素質(zhì)拓展課程實(shí)踐活動(dòng)方案探析

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摘要：基于原有的航模運(yùn)動(dòng)提出環(huán)保新課題—利用陽(yáng)光、水、空氣為動(dòng)力的遙控模型飛機(jī)。學(xué)生在航模活動(dòng)中學(xué)習(xí)實(shí)踐了空氣動(dòng)力、電子、機(jī)械、無(wú)線電、材料、工藝、結(jié)構(gòu)、氣象、測(cè)量等不同學(xué)科的知識(shí)和技能，培養(yǎng)了綜合實(shí)踐、跨學(xué)科解決問(wèn)題及創(chuàng)造能力。將數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科綜合在一起靈活運(yùn)用，可讓學(xué)生在項(xiàng)目研究過(guò)程中真正體驗(yàn)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的樂(lè)趣。

關(guān)鍵詞：航模；創(chuàng)客教育；STEM教育

一、實(shí)踐活動(dòng)背景

教育部的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中明確指出，中學(xué)階段綜合實(shí)踐課程的具體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具有價(jià)值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問(wèn)題解決和創(chuàng)意物化等方面的意識(shí)和能力。而基于項(xiàng)目的素質(zhì)拓展課是學(xué)生在活動(dòng)參與、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、問(wèn)題解決中進(jìn)行的實(shí)踐活動(dòng)。綜合實(shí)踐活動(dòng)在增強(qiáng)人文素養(yǎng)、培育理性思維、養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣、提升個(gè)體覺(jué)悟、強(qiáng)化問(wèn)題解決能力等方面具有積極意義。2016年4月24日首個(gè)“中國(guó)航天日”上，提出：“要銘記歷史、傳承精神，激發(fā)全民尤其是青少年崇尚科學(xué)、探索未知、敢于創(chuàng)新的熱情，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)凝聚強(qiáng)大力量?！痹趯W(xué)校開展“航空模型”素質(zhì)拓展課程基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)八年級(jí)學(xué)生以“利用陽(yáng)光、水、空氣為動(dòng)力的遙控模型飛機(jī)”項(xiàng)目研究作為子課題進(jìn)行實(shí)踐探究?；顒?dòng)旨在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)探索、分析、創(chuàng)造等環(huán)節(jié)深入探尋適用于遙控模型飛機(jī)的新型能源，在主動(dòng)探索的沉浸式跨學(xué)科學(xué)習(xí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，從而提升其適應(yīng)未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)力。

二、實(shí)踐活動(dòng)的目的及意義

航模活動(dòng)是一項(xiàng)在全國(guó)范圍內(nèi)深受青少年喜歡的活動(dòng)，航模的制作和試飛可以更好地培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致入微的觀察力、豐富的想象力；增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，鍛煉分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。這項(xiàng)活動(dòng)不僅為學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用、個(gè)人才能的展示和發(fā)展提供了自由的空間，也為現(xiàn)代科技的普及與應(yīng)用創(chuàng)造了條件。本項(xiàng)目的航模運(yùn)動(dòng)探索可以使更多的學(xué)生從中受益，進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)學(xué)生動(dòng)手參與、制作應(yīng)用的科技熱情。通過(guò)常規(guī)活動(dòng)和比賽的鍛煉，學(xué)生找到能充分發(fā)揮潛能、磨煉意志、培養(yǎng)能力的嶄新天地，樹立熱愛科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的遠(yuǎn)大理想和目標(biāo)，立志成為社會(huì)的有用人才。

