大飛機航空科普體系設計研究與實踐

摘" 要" 當前，我國正在加快建設航空強國，航空科普作為宣傳航空發展、培養青少年創新精神、激發航空報國熱情的重要方式，受到黨和國家的高度重視。分析國內外航空科普現狀，總結調研上海、寧夏部分中小學生參加過飛機相關科普人數及主要途徑情況；基于STEM理念和主要飛機設計部門或專業研究設計了大飛機航空科普及競賽系列課程；中國商飛作為研制國產大飛機的主體單位，主動承擔社會責任，在上海、寧夏等地舉辦首屆“大飛機杯”航模競賽及系列航空科普活動，給當地師生帶來一場精彩的航空之旅，增長了科學知識，為學生播下了航空報國的種子。

關鍵詞" 大飛機；航空科普；航空模型；STEM

中圖分類號：G639.2" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）15-000-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.15.004

0" 引言

百年大計，教育為本，青少年是國家的未來，民族的希望，更是傳承航空事業的后備人才。給孩子們的航空夢插上翅膀，讓祖國未來的天空上精英云集，航空科普教育的快速推廣刻不容緩。青少年處于身心快速發展的時期，應盡早對其開展航空科普教育，激發航空熱情和興趣，鍛煉動手能力。此外，航空科普作為傳播航空知識、體驗飛行樂趣、探索未知、落實科教興國戰略的重要方式，不僅給學生播下航空夢的種子，也給學生的家長、參觀航空表演的各界群眾帶來觸動，提升廣大人民群眾對航空安全的信任度，從而推動整個社會，關注航空、了解航空、支持航空。

近年來，青少年航空科普教育開始在國內興起，眾多企事業單位通過航空科普課件講解等科教活動，幫助青少年學習人類的飛行夢歷程，了解各類型飛機的特性、主要結構、飛行原理以及實現飛行所需的空氣動力學等相關知識。此外，在了解和制作航模的過程中，提高了青少年對航空科學的興趣以及實際動手操作能力，播下航空強國夢的種子。最終在系統性的航空模型競賽中，鍛煉青少年基于現有材料和技術，快速設計制作最佳航空模型的能力，提高我國青少年的實踐能力和科技創新能力。

1" 國內外航空科普現狀

中國作為最早發明火箭的國家，但與歐美等發達國家相比，我國青少年特別是西部偏遠山區的中小學生，接觸專業航空科普教育的機會極少。基于此，本研究在寧夏、上海開展了大量的航空科普調研工作，其中，2020年在寧夏西吉某鄉村中學七、八、九年級共計193名學生中開展大飛機相關航空科普問卷調查，193名學生中無人嘗試或沒有機會從日常教學、家庭、研學、期刊等途徑接觸專業的大飛機航空科普，學生了解或學習飛機相關知識和航模表演的途徑主要為大飛機支教團老師的講解和參加商飛對口幫扶的夏令營活動，部分學生通過網絡碎片式接觸過航空科普，具體如圖1所示。

自2021年至2023年10月，筆者所在單位在上海開展大飛機航空科普活動十余次，有記錄并參與調查的小學三至五年級學生177人，受調查的學生中均去過科技館了解過航空科普知識，近一半學生通過家庭、研學、學術期刊等多種渠道接觸過航空科普知識，較多學生借助校企合作或其他平臺有機會走進大飛機設計研發或總裝制造中心，近距離了解學習國產大飛機，具體如圖2所示。

截至2023年底，我國有通航機場451個，民航機場259個，規模化的航空博物館有34個，專業化的飛行表演隊只有熟知的八一飛行表演隊、紅鷹飛行表演隊等為數不多的飛行表演隊[1]，且每年公開飛行表演的機會較少，航空科普覆蓋率較低。近幾年來，部分景區開放直升機觀光游項目，但票價約600～800元人/次，對于大部分山區的學生來說，基本沒有能力接受。隨著我國經濟的快速發展，近年來，航空科普越來越專業和多樣化，涌現出上海航宇科普中心、航母公園等一批專業的航空科普基地，眾多科普工作者和企事業單位也對航空科普課程、航空模型設計、實驗基地建設等開展研究。韓延輝等[2]以珠海市第一中學航空科普室為主體，探索建設飛行器駕駛、飛機結構強度、飛行原理等專業教學體系，并以此開展互動式、體驗式特色航空科普教育教學。胡鑫川[3]研究航空科普如何提供優質內容、如何為科創打基礎、如何培育人才等，并形成規范化教育體系致力于培育具有航空知識、技術、精神的未來人才。王睿[4]總結國內開展的主要青少年航空科普活動，探索適合各個年齡段的社會、校園、家庭等多位一體、共同促進的航空科普體系，綜合提高青少年航空素養。姜冬貞[5]從小學生航空科普特點出發，探索研究從小學開展航空科普的目的、內容、主要方式等。李小紅[6]從航模達人的成長經歷和當前國內青少年航空科普開展不足等探索研究建設綜合性、專業性青少年航空科普基地，為青少年自由探索航空知識提供平臺空間。徐明[7]基于國內科普現狀，反思航空科普設計現存問題，研究了航空科普器具的展示特點和設計思路。謝礎[8]回顧了著名科學家錢學森在航空科普方面的著述，總結了盡早開展航空科普的重要性。

