以航模为载体的STEM科教课程介绍及设计案例

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　　摘 要：近年来我国对于中小学科学教育的重视程度逐步提高，但中小学开展科学课程却面临课程类型单一、课程内容不科学等问题，因而导致课程只停留于表面，落实效果差，无法达到科学课程应有的目的。而作为集数学、物理、计算机编程、电子通信工程等多门学科领域的具有科研性质的航空模型运动便可以成为此类STEM课程适合的载体。通过开展以航模为载体的STEM课程，能够让学生在拓宽知识领域的同时，培养其创新意识、合作及动手能力，同时全面提高青少年身体素质。本文主要以解析当今科教课程的现状为前提，以航模类课程为例，分析此类课程的优势与开展方式，并提供一项“水火箭”课程设计案例。
　　关键词：STEM教育 航空模型 航模课程 “水火箭”课程案例
　　中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0217-03
　　1 科学（STEM）教育的主要目的
　　科学（STEM）教育是一种以传授基本科学知识为手段（载体），以素质教育为依托，体验科学思维方法和科学探究方法，培养科学精神与科学态度，建立完整的科学知识观与价值观，进行科研基础能力训练和科学技术应用的教育。
　　其主要目的为使青少年掌握自然科学的基本知识和基本技能，学会科学方法，体验科学探究，理解科学技术与社会关系，把握科学本质，养成科学精神，全面培养和提高科学素养；并通过培养具有科学素养的合格公民，发展社会生产力，改良社会文化，让科学精神和人文精神在现代文明中交融贯通。
　　2 中小学科学教育的开展现状
　　近年来响应教育部号召，中小学科学课程从开展内容、方式、效果等多方面提出了新的要求。但由于科学课程内容单一枯燥、对于实验设备要求较高等原因，科学课程的开展一直成为难题。作为能够适应科教要求的STEM教育方案，以其全面的课程领域和良好的课程效果得到重视，诸多学校广泛效仿应用。
　　3 航空模型的相关介绍
　　3.1 航空模型的定义
　　航空模型是航空航天模型的简称，是一类按照比例进行缩小或适当简化结构的、能够实现于原飞行器相同的飞行效果的模型玩具。顾名思义航模分为航空模型和航天模型，航空模型指固定翼、多旋翼、直升机类飞行器，而航天模型则是仿航天器外形制作的一种可回收模型，是供体育运动用的一种不载人的飞行器，其动力为水动力或模型火箭发动机。
　　航空模型是一项包含数学、物理、电子通信工程、计算机编程等多门学科在内的科研竞技类体育运动。当今，国内外科研类、竞技类航空模型赛事广泛开展。
　　3.2 航空模型的分类
　　3.2.1 按动力模式分類
　　无动力飞行器、电动飞行器、油动飞行器三类。
　　3.2.2 按飞行器类型分类
　　固定翼飞行器、多轴飞行器、火箭飞行器三类。
　　3.3 航空模型产业的现状
　　3.3.1 政策下的航空航天教育产业
　　2016年11月，国家体育总局等9部委联合发布了《航空运动产业发展规划》，被认为是中国航空体育运动新的发展机遇。在《规划》中，航空运动产业被认为“是重要新兴体育项目产业之一……涵盖目前我国正式开展的运动飞机、热气球、滑翔、飞机跳伞、轻小型无人驾驶航空器、航空模型等六大类共26个运动项目。”同时，《规划》中明确提出，将“积极开展青少年航空运动。通过无人驾驶航空器（无人机、航空模型、航天模型）进课堂、推广校本课程、组织学生开展课外航空运动活动等多种形式，推进中小学校航空科技体育活动开展，培养青少年对于航模制作飞行等基本航空运动兴趣。鼓励学校与专业航模培训机构合作，加强青少年航空运动培训，培育青少年参与航空运动和养成航空运动消费习惯。”
　　3.3.2 航模作为科研类赛事的开展情况
　　由于航模运动知识多元化的特点和其本身不断发展的趋势，科技创新在航空模型领域就显得格外突出。目前，航模运动是一项正处于高速复兴的科研类体育运动，国内以至国际每年都举办多项重大科研类赛事。
　　“中国国际飞行器设计挑战赛暨科研类全国航空航天模型锦标赛”（简称CADC锦标赛）是科研类赛事的代表。
　　3.3.3 航模作为体育竞技类赛事的开展情况
　　航空模型运动本身作为一项体育竞技类赛事，在世界范围内涉及诸多赛事。其中包括如“航空模型世界锦标赛”等国际最高规格赛事，“航空模型全国公开赛”等国内高水平赛事。“全运会”、“市运会”等体育综合赛事中也包含航空模型运动项目。
　　3.3.4 航空模型（无人机）在社会服务领域上的应用
　　航空模型按照飞行器类别分类分为固定翼类、多轴类和火箭类。其中多轴类飞行器（常见四轴飞行器）即为无人机的雏形，而无人机在当今社会应用范围广泛。
　　无人机按应用领域分类，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。在民用方面，无人机能应用于航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等多个领域。
　　实例一：北京、天津、上海等诸多城市街道已经开始采用无人机执法，从而节省警力。
　　实例二：重大事故（如天津港大爆炸）发生时专业人员无法进入勘察情况，而无人机能够第一时间安全可靠的获取现场信息。
