動力飛行

沈玲彤

蘇教版《科學》要求低年段學生觀察并描述空氣的特征，中年段學生認識空氣的基本性質，學生在科學課堂上對于空氣的了解不斷加深，因此本文建構“動力飛行”STEM+課程，拓展空氣動力學的相關知識，以科學知識、技術技能為基礎，以數學知識、工程設計為方法，帶領學生認知世界、探索規律、解決問題。

STEM教育是美國在20世紀末提出的教育理念，并于21世紀不斷在發達國家中進行推廣和發展，我國從21世紀初期開始進入STEM教育的研究行列，隨之引來了大量專家學者的關注，關于STEM教育的研究論文發表數量逐年增加，因此也迎來了STEM教育的迅速發展期。STEM是指科學、技術、工程和數學的總稱，而“+”則代表了文學、藝術等其他多種學科的融合和交叉，因此STEM+課程是一種綜合性的、實踐性的、探究性的、融合性的課程，它倡導學生進行跨學科和項目式的學習，培養學生發現問題、解決問題、邏輯性思考的能力。S（Science）代表科學，在STEM+中是重要的一環，因此我們就不難發現科學課程與STEM+課程的關系，它們之間是緊密聯系的。而且2022年頒布的《義務教育科學課程標準》中也指出科學課程是一門綜合性的基礎課程，目的是為提高全民科學素質、經濟發展和科技強國打下良好的基礎。同時，課程理念倡導在教學過程當中創設有趣的、良好的學習情境，倡導科學探究與技術工程實踐有機結合，讓學生主動學習、積極體驗和感受。因此，在開發STEM+課程時可以以科學課程為基礎，將科學課程的內容進行系統的總結和拓展，從而形成跨學科或者項目式的學習任務，凸顯出學生的“學”，創設生活情境，強調探究和實踐，注重過程性評價和總結，給予學生合適的反饋。

“動力飛行”是在蘇教版《科學》對于空氣相關科學知識的學習基礎之上設計并建構的STEM+課程，課程在調查研究階段融合數學和工程的方法，從而幫助學生完成基本的實驗探究和設計制作。同時，在設計方面通過對飛機外觀的評比，注重學生藝術審美的培養。在任務評價和最終的評比中，通過量表更加細化地去評定，完成對學生過程性的評價和完成性評價。最后，通過拓展內容，幫助學生進一步加深理解和學習，拓寬學生的視野，加強學生對新技術、新科技的向往和探索。最終，整個課程倡導理論和實踐緊密聯系，積極引導學生學會自主探究、自主學習和小組合作學習。

1 課程目標

（1）科學

①知道空氣流速快會導致壓力下降。

②發現強有力的氣流與物體運動間的關系。

（2）技術：學會選擇合適的工具和材料，設計并制作飛行器。

（3）工程：通過不斷地改進優化飛行器。

（4）數學：通過測量、記錄、分析飛行數據。

（5）藝術：設計并美化飛行器的外觀。

2 課程重點

本課程旨在引導學生解決如何讓飛行器利用空氣產生動力從而能夠飛行的問題，首先學生要知道空氣動力的原理，找到飛行的方法，然后再設計能夠飛行的裝置，在設計過程中要反復測試飛行的高度、飛行的時間、飛行的距離，最終確定設計方案。在整個過程中，運用科學、技術、工程、數學和藝術等知識來解決這一問題。

【涉及領域】科學、技術、工程、數學、藝術

【建議年級】小學中高年級

【建議課時】8課時

【準備材料】《飛行傳奇》《飛行員之眼》等航空類紀錄片、《飛機全書——一部明晰可見的歷史》等航空類書籍和資料、氣球、打氣筒、細繩、吸管、輕的卡紙、鉛筆、剪刀、吹風機、膠帶、小木棒、硬紙板、KT板、電機套裝、熱熔膠槍等。

3 課程步驟

3.1 問題聚焦（1課時）

（1）了解飛行器的歷史

課前收集人類飛行的資料，課堂上一起閱讀、分享人類動力飛行的實踐過程。從古至今人類多少次夢想著自由翱翔，因此有了許多飛天故事，中國有嫦娥奔月、敦煌飛天、萬戶飛天等傳說故事，也有許多民間發明成為后來飛行器的模型，例如：孔明燈、風箏、竹蜻蜓等。熱氣球、飛艇是人類首次實現飛上天空夢想的工具，由于它們的局限性后來逐漸被取代。滑翔機是一種沒有動力裝置的飛行器，歷史的先行者奧托·李林達爾的滑翔機為后人奠定了飛行基礎。在20世紀初，萊特兄弟完成了人類歷史上最偉大的飛行，他們解開了動力飛行的秘密，隨后航空業蓬勃發展，單翼機、雙翼機以及軍用飛機都應運而生。飛機發展的幾個重要階段有：滑翔機、螺旋槳飛機、噴氣式飛機、直升機和民航機，馮如是中國歷史上自制動力飛機且試飛成功的第一人。

【設計意圖】在了解人類動力飛行的實踐探索過程中，讓學生感受人類發明創造的艱辛過程，學習不畏艱險努力拼搏的科研精神，同時引導學生學會收集資料，自主閱讀，熱愛分享。

（2）聚焦主題

飛機的結構包括機翼、機身、尾翼和起落架，飛機飛上天空的秘密是什么呢？其實空氣給飛機提供了動力，回顧之前學習的空氣的特點，思考并聚焦提出的問題，即如何利用空氣動力進行飛行。