三、實(shí)踐活動(dòng)的具體實(shí)施

1.用品準(zhǔn)備

(1)KFm翼型KFm是Kleine-Fogleman翼型的縮寫。該翼型由理查•克萊恩和弗洛伊德•福格勒門共同設(shè)計(jì)，是近幾年在世界范圍內(nèi)廣泛使用的一種突破原有空氣動(dòng)力學(xué)理論的翼型，如圖1所示。KFm翼型是在弦長(zhǎng)50%的位置上設(shè)置一個(gè)臺(tái)階，氣流經(jīng)過(guò)臺(tái)階后，會(huì)形成一個(gè)渦流。渦流與整個(gè)翼型組成了一個(gè)原有平凸克拉比翼型的形狀，減小了阻力。此外，整個(gè)翼型從前緣到后緣都能提供升力，所以KFm翼型的升阻比非常大。目前，KFm翼型共有12個(gè)類型，分別是KFm-1，KFm-2，KFm-3，KFm-4，KFm-5A，KFm-5B，KFm-6，KFm-7，KFm-8，KFm-9，KFm-10，KFm-11。不同的翼型有不同的適用范圍，如圖2所示的KFm-2翼型，是一種升力大、不易失速、適用面較為廣泛的翼型。如圖3所示的KFm-6是一種適合低速飛行的練習(xí)機(jī)，它易于制作，不易失速。本次活動(dòng)的模型飛機(jī)采用的是圖4的KFm-3翼型。這種翼型有兩個(gè)臺(tái)階，分別在整個(gè)弦長(zhǎng)的50%和75%處。它提供的升力非常大，飛行性能優(yōu)異，適用于滑翔機(jī)或者高荷載的模型飛機(jī)，缺點(diǎn)是制作比較復(fù)雜。KFm翼型適用于各種速度的模型飛機(jī)，更能兼顧高荷載和高速度。用KFm翼型制作的飛翼，在做“降落傘”動(dòng)作的時(shí)候，能僅靠副翼就平穩(wěn)控制飛翼。原有翼型每個(gè)部分都有阻力，但是KFm翼型只有在臺(tái)階的部分有阻力；并且臺(tái)階后部的渦流能夠提高升力，這就使得KFm翼型有非常大的升阻比。目前，Russ40遙控特技飛機(jī)使用的就是KFm-3翼型。因?yàn)镵Fm翼型的諸多優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)有可能將此翼型運(yùn)用在軍用無(wú)人機(jī)上，不僅能夠保持平穩(wěn)飛行，還能夠搭載更多的武器或者偵察裝置。為了驗(yàn)證新型KFm翼型的升力以及荷載能力要優(yōu)于原有的平凸克拉比翼型，研究做了如下測(cè)試。設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，巧妙地借助了八年級(jí)物理課中用到的機(jī)翼升力演示器，如圖5所示。這個(gè)儀器可以在出風(fēng)口提供穩(wěn)定的氣流，并能在一定幅度內(nèi)改變風(fēng)力的大小。當(dāng)風(fēng)力足夠大的時(shí)候，可使機(jī)翼模型升起一定的高度。同時(shí)用KT板制作了兩種翼型的模型，并且使兩種翼型的升力面積、自身重量、體積、俯仰角度、風(fēng)力大小等其他因素相同。兩個(gè)翼型的弦長(zhǎng)都是140mm，質(zhì)量均為4.71g。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，新的KFm翼型的升力要大于原有平凸克拉比翼型，所以能夠有較大的荷載量(如圖6、圖7所示)。(2)水火箭目前沒(méi)有能夠匹配使用的高度計(jì)，無(wú)法具體測(cè)得模型飛機(jī)的升空高度。對(duì)于這種情況，近似地使用水火箭測(cè)試飛行的最佳參數(shù)。影響水火箭飛行距離的主要因素為發(fā)射氣壓、瓶?jī)?nèi)液體占瓶體積的比例以及發(fā)射角度。此外還有其他一些因素，如實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的風(fēng)力、風(fēng)向因素以及水火箭的外觀等。通過(guò)研究其他文獻(xiàn)，最終確定使用兩個(gè)小可樂(lè)瓶連接起來(lái)作為水火箭的動(dòng)力艙，發(fā)射氣壓為4個(gè)大氣壓，瓶?jī)?nèi)液體為清水，瓶?jī)?nèi)水的體積約占瓶體的1/3，發(fā)射角度為50度。(3)發(fā)射裝置發(fā)射裝置為以前留存下來(lái)的儀器，經(jīng)過(guò)改裝可適用于新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最初是用手來(lái)控制發(fā)射開關(guān)的，這樣就帶來(lái)了問(wèn)題：不僅操作手和發(fā)射手之間存在協(xié)調(diào)與同步的問(wèn)題，還會(huì)弄得發(fā)射手衣服濕透。經(jīng)過(guò)請(qǐng)教指導(dǎo)教師，學(xué)生將自行車線閘運(yùn)用于此處對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)。學(xué)生用塑料繩將線閘的一端與開關(guān)相連接，另一端連接在腳踏板上。這樣就可以讓操作手一個(gè)人獨(dú)立完成，并且能夠讓自己遠(yuǎn)離水火箭的噴嘴部分(如圖8所示)。(4)超級(jí)電容、太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)中，供電裝置使用的是10F的超級(jí)電容，能夠?yàn)槟Ｐ惋w機(jī)上的接收機(jī)、舵機(jī)正常工作提供1分鐘的電能。這個(gè)10F的電容是安裝在飛機(jī)上的。為電容充電的是太陽(yáng)能電池板(如圖9所示)。這塊電池板的標(biāo)稱數(shù)據(jù)為輸出電壓5V、輸出電流160mA。通過(guò)電容的計(jì)算公式Q=UC和電流的定義式I=Q/t，能夠求得在光照條件充足的情況下，充電時(shí)間大約為5分鐘。

