素質(zhì)拓展課程實踐活動方案探析
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摘要：基于原有的航模運(yùn)動提出環(huán)保新課題—利用陽光、水、空氣為動力的遙控模型飛機(jī)。學(xué)生在航?；顒又袑W(xué)習(xí)實踐了空氣動力、電子、機(jī)械、無線電、材料、工藝、結(jié)構(gòu)、氣象、測量等不同學(xué)科的知識和技能，培養(yǎng)了綜合實踐、跨學(xué)科解決問題及創(chuàng)造能力。將數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多個學(xué)科綜合在一起靈活運(yùn)用，可讓學(xué)生在項目研究過程中真正體驗學(xué)習(xí)科學(xué)知識的樂趣。
關(guān)鍵詞：航模；創(chuàng)客教育；STEM教育
一、實踐活動背景
教育部的《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》中明確指出，中學(xué)階段綜合實踐課程的具體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具有價值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問題解決和創(chuàng)意物化等方面的意識和能力。而基于項目的素質(zhì)拓展課是學(xué)生在活動參與、項目設(shè)計、問題解決中進(jìn)行的實踐活動。綜合實踐活動在增強(qiáng)人文素養(yǎng)、培育理性思維、養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)習(xí)慣、提升個體覺悟、強(qiáng)化問題解決能力等方面具有積極意義。2016年4月24日首個“中國航天日”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，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢凝聚強(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)八年級學(xué)生以“利用陽光、水、空氣為動力的遙控模型飛機(jī)”項目研究作為子課題進(jìn)行實踐探究?；顒又荚谝龑?dǎo)學(xué)生通過探索、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，在主動探索的沉浸式跨學(xué)科學(xué)習(xí)的過程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，從而提升其適應(yīng)未來的競爭力。
二、實踐活動的目的及意義
航?；顒邮且豁椩谌珖秶鷥?nèi)深受青少年喜歡的活動，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)生的動手操作能力，鍛煉分析問題和解決問題的能力。這項活動不僅為學(xué)生的知識應(yīng)用、個人才能的展示和發(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。本項目的航模運(yùn)動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)生動手參與、制作應(yīng)用的科技熱情。通過常規(guī)活動和比賽的鍛煉，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)，立志成為社會的有用人才。
三、實踐活動的具體實施
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，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力學(xué)理論的翼型，如圖1所示。KFm翼型是在弦長50%的位置上設(shè)置一個臺階，氣流經(jīng)過臺階后，會形成一個渦流。渦流與整個翼型組成了一個原有平凸克拉比翼型的形狀，減小了阻力。此外，整個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。本次活動的模型飛機(jī)采用的是圖4的KFm-3翼型。這種翼型有兩個臺階，分別在整個弦長的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”動作的時候，能僅靠副翼就平穩(wěn)控制飛翼。原有翼型每個部分都有阻力，但是KFm翼型只有在臺階的部分有阻力；并且臺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。因為KFm翼型的諸多優(yōu)點(diǎn)，未來有可能將此翼型運(yùn)用在軍用無人機(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，研究做了如下測試。設(shè)計了一個風(fēng)洞實驗，巧妙地借助了八年級物理課中用到的機(jī)翼升力演示器，如圖5所示。這個儀器可以在出風(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)力足夠大的時候，可使機(jī)翼模型升起一定的高度。同時用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。兩個翼型的弦長都是140mm，質(zhì)量均為4.71g。