【設計意圖】以問題的形式聚焦活動主題，提出科學問題是科學探究能力的體現，學生在問題中明確探究對象，并針對問題進行合理猜想和假設，為隨后的課程活動方案奠定基礎。

3.2 調查與研究（3課時）

（1）奇怪的氣球（探究空氣流速與壓力間的關系）

學生分組準備好兩只氣球、細線、打氣筒和吸管，教師指導學生將兩只氣球用打氣筒充氣到一樣大小，并系好口；用線將氣球掛好，使它們相隔一小段距離，進行空氣流速與壓力探究實驗（表1）。

【設計意圖】通過簡單而又有趣的氣球實驗，讓學生直觀地感受空氣流速與壓力的關系，為后面機翼結構和飛行原理的學習做鋪墊。

（2）飛機的機翼（探究升力的產生）

學生分組準備好輕的卡紙、膠帶、細線、打氣筒、鉛筆、吸管、吹風機和剪刀。教師展示機翼圖片并指導學生制作機翼原理模型，將輕的卡紙折成不同的兩半，其中一半稍比另一半大些；然后把紙的邊緣粘在一起，使得紙的上部呈彎曲的弧形；用鉛筆在紙的上下面各扎一個小孔；剪一小段吸管，把吸管穿過小孔用膠帶固定住；將細線穿過吸管；將細線系在某個固定物體上，使機翼能上下移動，進行升力的產生探究實驗（表2）。

【設計意圖】在空氣流速與壓力關系探究學習的基礎上探究機翼結構，可以更好地理解機翼產生升力的原理，同時通過實驗，直觀地感受到升力的方向和機翼運動的軌跡。

（3）飛機的尾翼（探究尾翼的穩定功能）

學生分組準備好輕的卡紙。教師指導學生折一個紙飛機，在飛機的尾部折出小折葉，進行尾翼的穩定功能探究實驗（表3）。

【設計意圖】通過調整折葉試飛并觀察紙飛機的運動軌跡，直觀地感受到折葉對飛機飛行方向的控制，從而了解飛機尾翼在實際飛行過程中的功能和作用。

（4）噴氣氣球（探究噴氣式發動機）

學生分組準備好細線、膠帶、氣球、吸管和打氣筒，把細線穿過吸管，把穿過吸管的細線橫著拉開并固定，把兩條膠帶粘在吸管上，用打氣筒把氣球吹起來，把氣球粘在膠帶上，進行噴氣式發動機探究實驗（表4）。

【設計意圖】用簡易的氣球裝置模擬噴氣式發動機的工作原理，幫助學生了解噴氣式發動機，為后期制作動力飛行器做好理論準備。

（5）橡皮筋馬達（探究橡皮筋動力原理）

學生分組準備好橡皮筋、螺旋槳、硬紙板、小木棒，在硬紙板上用剪刀剪出飛機的機翼和尾翼，并用膠帶和橡皮筋將機翼和尾翼固定在小木棒上，用橡皮筋在木棒頂端連接螺旋槳，進行橡皮筋動力原理探究實驗（表5）。

【設計意圖】通過探究橡皮筋動力模型了解橡皮筋產生動力的原理，在實踐操作中增加學生的學習興趣，同時也為后期動力飛行器的設計與制作做好理論準備。

3.3 設計與制作（2課時）

【明確任務】請同學們結合前面學習的空氣動力的知識，使用小木棒、螺旋槳、橡皮筋、電機套裝、硬紙板、KT板、熱熔膠槍等材料制作創意動力飛機。教師呈現評價量規（表6），學生對照表格的要求分組完成設計與制作。

【設計意圖】學生結合前期的知識和實踐基礎自主設計和制作飛行器，激發學生的創造力、主動探究和操作能力，通過設定任務評價量規方便對學生進行過程性評價，同時注重引導學生進行小組合作學習。

3.4 展示與評價（1課時）

對飛機的飛行參數進行記錄并使用評價標準對本組作品和其他組作品進行評價（表7）。

【設計意圖】通過飛行參數記錄表對小組作品評價，使評價更具體、更科學和完整，激發學生完成任務的自主性和積極性。

3.5 拓展與應用（1課時）

（1）生活中各種各樣的飛行器

飛行器有航空器和航天器等，航空器在大氣層內飛行，航天器在太空飛行。航天器包括人造地球衛星、空間探測器、載人飛船、空間站等。航空器大體分為輕于空氣的輕航空器和重于空氣的重航空器，輕航空器主要包括熱氣球和飛艇，重航空器分為固定翼機、直升機和滑翔機。

【設計意圖】通過了解生活中各種各樣的飛行器，拓展學生的知識面，激發學生積極探索的興趣，幫助學生了解更多飛行器的種類，了解更多領域飛行器以及它們各自的功能。

（2）無人機

百年前用無線電操縱的小型飛機是無人機最初的概念源頭，在戰爭中許多國家把無人機做成訓練使用的靶機，美國人最先將無人機投入戰場，隨后西方各國爭相研發無人機從而在戰爭中發揮其重要作用，它們無論是從航時、作戰距離、通信方面都有重大的突破。現在，無人機的應用逐漸從軍事領域向民用領域發展，如無人機物流配送、遠程監控等等，未來無人機的功能和應用領域也將更加多樣化。

【設計意圖】通過了解無人機的發展，使學生能夠更加緊密聯系生活，引導學生關注身邊的科技發展動態。

（3）3D打印·飛行器

使用3DOne進行簡單形體的建模，使用長、寬、高等參數對幾何學重點基本體進行計算，以形成飛機基本結構形狀，通過3D打印技術進一步豐富飛行器的外觀，然后將建模文件上傳并打印。

【設計意圖】通過3D打印技術制作飛行器更加便捷，同時能加強學生的綜合素質，提升學生的信息素養，也能開闊學生的跨學科視野，提高學生的跨學科學習能力。

（作者單位：南京外國語學校方山分校）