　　实例三：目前我国农业生产逐步全面自动化，其中灌溉、播种、防火防虫等作业已经逐步采取无人机作业，极大节省劳动力，同时提升作业效率。
　　3.4 适合中小学科学课程的航模种类及特点
　　适合小学第一学段开展的航模种类主要包括：手掷泡沫飞机（初级）、橡筋动力滑翔机、水动力火箭（初级）等。其主要特点在于开展成本低、开展过程简易且安全，同时能够让学生在活动中体验动手制作的过程，并对“飞机”有初步的理性认识。 　　适合小学第二学段开展的航模种类主要包括：手掷泡沫飞机（中级）、橡筋动力扑翼机、一级牵引滑翔机、水动力火箭（初级）、电动自由飞等。此类课程相较第一学段，在学生动手制作的部分增加了难度，同时在飞行环节中对学生身体协调能力、合作能力提出了更高要求。
　　适合中学及以上开展的航模种类主要有：多旋翼飞行器、水动力火箭（中、高级）、弹射飞机、无线遥控KT纸飞机、电动滑翔机、DLG手掷滑翔机等。针对12岁及以上的学生，其已经具备了较强的理解能力，对一些抽象理论概念能够有所认识。同时此类飞行器在教师传授完成简易制作和飞行的基础上，对于学生动手制作、操作飞行等方面，创新思维、设计能力提出更高要求。
　　4 “以水动力火箭飞行器”为例的航空模型课程方案示例
　　4.1 活动课程环节详细介绍
　　4.1.1 活动材料准备：（每套材料）
　　500mL碳酸饮料（雪碧）瓶两个、水火箭套材一套（含四个尾翼、一个整流罩）、发射台一台、打气筒一只、电工胶布一卷、剪刀一把、水适量。
　　4.1.2 理论知识讲授
　　理论知识讲授环节主要包含航空模型、火箭类飞行器、专有名词的介绍；科学实验中所设计的物理知识或常识的讲解等内容。
　　（1）航空模型（水火箭）相关知识的介绍（同标题“一”内容）。
　　（2）专有名词：整流罩、尾翼、动力仓、水火箭发射台（其中包括：安全销、发射棒、锁扣）、气筒、加压。
　　（3）物理知识或常识：流线型、尾翼的平衡作用、整流罩的整流作用、动力的作用力和反作用力。
　　4.1.3 水火箭制作方法（具体步骤）
　　（1）将清洗好的雪碧瓶取出，揭去表面标签，并任选其一进行裁切：从瓶底向上两厘米为截面裁切，保留上半部分（大），丟弃其余部分（小）。
　　[注意]裁切过程中剪刀的使用安全，同时尽可能保证裁切的平整性。
　　（2）将完整的雪碧瓶作为动力瓶、裁切的雪碧瓶作为火箭箭体，动力瓶瓶口向下、箭体瓶口向上，完成对接，并用电工胶带缠绕固定。
　　[注意]保证箭体与动力瓶连接的同轴性，可采取旋转观察的方法确定。电工胶带缠绕2～3圈确保连接的牢固性。
　　（3）取出火箭套材中的四个尾翼，揭去3M双面胶带粘贴于动力瓶标签平面处，安装完成后使用电工胶带固定。
　　[注意]安装时注意相邻尾翼两两垂直，上下高度统一。
　　（4）将水火箭套材中的整流罩取出，安装于火箭箭体前部，并用电工胶带缠绕牢固。
　　[注意]为确保牢固，应使用电工胶带缠绕2～3圈。
　　（5）去除动力瓶瓶口的瓶盖和密封环。
　　4.1.4 发射台的使用及水火箭发射流程
　　（1）发射台的使用步骤。
　　①打开发射锁扣（将锁扣开口向上）。
　　②火箭加水（容积的1/3），并将发射台抬起，引导管从火箭动力瓶瓶口进入，将火箭按压至引导管最底部，摆正发射台。
　　③关闭发射锁扣（将锁扣开口对向彼此）。
　　④安装发射棒，而后安装安全销。
　　⑤调整发射台发射角度及方向。
　　（2）水火箭发射流程。
　　①按照以上步骤安装发射台及火箭。
　　②利用气筒为火箭动力舱打气加压（观察气压表示数，控制压力范围在3～6个大气压之间）。
　　③向指导教师申请发射（申请并举手示意）。
　　④指导教师允许查看安装情况，并下达允许发射，拔安全销的指令。
　　⑤学生拔下安全销、手持引导线等候发射倒计时。
　　⑥教师下达倒计时指令（由5开始倒数，数至1后下达发射口令）。
　　⑦学生快速牵拉引导线拉出发射棒，水火箭发射升空。
　　⑧待火箭落地后，教师下达回收火箭指令，学生回收火箭。
　　4.1.5 “定点打靶”竞赛开展方案
　　为增加活动体验性，教师可在学生熟悉火箭发射操作的情况下，根据需要增加竞赛类活动。
　　学生以5组为一批次进行发射，发射起点设置于以靶心为圆心，50m为半径的圆弧上，每组相邻5m。在下达发射口令后，每一批次统一发射，发射结束后裁判员进行测量火箭与靶心之间的距离，距离小者取胜。
　　[意义]开展此项竞赛可以提升学生对于火箭安装及发射的熟练度，同时感受火箭发射的水量、压力、发射角度和距离之间的关系，从而引导学生初步建立数学模型。
　　4.2 活动开展注意事项
　　（1）教师需要确保尖锐工具（如剪刀、壁纸刀等）使用的安全。
　　（2）发射环节的开展应使用不小于一个标准足球场的场地，并确保火箭预计着陆区域没有无关人员。
　　（3）学生发射过程务必遵守发射流程（本流程参照国际火箭类赛事中标准的发射要求及发射规则）
　　（4）学生应位于发射台后方，前方为火箭预计着陆区（即危险区），火箭升空且未落地前，学生不得前往回收。
　　（5）根据相关空中管制要求，在重大会议进行期间，限制区域应停止相关活动的开展。
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