在歐美發達國家，航空科普已經歷了近一個世紀的發展，借助于發達的航空工業技術，其航空科普教育形式靈活多樣，可以向不同年齡段的青少年提供多樣和個性化的培訓機會。例如：美國航空航天局在其官網上開展較為專業化的STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）航空科普教育，幫助青少年激發航空航天熱情，掌握基礎航空知識；歐洲航天局為航空科普教師提供專業化的培訓，甚至支持學生開展LEDSAT（意大利羅馬大學的教學衛星）項目，放飛自己設計的衛星。

綜上，歐美發達國家在20世紀已開展系列化航空科普工作，國內專業化、體系化航空科普及競賽課程體系建設還未成熟。基于此，本文嘗試引入STEM等先進科創理念，建立大飛機課程教學、飛行表演、航模競賽等符合素質教育的航空科普體系。

2" 大飛機航空科普體系設計研究

本文在開展大飛機航空科普體系研究設計時，將STEM綜合素質教育理念貫穿整個課程體系設計和實踐的全過程，如圖3所示，大飛機航空科普體系主要包括參觀講解、科普講座、航模表演、課程教學、航空競賽等五部分，課程體系內航空科普與航空競賽相結合、航空模型設計組裝與探究實踐相結合、航空科普與教學知識點相結合，實現教、學、會、做互為促進，理論知識和動手實踐能力并行

提高。

其中，大飛機航空科普課程和競賽課程體系主要設計為：第一、二節課一般安排通識性航空科普和飛機總體設計相關知識介紹，主要給學生講解國產大飛機的研究歷程、設計參數、試飛取證、國內外民用航空器介紹和分類等，第一、二節課與思政、物理、數學多個教學知識點密切結合，對應的競賽課程是指導學生設計制作常規構型的手拋飛機；第三、四節課主要講解民用客機液壓系統應用場景、冗余設計、用戶等，與幾何圖形、力、能量守恒等物理與數學多個知識點結合，對應的競賽課程是指導學生設計制作液壓機構；第五、六節課主要講解民用客機結構強度主承力結構、抗鳥撞設計、復合材料等，與幾何圖形、材料及特性、力等數學、化學、物理教學知識點結合，對應的競賽課程是指導學生設計制作超級結構；第七、八節課主要講解民用客機電氣系統機電綜合、電源架構、配電管理等，與能量轉換、力、電路等知識點結合，對應的競賽課程是指導學生設計制作控制電路；具體課程設計概況如表1所示。

在完成八節航空科普課程和四節航空模型競賽課程教學后，根據學生學習情況，指導學生完成雙發渦扇飛機模型設計和飛行表演。

3" 大飛機航空科普體系實踐

2021—2023年，由中國商飛公司主辦，多家專業機構承辦，在上海、寧夏西吉舉辦當地首屆“大飛機杯（LAC）”航模挑戰賽及開展系列航空科普課程，多彩的航模表演和多個航空競賽項目有序開展，為參與學生播下了一顆航空夢的種子。

3.1" 體驗式大飛機專業知識教學

本研究開展的大飛機科普系列課程綜合使用飛機模型、簡化設計圖、演示實驗裝置等多種教材教具，實現視、聽、操作多維度走進大飛機，全方位體驗大飛機主要參數、客機飛行原理、駕駛飛行等方面知識。結合飛機模型實物和分解圖等，具體如圖4所示，給學生講解大型民用客機的主要構成和專業名詞，將民用飛機模擬飛行設備搬進課堂，學生可以現場體驗操作模型飛機飛行。

3.2" 沉浸式航模飛行表演

伴隨著極具節奏感的背景音樂響起，兩架航模首先帶著國旗和賽旗低空通場，隨后多架由商飛工程師制作的航模拉著彩煙或彩帶沖上天空，在完成大角度左轉、橫滾、改平、大筋斗等特技飛行后，在孩子們一聲聲的歡呼中再次低空通場后平穩降落。

