指向科學核心素養的航空航天科技實踐活動設計

馬云

〔摘? ? 要〕? 為提升學生科學素養，弘揚航天精神，本方案以“仰望星空，逐夢航天”為主題，圍繞載人航天“火箭發射”“空間站運行”“返回艙降落”三個階段，設計了“飛得更高——水火箭設計與發射”“太空中的家——空間站相關創意設計”“穩穩地降落——降落傘設計與制作”三個科技實踐項目，讓學生以自主學習、實驗探究、工程設計與物化的方式去構思、設計、探究、制作、迭代，體驗工程設計師的工作流程，讓學生了解航天知識，培養學生科學思維，提高學生科學探究能力、技術與工程能力，發展創新能力，感受不畏險阻、勇攀高峰的航天精神。

〔關鍵詞〕? 小學科學；科學素養；航空航天；科技實踐

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 01? ? 043-045

一、活動背景

自20世紀70年代起，我國航空航天事業迅猛發展，尤其是近20年來，“神舟”“天宮”“嫦娥”“天問”“羲和”等航天器承載著我國人民自古以來對星空的向往，凝聚著當代科技工作者的智慧和汗水，在萬眾矚目中成功發射，將國人探索宇宙的腳步延展到月球、火星。神舟逐夢、嫦娥探月、祝融探火、天問問天這些舉世矚目的成就，使載人航天成為我國耀眼的名片，令世界仰望。

二、活動概述

本活動方案參照2022年版小學科學課程標準，以發展學生科學核心素養為核心，以“仰望星辰，逐夢航天”為主題，圍繞載人航天“火箭發射”“空間站運行”“返回艙降落”三個階段，設計了一系列科技實踐活動。

準備階段，以科技講座、觀影等形式普及航天相關知識并激發學生興趣和責任感。實施階段，通過“飛得更高”“設計太空中的家”“穩穩地降落”三個以學生為主體的主題活動，具體包括單體水火箭、多級助推水火箭設計與制作、基于Arduino開源硬件創意設計、降落傘的設計與制作等實踐項目，讓學生以自主學習、實驗探究、工程設計與物化的方式，去構思、設計、探究、制作和迭代，體驗工程設計師的工作流程。

學生在實驗探究中提高設計并實踐探究方案的能力，在設計與制作中發展工程設計能力和物化能力，在目標完成中發展創新能力，感受不畏險阻、勇攀高峰的航天精神，全面提升科學素養。

三、活動目標

科學觀念：掌握水火箭發射和降落傘減速的相關科學原理，了解水火箭和降落傘的基本結構和制作方法；了解航空航天基礎知識和近現代我國航空航天大事記。

科學思維：比較全面地分析問題的各種影響因素；基于交流情境提出觀點，建立證據與觀點之間的聯系；運用重組思維、發散思維等思維方式，進行初步的創意設計。

探究實踐：從實物的結構、功能出發，提出可探究的科學問題；制訂比較完備的探究計劃，設計控制變量的實驗方案；根據問題情境需要，定義簡單的工程問題，具有初步的構思、設計、實施、驗證與改進能力。

科學態度：抱有好奇心；以事實為依據提出自己的觀點，不盲從；樂于合作，勇于創新。

四、活動對象

本活動面向5～6年級學生。

五、活動過程

（一）準備階段

制定活動方案；與學校領導、家長溝通；召開活動動員會，做好活動前培訓，幫助學生熟悉活動進程，了解活動意義和注意事項；邀請專家，準備材料和器材、場地。

（二）實施階段

活動1：航空航天知識普及與構建

通過特色課程、主題講座、觀影和學生自主學習，對學生進行航空航天相關知識普及和科技探究方法的構建；利用年級科學特色課程時間，科技輔導員結合相關科普視頻普及航空航天相關知識；舉辦專家科普講座，邀請科技模型和科技活動專家，指導學生學習基礎模型制作技巧和科學探究方法；進行科普觀影。

活動2：“飛得更高——水火箭設計與發射”

素材準備：礦泉水瓶若干、安全剪刀（?美工刀）?、直尺、膠塞、雙面膠、熱熔膠、彩色卡紙、訂書機、水火箭發射器等。

資料準備：水火箭原理資料卡、水火箭基本結構示意圖。

提出問題：“生活中水火箭是如何飛向天空的？”引發學生思考。

自主學習：學生在確定需要解決的問題之后，通過閱讀資料、觀看制作視頻，了解水火箭的發射原理——反沖作用，以及水火箭的基本結構和基礎制作步驟，提高學生收集、提取信息的能力。

方案設計：小組合作，根據可選材料進行設計，繪制水火箭設計圖并填寫所需材料清單，培養學生的工程思維和物化能力。教師發揮指導和監督作用，進行巡視與差別化指導，和學生共同討論設計思路和注意事項，必要時提供一個有效設計案例，避免學生盲目設計。

制作與發射：小組分工協作制作水火箭，在操場進行水火箭試射，體驗反沖作用在水火箭發射中的應用，發展學生的實踐能力和團隊意識。

“飛得更高——水火箭飛行高度影響因素探究與模型優化”

提出猜想：在水火箭試射的基礎上思考“哪些因素影響水火箭的飛行高度”，培養學生全面地分析問題的各種影響因素的科學思維能力。

實驗探究：采用控制變量的思想進行實驗設計，分別探究可能的影響因素（水量、水火箭的封閉性、箭翼尺寸規格等）與飛行高度的關系；各組完成探究報告，并進行組間分享與交流。

