給飛機裝上電機、電子調速器、接收機、舵機等電子器件。安裝完電子器件后放上電池，測量飛機的重心位置并做下標志。

7.模型的調試與改進

在模型制作完成后，學生從調整模型的重心、電機位置、推力線、電機與螺螺旋槳的搭配等方面測試，進而驗證之前的設計是否合理。在本環節中，學生像工程師一樣去設計實踐，像科學家一樣去縝密思考，進一步體驗了工程設計的基礎流程和學科知識的融合在此項目中的應用，提高了學生的動手實踐能力，在迭代改進中不斷提升自己的思維能力，為成為卓越的工程師奠定了良好的基礎。

8.交流與評價

經過反復的測試改進之后，學生得到了最終的作品，教師組織學生進行成果展示比賽，讓航模飛機在特定的航線中完成直線飛行、左右轉彎、爬升、降落等動作，根據完成的情況打分。

9.小結

通過以上案例可以發現，隨著現代科學技術的飛速發展，科學、技術、工程和數學領域間的聯系也越來越密切，教師在教學中要多關注各學科間的聯系，進一步挖掘學科知識的實際應用價值，將科學知識融入到真實的生活中，探索科學、技術、工程和數學之間的聯系，發展學生適應未來職業和學習所需要的能力和素養。

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