基于遙控固定翼電動航空模型的STEM教育活動設計

黃海

【摘要】通過對固定翼航模動力和機翼的學習和討論，啟發學生制作電動航空模型，重點是讓學生解決一個開放性問題。學習過程貼近現實，對學生的創造性、批判性思維能力、溝通和協作能力、解決現實問題能力都會有極大的提升。

【關鍵詞】航空模型 STEM

【中圖分類號】G632.4

【文獻標識碼】A

【文章編號】1992-7711（2020）14-163-01

一、教學目標和內容

提高學生綜合運用跨學科知識解決實際問題的能力，培養創新精神。涉及工程、物理、技術、數學、寫作五個領域，以使用無刷電機為驅動方式，設計制造一架遙控固定翼航模飛機，撰寫技術文檔。學習使用各種工具，教學時間為130分鐘。

二、教師引入過程

引導學生討論：飛機飛行時，動力特點？機翼的構造特點？

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

螺旋槳在飛機前頭的、在機翼兩端的。發動機在機翼兩端的、在飛機尾部的。

現代飛機一般都是單翼機，但歷史上也曾流行過雙翼機、三翼機和多翼機。根據單翼機的機翼與機身的連接方式可分為下單翼、中單翼、上單翼。

學生有準備圖片的，可以由組長代表小組展示圖片。否則，教師進行歸納時，配以圖片講解。

根據動力情況，教師也要進行歸納、分類。

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

學生根據圖片進行分類識別。

通過這個學習過程，學生對飛機有進一步認識。

三、小組合作設計、制作

1.出示任務和評價表

（1）任務：選擇材料，制作一架遙控電動航模飛機。

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

2.信息收集（課前完成）

教師組織學生運用信息收集手段對現實中飛機的機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置等信息進行收集。各小組調研后提交詳細的調研報告，作為匯報展示的一部分。

3.設計方案

小組進行討論，確定要制作的飛機的外形、動力方式，并畫出設計圖。教師對學生進行指導，幫助學生完成完善設計方案、評估可行性和制作難度，幫助學生解決結構設計，電路設計、驅動和控制設計等方面的問題。

4.制作原型機

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

5.知識性講解

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

6.撰寫技術文檔，交換文檔，試制飛機

安排學生15分鐘時間，撰寫飛機制作步驟。教師巡視并點評，讓學生了解優秀的文檔的寫作關鍵。

教師要求不同組交換文檔，引導學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原理？怎樣改進？步驟是否完整？次序是否合理可行？有沒有更好的方案？有哪些術語是你不熟悉的？有沒有看不懂的地方？

教師歸納：學會撰寫技術文檔，在設計——實驗——改進流程中培養工程思維，掌握與他人溝通的基本技能，學會清晰地表達自己的想法。

學生根據技術文檔制作飛機。在制作過程中，適時記錄文檔中出現的問題，要求作者要進一步明確制作方法，然后把飛機和文檔一起交給作者。

7.改進技術文檔，制作定型機

每一組對于文檔中的問題進行分析、修改，并且重新制作飛機，作為定型機。

8.展示評價

對原型機和定型機同時展示，各小組進行交流。

9.調試和試飛

各小組對飛機進行調試，調試要注意安全，教師先統一要求不安裝螺旋槳，讓學生先對副翼、升降舵和方向舵進行調試。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？如何調整？電機驅動方向是否正確？如何調整？

試飛注意讓學生每次只讓一架飛機升空，其他學生一邊觀察一邊做記錄，并進行分析、討論。

四、展示匯報

包括調研報告和飛行匯報。要展示設計思路、制作過程、遇到的困難和解決過程。

五、結語

航模涵蓋空氣動力學、力學、機械學、材料學、數學等多學科知識。在開放性的設計、制作、放飛、調試等過程中，培養了學生的實踐創新能力和合作精神。突出培養了學生的工程意識的和技術文檔的寫作能力，全面提升了學生的綜合素質。

【參考文獻】

[1]吳曉紅，田小蘭，蔣思雪.以培養學生STEM素養為目標的項目化學習設計一以“愛護水資源為例”[J].化學教學，2017年第12期.