2.模型的制作

(1)切割設(shè)計(jì)完成后，最先制作的是機(jī)翼，整個(gè)機(jī)翼呈弧形后略飛翼式，翼型結(jié)構(gòu)是KFm-3型。由三層階梯形的KT板組成。制作前，分別用鉛筆將圖形準(zhǔn)確地畫在KT板上，再用小刀精準(zhǔn)切割，這樣就做好了三層不同形狀的樣板。此外，翼端的小翼樣板也是用KT板制成的，如圖10所示。(2)粘和使用泡沫塑料快干膠將切割好的四大部件按照?qǐng)D紙粘合成KFm-3型的機(jī)翼。為了防止反沖上升時(shí)由于升力過(guò)大導(dǎo)致機(jī)翼折斷，還應(yīng)用碳素纖維材料加固。經(jīng)過(guò)24小時(shí)干燥后，再用砂紙打磨、熨斗加熱，將機(jī)翼前緣加工成平凸翼型的前緣形狀。(3)反沖動(dòng)力艙反沖動(dòng)力艙用一個(gè)600mL的可樂(lè)瓶制作。以瓶底為飛行方向的前端，用EPP塑料做一個(gè)整流罩固定在前方，飛行時(shí)可減少空氣阻力，降落時(shí)還可起到緩沖作用。瓶口處用一個(gè)特制的塑料噴嘴旋緊。目前的兩個(gè)可樂(lè)瓶連體裝置是天津師范大學(xué)航模組幫助我校制作的。如此一來(lái)，空氣和水的容量都增加了一倍，反沖動(dòng)力也會(huì)相應(yīng)大增。反沖動(dòng)力艙需要牢固地裝在機(jī)翼中軸線下方，安裝時(shí)要與機(jī)腹部呈3～6度的下推角，道理與動(dòng)力模型飛機(jī)的下拉線相同。(4)遙控設(shè)備這架模型飛機(jī)只操縱飛翼上的副翼，用兩通道控制遙控器，控制飛行時(shí)的左右和升降就可以了。(5)電源本設(shè)計(jì)制作的是一架依靠反沖動(dòng)力的滑翔機(jī)，與S8D一樣，只要有供給接收機(jī)和兩個(gè)舵機(jī)的足夠工作電能就可以了，因此采用的是5V，160mA的太陽(yáng)能電池和10F的超級(jí)電容。

3.調(diào)整試飛

當(dāng)模型制作和設(shè)備安裝完成后，首先進(jìn)行的是手?jǐn)S滑翔試飛。站在操場(chǎng)11m高的看臺(tái)頂端，一名學(xué)生水平方向投出飛機(jī)，另一人操縱飛機(jī)。每一輪飛行后都要調(diào)整，如重心、橫側(cè)安定和舵量等。手?jǐn)S滑翔調(diào)整滿意后，到操場(chǎng)中央進(jìn)行反沖動(dòng)力試飛。操縱員站在幾米外，踩動(dòng)踏板，飛機(jī)尾部急速噴出水柱和白霧，在反沖動(dòng)力作用下，飛機(jī)上天。飛機(jī)快要停止加速上升時(shí)，由豎直上升改為平飛。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從最初向瓶?jī)?nèi)加入100mL清水和2個(gè)大氣壓開始，慢慢增加到最后的400mL清水和4個(gè)大氣壓。在整個(gè)操縱過(guò)程中，掌握控制好發(fā)射、急速上升、改初滑翔的三個(gè)步驟是關(guān)鍵。發(fā)射瞬間初速度很大，飛機(jī)非常容易被拉翻，因此，如何操縱推桿讓飛機(jī)直線上升并爭(zhēng)取到最大的高度需要多次反復(fù)實(shí)踐才能實(shí)現(xiàn)。

4.試飛數(shù)據(jù)結(jié)論

經(jīng)過(guò)多次試飛，可獲得與前人做水火箭實(shí)驗(yàn)相近的數(shù)據(jù)：發(fā)射角度50度、水占瓶體積的比例為1/3、瓶?jī)?nèi)為4個(gè)大氣壓。這樣的設(shè)置，能使得飛機(jī)的留空時(shí)間最長(zhǎng)，約為10秒。四、結(jié)語(yǔ)“利用陽(yáng)光、水、空氣為動(dòng)力的遙控模型飛機(jī)”項(xiàng)目獲得第三十一屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽集體項(xiàng)目二等獎(jiǎng)；項(xiàng)目成果被多家媒體報(bào)道；項(xiàng)目組成員于靖桐、張子涵、李欣受邀參加天津市南開區(qū)第三十一屆科技周并進(jìn)行展示。本教學(xué)設(shè)計(jì)以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向，融合物理、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、美術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，激發(fā)了學(xué)生自主探究、大膽創(chuàng)新的潛能，讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在地體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、基于問(wèn)題尋求解決策略、實(shí)踐創(chuàng)造應(yīng)用的過(guò)程，體會(huì)到想象與現(xiàn)實(shí)的差距，品味到成功與失敗的滋味，更認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意義，對(duì)于提升學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要作用。

作者:許鵬 李登舉 李保均 單位:天津市天津中學(xué)