模型優化：提出“飛得更高”這一目標，激發學生的團隊意識和責任意識；各小組在探究結果的基礎上合作改進原設計，繪制水火箭改進示意圖，并對水火箭進行改進。

成果展示：進行“飛行高度挑戰賽”，由前三名的隊伍對水火箭設計進行經驗分享。

部分結論：水量并不是越多越好，1/3左右為佳，水量過多，會因瓶內壓力下降過快而使反沖作用減小，同時出現“余水”，不利于水火箭飛行。箭翼尺寸外形要保持一致，分布要均勻，保障重心在水火箭的幾何中心上。

提出任務：“實際火箭發射為了獲得理想高度，采用了火箭助推器，我們嘗試為水火箭加裝助推器，突破單體水火箭瓶頸，再創新高！”培養學生勇于探索、大膽創新的科學精神。

自主學習：通過閱讀相關資料學習水火箭助推器工作原理——連通器原理。了解助推器的一種可行的制作方法：準備兩個相同的飲料瓶，將飲料瓶瓶底剪掉，用熱水燙一下切口，然后將兩個切開瓶底的瓶子粘住，即可得到一個助推器，為學生進行有效設計提供支撐。討論可行的助推器與主體的脫離方式：重力、速度差等。

設計與制作：小組合作自選材料設計并制作助推器，助推器選材、數量、與主體的連接方式可自選，完成助推器設計單，提高學生的物化能力，培養學生敢于嘗試、勇于創新的科學精神。

成果展示與交流：制作成功的小組進行助推水火箭的試射，并分享設計思路和制作過程中遇到的技術困難與解決方法，讓學生獲得成就感，發展攻堅克難的航天精神。

活動3：“太空中的家”

“太空中的家——夜空中最亮的星”攝影活動

信息檢索：專業網站查詢。天宮一號可見過境信息，通過中國科學院紫金山天文臺官方網站提前發布，可以網站查詢省會城市可見過境預告，包括開始、結束及最高點的時間、方位、仰角等觀測信息。手機App搜集。微信是當下普及率非常高的通信App，可通過微信小程序天文通，及時查詢天宮一號可見過境信息，引導學生有意識地搜集、記錄相關數據。

觀測與攝影：學生結合過境信息和實際天氣狀況，采用合適視角對天宮一號進行觀測，記錄天宮一號在天空中移動的軌跡，指導學生多角度拍攝不同天氣狀況、不同時間的天宮一號過境影像，或拍攝當地地標、自己與天宮一號的合影，用影像記錄“天空中最亮的那顆星”。

“太空中的家——空間站相關創意設計”

提出創意：“空間站中已經有了完備的維生系統，宇航員在其中工作生活非常安全，也較為舒適，但是太空環境和地球差異巨大，宇航員叔叔阿姨會遇到哪些不方便的小問題呢？”引導學生發現問題，提供解決問題的工程技術方案，提高學生發現問題、綜合運用相關技術創新性地解決問題的能力。

制作空間站防碰撞預警裝置。空間站中宇航員和所有物品處于失重狀態，稍有不慎就可能發生意外碰撞。通過在衣服后背處上添加超聲波傳感器，搭配Arduino主板（擴展板），自動檢測后背與其他人或物體的距離，當超過閾值時報警提示用戶及時遠離。

“日升日落”氛圍燈光設計?？臻g站中沒有日升日落，而人體生物鐘與自然節律存在密切關聯，長期處于全明或全暗的環境不利于身心健康。針對這種情況，通過開源硬件自主設計空間站燈光系統，根據地球一晝夜光強變化特點，自動改變并控制空間站內照度。

在完成兩個基礎創意的基礎上，可以通過加一加等方法，進行自主研發，添加多種執行器，完善功能，提升用戶體驗，并進行外觀設計，將傳統文化、航天精神等反映在設計的作品上。

活動4：穩穩地降落——降落傘設計與制作”

材料準備：多種不同布料，如棉布、麻布、尼龍布等，編織繩，安全剪刀，直尺，簽字筆等。資料準備：降落傘結構資料。

明確需求：為返回艙安全著陸設計降落傘，實現有效減速、平穩落地的目的。

自主學習：在教師引導下聚焦并搜集有關降落傘結構、功能，以及傘面材質、大小、形狀，傘繩多少、長度對降落傘下降影響的資料。

提出挑戰任務：設計并制作一頂可攜帶200克左右重物且能夠平穩下降的降落傘，要求下落的時間長且可以在2米左右高空安全釋放、打開并安全降落在指定的區域內。

討論與探究：小組成員圍繞“平穩”和“減速”討論設計降落傘的關鍵問題，如選材、傘面形狀、傘繩數量與長度等，在給出建議的同時說明依據，培養學生根據理論依據進行分析和決策的能力。聚焦組內有爭議的影響因素，設計對比實驗進行探究并記錄結果，對數據進行分析，培養學生設計探究活動的能力和實踐能力。

設計與制作：根據討論和探究所達成的共識，自主選材并繪制設計草圖，進行尺寸標注。小組成員分工協作制作降落傘，關注傘繩和傘面的連接方式。

成果展示與改進：實物功能測評，以降落時長和降落位置評價降落傘功能。

六、成果總結與展示階段

模型制作：學生在整個科技實踐過程中要經歷多個階段性成果展示比賽，教師要不斷地給學生建議和指導，并對表現突出的學生進行表彰和宣傳。

研究匯報：組織學生及時進行總結，撰寫活動報告。

科技論文：結合收集的資料和探究的具體問題，指導學生撰寫科技創新論文或科技實踐活動報告，擇優推薦參加各級科技大賽。

在學校一年一度的科技節模型展中設立航空航天專區進行模型實物展示，優秀小組在相關主題科技報告中向學校師生進行展示交流，并利用微博、微信等自媒體擴大宣傳。

參考文獻

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