海上航行（三）

李佩寧

本課程并沒有給出具體的課程任務目標，而是希望學生在調研過程中產生自己的想法，設計方案并通過各種創客類工具實現方案。在把一個想法變為現實的過程中，會產生大量的問題，如怎樣使用現有的技術手段實現某個設計想法和功能，如何通過快速學習來掌握某種技術手段……因此，解決開放性問題的流程更加貼近現實。

一、課程重點

本課程旨在讓學生在實現想法的過程中不斷解決產生的新問題，學習新知識，嘗試使用新的技術手段解決原來解決不了的問題，從而促進學生提高創造能力、批判性思維能力、溝通和協作能力、解決現實問題的能力。

【涉及領域】工程、物理、3D打印、創客、技術

【建議年級】小學高年級至初二年級

【建議時間】130分鐘；3D打印相關課程（可選）；創客技術相關課程（可選）

【材料】基礎材料：直流電動機（額定電壓5V）、電池、電池盒、導線、手工棒、硬紙板、礦泉水瓶、膠帶或膠水、熱熔膠槍、泡沫塑料；自選材料：可自選材料和加工方式

二、課程任務

以一個5V直流電機作為驅動裝置，制造一艘小船。在制造的過程中，學習并使用各種創客類工具，如3D打印機、智能硬件等。

三、課程步驟

1.導入（10分鐘）

教師引導學生討論能想到幾種驅動船只前進的方案。例如：劃槳；帶水輪的，用腳蹬；用長桿子撐船；用纖繩拉；人站在水中往前推；風吹船帆推動船前進；把鐘表的發條安在螺旋漿上，用人力上弦，然后使漿轉起來；搖櫓；岸上裝一個滑輪，繩子穿過滑輪，一頭系住船頭，拉另一頭；站在船尾，用力向后跳，用腳的反作用力推動船只；把一個大氣球吹足氣，綁在船尾，向水面吹氣；給螺旋漿安上電動機，然后人站在船上用手搖發電機發電驅動螺旋槳；趴在船上，用手向后劃水；在水中邊游邊推；讓船漏水，把水舀起來向后潑；用手撥水，利用水波把船向前推；用橡皮筋給螺旋漿上勁，然后放開讓螺旋槳轉；把船上的東西一件一件向一個方向投出去，船會向相反的方向運動。

教師可以把學生分成小組，讓各組進行討論，盡可能多地列舉驅動船只前進的辦法。可以采用合作學習的方式，請各組按照順序輪流說一種方法。教師將其列在黑板上，不能提出更新答案的小組出局，看哪一組能留到最后。

教師將驅動方式進行分類，如按照做功的方式可以分成直接做功類、反作用力類和沖量轉化類，并解釋這三類驅動方式。可以向學生出示一系列圖片（見圖1），請學生識別并歸類。

2.宣布任務及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】各組自選材料，制作一個使用5V電機驅動的小船，達到向前行駛的最低要求。宣布任務后，呈現評價量規（見表1）。

3.信息收集（課余時間完成）

在信息收集階段，教師應組織學生對現實中船只的功能、結構特點、船體、使用方式、行駛區域等信息進行收集。教師要鼓勵學生運用各種信息收集手段收集信息，也可以提供船只分類的資料庫供學生參考。

（1）按照船只使用的水域進行分類（遠海、近海、內陸河等）；

（2）按照船只用途進行分類（運輸、戰斗、科探等）；

（3）按照船只運載物品類型進行分類（人、普通貨物、特種品、危險品等）；

（4）按照船只能量來源進行分類（核能、水蒸氣、電能、非機動等）；

（5）請設想你的分類方式，并按照這個思路進行具體調研。

各組調查后要提交詳細的調研報告，作為匯報展示的一部分。

4.頭腦風暴和設計方案（40分鐘）

各組進行頭腦風暴，決定要制作的船只、驅動方式、功能實現方式，并制作設計圖紙。這一階段，教師應對學生進行指導，幫助學生完善設計方案、評估可行性和制作難度，以及解決結構設計、電子設計、驅動和控制設計方案的問題。圖2展示的是一些基礎的設計方案。