經(jīng)過實驗得知，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)水火箭目前沒有能夠匹配使用的高度計，無法具體測得模型飛機(jī)的升空高度。對于這種情況，近似地使用水火箭測試飛行的最佳參數(shù)。影響水火箭飛行距離的主要因素為發(fā)射氣壓、瓶內(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，如實驗當(dāng)天的風(fēng)力、風(fēng)向因素以及水火箭的外觀等。通過研究其他文獻(xiàn)，最終確定使用兩個小可樂瓶連接起來作為水火箭的動力艙，發(fā)射氣壓為4個大氣壓，瓶內(nèi)液體為清水，瓶內(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的儀器，經(jīng)過改裝可適用于新實驗。實驗設(shè)計最初是用手來控制發(fā)射開關(guān)的，這樣就帶來了問題：不僅操作手和發(fā)射手之間存在協(xié)調(diào)與同步的問題，還會弄得發(fā)射手衣服濕透。經(jīng)過請教指導(dǎo)教師，學(xué)生將自行車線閘運(yùn)用于此處對裝置進(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)超級電容、太陽能電池板設(shè)計中，供電裝置使用的是10F的超級電容，能夠為模型飛機(jī)上的接收機(jī)、舵機(jī)正常工作提供1分鐘的電能。這個10F的電容是安裝在飛機(jī)上的。為電容充電的是太陽能電池板(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。通過電容的計算公式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，充電時間大約為5分鐘。
2.模型的制作
(1)切割設(shè)計完成后，最先制作的是機(jī)翼，整個機(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圖紙粘合成KFm-3型的機(jī)翼。為了防止反沖上升時由于升力過大導(dǎo)致機(jī)翼折斷，還應(yīng)用碳素纖維材料加固。經(jīng)過24小時干燥后，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)反沖動力艙反沖動力艙用一個600mL的可樂瓶制作。以瓶底為飛行方向的前端，用EPP塑料做一個整流罩固定在前方，飛行時可減少空氣阻力，降落時還可起到緩沖作用。瓶口處用一個特制的塑料噴嘴旋緊。目前的兩個可樂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，空氣和水的容量都增加了一倍，反沖動力也會相應(yīng)大增。反沖動力艙需要牢固地裝在機(jī)翼中軸線下方，安裝時要與機(jī)腹部呈3～6度的下推角，道理與動力模型飛機(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，控制飛行時的左右和升降就可以了。(5)電源本設(shè)計制作的是一架依靠反沖動力的滑翔機(jī)，與S8D一樣，只要有供給接收機(jī)和兩個舵機(jī)的足夠工作電能就可以了，因此采用的是5V，160mA的太陽能電池和10F的超級電容。
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11m高的看臺頂端，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，到操場中央進(jìn)行反沖動力試飛。操縱員站在幾米外，踩動踏板，飛機(jī)尾部急速噴出水柱和白霧，在反沖動力作用下，飛機(jī)上天。飛機(jī)快要停止加速上升時，由豎直上升改為平飛。實驗過程中，從最初向瓶內(nèi)加入100mL清水和2個大氣壓開始，慢慢增加到最后的400mL清水和4個大氣壓。在整個操縱過程中，掌握控制好發(fā)射、急速上升、改初滑翔的三個步驟是關(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)直線上升并爭取到最大的高度需要多次反復(fù)實踐才能實現(xiàn)。
4.試飛數(shù)據(jù)結(jié)論
經(jīng)過多次試飛，可獲得與前人做水火箭實驗相近的數(shù)據(jù)：發(fā)射角度50度、水占瓶體積的比例為1/3、瓶內(nèi)為4個大氣壓。這樣的設(shè)置，能使得飛機(jī)的留空時間最長，約為10秒。四、結(jié)語“利用陽光、水、空氣為動力的遙控模型飛機(jī)”項目獲得第三十一屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽集體項目二等獎；項目成果被多家媒體報道；項目組成員于靖桐、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)計以項目式學(xué)習(xí)、問題解決為導(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，激發(fā)了學(xué)生自主探究、大膽創(chuàng)新的潛能，讓學(xué)生實實在在地體驗發(fā)現(xiàn)問題、基于問題尋求解決策略、實踐創(chuàng)造應(yīng)用的過程，體會到想象與現(xiàn)實的差距，品味到成功與失敗的滋味，更認(rèn)識到團(tuán)隊協(xié)作的意義，對于提升學(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)