3.3" 協作式航模設計制作競賽

3.3.1" 超級起落架設計制作競賽

民用飛機起落架是承受飛機靜止、起飛、降落等狀態下全機重力和吸收地面顛簸能量等的重要結構，研究團隊基于此選取帶有一定韌度和剛度的木條模仿設計飛機起落架類似的支撐結構作為競賽目標，該項比賽要求參賽隊伍在120 min內，使用截面不超過5 mm×5 mm的主立柱桐木條，截面不超過3 mm×3 mm的連接桐木條和膠水設計制作一個立式框架結構，要求總結構重量不超過18 g，高度在200～215 mm內。

此外，參賽隊伍制作的結構在豎直方向需容納一根直徑為70 mm的圓柱，空間可以為任意形狀，但必須能夠使圓柱順利通過，具體如圖5所示。比賽時，參賽隊伍制作的超級起落架首先需承受

10 kg杠鈴片的靜態載荷，然后參賽隊伍設計制作的超級起落架需在30 mm的高度，承受10 kg杠鈴片的沖擊載荷，若參賽隊伍設計制作的超級起落架能承受第一次10 kg的沖擊載荷測試，則沖擊載荷測試結束，繼續加大靜態載荷進行測試直至結構破壞。若參賽隊伍設計制作的超級起落架未能承受第一次10 kg的沖擊載荷，則比賽結束。在既往該項比賽中，一參賽隊伍設計出的超級起落架結構質量僅為15.8 g，卻承受了147.5 kg的載荷。

3.3.2" 創意手擲飛機模型競距

民用飛機在初步設計和詳細設計階段應完成飛機構型的論證和選取，研究團隊基于此在課程教學中，已講解飛機的主要構型如高平尾、低平尾、三角翼等布局形式和優缺點，參賽學生基于相關知識完成手拋飛機構型選取，并在60 min內使用一張600 mm×450 mm×5 mm的KT板、直徑7 mm的熱熔膠棒3根、寬透明膠帶1卷、1 000 mm×5 mm松木方條1根、5 g有背膠的配重片若干、美工刀2把、黑色簽字筆1支、熱熔膠槍1把、500目砂紙1張、300 mm長鋼直尺1把等工具材料，設計制作并調試好一架手拋模型飛機。飛機采用手擲的方式起飛，最終以手擲飛機飛行距離遠者取勝。在場地設置起飛線，所有選手站在起飛線后向同一方向飛行，如圖6所示。飛行距離按模型飛機落地停止后的機頭最前端的點到起飛線的垂直距離計算，每1厘米等于0.1分，投擲距離按四舍五入精確到厘米，具體積分規則如圖7所示。

比賽基礎分S2為60分，T為超出規定的時間，單位為分/min，總得分S的計算公式為S=S1+

（S2-T）。

在既往該項比賽中，第一名參賽隊伍設計的手拋飛機投擲距離為26.06 m。

4" 結束語

航空科普是培育航空后備人才、宣傳航空安全、激發航空報國熱情的重要方式。本文首先對比分析國內外航空科普教育現狀，我國因起步較晚，在航空科普開展形式、覆蓋人群、培訓基地等方面與發達國家均有較大差距；隨后，基于STEM和民用客機設計研發中的先進理念，完成大飛機航空科普和競賽課程體系設計；最后，結合近年來在上海、寧夏落地的航空科普體系，充分展示通過體驗式、沉浸式、協作式等教學或模型設計制作途徑多維度提升學生綜合素質的成果。

5" 參考文獻

[1] 白文軒，龔詩棋，蘇睿，等.中國航空科普的發展現狀分析[J].中國航班，2020（3）：80-81.

[2] 韓延輝，魏亞軍.基于體驗式學習和交互式學習的中小學航空科普室[J].中國現代教育裝備，2020（22）：16-18.

[3] 胡鑫川.關于航空科普服務供給的資源研究[M]//中國科普研究所.面向未來的科學素質建設：第二十七屆全國科普理論研討會論文集，2020：137-147.

[4] 王睿.航空科普教學體系建設初探[J].科技視界，

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[6] 李小紅.青少年航空科普教育是創新人才培養的基礎[M]//中國航空學會.中國夢·航空夢—青少年航空科

普教育：首屆中國航空科普教育大會論文集，2014：111-113.

[7] 徐明.航空科普館展品與展示形式探討[J].民用飛機設計與研究，2013（增刊2）：70.

[8] 謝礎.錢學森與航空航天科普[J].西安交通大學學報（社會科學版），2010，30（1）：71-77.

*項目來源：上海市科委科普項目“上海市航空科技挑戰賽及航空科普體系建設（23DZ2306000）”“‘航空大講堂’科普系列課程（23DZ2308900）”“上海飛機制造有限公司面向總裝制造航空科普系列課程（22DZ2305500）”資助。

作者簡介：張海洋、張明，助理工程師；令狐夏媛，通信作者，工程師；騰楊剛、葛桂林，工程師。