如果學生采用了槳直接入水的驅動方式，怎樣設計傳動結構才能讓槳入水的同時馬達不進水，是一個設計上的難點。常見的解決方案有兩種，一是采用連桿斜插入水的形式，保證馬達吃水線以上，但這樣會降低小船驅動效率；二是采用皮帶或齒輪等傳動方式，改變動力方向（見圖3）。

船體可以使用泡沫塑料或者飲料瓶進行制作（見圖4）。建議開設了創客課程、有創客實驗室的學校結合創客類課程來完成本課程任務。特別是在驅動部分的設計上，可以結合附件1和附件2所述的明輪船和螺旋槳船的知識，使用3D打印機完成螺旋槳部分結構的設計和制作。沒有條件的話，可以將塑料片制成合適的形狀，按照一定的角度粘在軸上。

5.制造（40分鐘）

各組按照設計方案進行制造。

6.展示匯報（30分鐘）

展示匯報包括書面口頭展示和實地實驗兩部分。給各組至少10分鐘的展示時間，詳細介紹各階段工作和調研情況，展示船只設計思路、制作過程和船只功能。實地實驗時，可以尋找一個湖面或者水池，測試記錄船只行駛的速度和穩定性。

附件1：明輪船

明輪船的命名是根據船舶的推進方式而產生。總的來說，在過去，明輪船可以用于戰爭船艦、商業貿易、客貨運輸等眾多方面。現在，明輪船主要用于商業旅游與歷史展覽等。根據布置位置，明輪分為舷側明輪和船尾明輪（見圖5）。

明輪是一種局部入水的推進器，裝在明輪周圍的用來向后劃水的叫蹼板。劃水產生的反作用力通過轉軸作用到船體上，推動艦船前進。根據蹼板在明輪上的安裝形式，分為“定蹼式明輪”和“動蹼式明輪”（見圖6）。前者構造簡單，但效率太低，后者效率較好。

明輪船是靠蒸汽機帶動明輪，使槳輪轉動，槳輪上葉片撥水，推動船舶前進。相對于后續發展的船舶，它結構笨重、效率低，而且明輪的葉片使用時易損壞。當它在碼頭上停靠時，與兩旁的輪船很容易發生碰撞，既影響自己的安全行駛，也存在著擦傷別的輪船的可能性。另外，如果水草一類的纏繞物絞住明輪的葉片或軸，明輪就有失去轉動的可能。正是明輪推進器的缺點，到了19世紀60年代，明輪船被使用螺旋槳的先進蒸汽船淘汰。

附件2：螺旋槳船

螺旋槳船改變了船只由明輪推進的形式，而用螺旋槳代替。經過發展，螺旋槳推進效率越來越高，成為現代船舶的主要推進工具。螺旋槳的分類方式大致有以下幾種：按照槳葉數量，螺旋槳有2、3或4個槳葉，甚至更多，一般槳葉數目越多，吸收功率越大；按照構造不同，螺旋槳分為定（槳）距、變距螺旋槳、導管螺旋槳、串列螺旋槳、對轉螺旋槳、直葉推進器等；根據船舶安裝螺旋槳個數的多少，可以分為單螺旋槳船、雙螺旋槳船、三螺旋槳船（見圖7），甚至四螺旋槳船。

19世紀60年代以來，船舶趨于大型化，使用大功率的主機后，螺旋槳激振造成的船尾振動、結構損壞、噪聲、剝蝕等問題引起各國的重視。螺旋槳激振的根本原因在于螺旋槳葉負荷加重，在船后不均勻尾流中工作時容易產生局部的不穩定空泡，從而導致螺旋槳作用于船體的壓力、振幅和相位都不斷變化。因此，現代船用螺旋槳設計的關鍵問題是吸收最小的能量，提供最大的效率，減小船體振動和避免產生不利的空泡……現在，螺旋槳船的發展前景依然很光明。

（責任編輯 張慧籽）