基于工程教育模式的創客課程設計

李漢東 羅燦 錢學文

摘 要 深圳某學校航空特色創客項目，擬采用CDIO工程教育模式，根據不同年級中小學生的特點，遞進式地開展項目研究，達成“小小飛機設計師”的培養目標。

關鍵詞 創客教育 航空 工程教育模式

0 引言

教育需要適應社會的發展。國家的“雙創”戰略旨在培養創新的產業力量，而學校的“創客教育”也是這一戰略中的重要組成部分。創客教育以培養未來創客為目標，基于學生的自身興趣，以項目學習的方式，來培養學生跨學科解決問題的能力、團隊協作能力與創新能力。對學生而言，融合了科學研究、技術制作、藝術創作全過程的創客教育，是能夠帶來完整思維鏈條的教育形式，也是一種獨特而務實的創新人才培養系統。

CDIO是本世紀初由麻省理工學院首先發展起來的一種工程教育模式，其含義為構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運作（Operate）四個英文單詞的縮寫，“構思”指明確客戶的需求，考慮技術、企業戰略與制度等因素，不斷改進概念、技術與商業計劃;“設計”指制訂開發的產品系統所需的各種計劃、圖紙與算法;“實施”指把設計轉變為產品的過程，包括硬件制造、軟件編程、測試、檢查與驗證;“運行”指對產品系統的維護、優化與淘汰等。CDIO模式以產品、生產流程與系統從研發到運行的生命周期為載體，通過系統的產品設計培養學生專業技術知識、個人能力、職業能力、團隊協作交流能力，培養在企業與社會環境下對產品系統進行構思、設計、實施、運行的綜合能力。

深圳某學校的航空特色創客項目擬采用CDIO工程教育模式開展項目研究。以模型飛機為載體，以創意為前提，以改進為銜接，循環遞進，達成“小小飛機設計師”的培養目標（見圖1）。

1 課程總體設計

飛行是人類永恒的夢想，在不同的歷史時期，不同年齡段的人都表達了對飛行的追求。航空文化的本質是創新文化與探索文化，飛機則承載著工業時代的重要文化特征。現代飛機設計與制造是一個系統工程，涉及機械、電子、化工、材料、軟件等各個學科領域。通過縮微版的飛機設計、制造及試驗試飛的全過程，能夠學習航空知識，鍛煉工程動手能力，更能學習到科研的方法論，體會到航空的精細設計、悉心制作、協同勞動及嚴苛管理的過程。

本項目的課程以工程教育先進模式CDIO為指導，并結合我國《義務教育小學科學課程標準》《義務教育初中科學課程標準》中技術與工程相關內容，將學生的學習時間劃分為小學、初中、高中年級三個學段，不同年級的孩子可以嘗試完成全流程的模型飛機設計過程。同時，課程設計中的小學、初中、高中三個階段從知識點、技能以及理解接受力相互連貫，充分體現了STEAM的思想。小學每學期設計了4～5個項目;初中設計2～3個項目;高中設計1個項目。項目銜接了中學教育到大學教育階段的過渡，強大的導師支援團隊以航空專家為依托，提供技術支持。學生在夏令營活動時可以實地考察飛機相關試驗，包括大型的風洞試驗以及相關的試飛活動，獲得真實感受。航空相關項目將組織學生參加全國航空學會、相關航空單位的比賽活動，獲獎學生可獲后期優先權。

按照CDIO的模式，本項目在創客課程中增加了科學、技術、數學以及人文因素，按照工業化的思路及系統的方法進行課程設計：

（1）各年級每學期完成一款至多款飛機。四到六年級完成紙飛機模型;軟陶飛機模型制作;KT板飛機模型;橡筋動力模型;手拋機模型;木鳥滑翔機模型;萊特兄弟紙木模型。七到八年級完成昆蟲動力模型;飛魚模型;焊接飛機模型;彈射架飛機模型;葉雕飛機;繪制航空畫;電容遙控飛機。十到十一年級完成電動遙控飛機;遠古飛行器反設計;像真機;輕木飛機結構設計;多旋翼無人機設計;新型飛機設計;地面飛行模擬駕駛。

（2）任何一款飛機模型的制作都需要經歷五個階段，即創意、設計、制造、試驗與優化。創意階段需要自己查找資料，可以從古老的飛行器（瑪雅、古埃及等）;中國另類四大發明（紙鳶、竹蜻蜓、孔明燈、火箭）;自然界鳥類飛行、昆蟲飛行;萊特兄弟、一戰飛機、二戰飛機、軍機、客機;現代軍機、無人機的發展沿革中找到靈感，找到原型機或改進型，這會用到許多圖庫與原型機資料。設計階段則是將思路變成圖紙的過程，可用模板、手繪以及不同的3D軟件。制造階段可以通過手工、或3D打印或激光方式進行切割;可進行風洞試驗，運用數字軟件或試飛驗證。最后進行性能指標優化（飛行距離、滯空時間）;滿足某一需求的設計改進;新能源及新材料的應用;飛機的微型化設計。

（3）不同年齡段的學生，都需要循序漸進地學習航空知識、航空技術，并在創意激發的過程中系統掌握工程中各種技能。

（4）每個階段只需要一個老師，或者一個老師負責幾個階段。

2 航空科技知識配套設計

針對小學、初中、高中三個學習階段，本項目對相應的配套航空科技知識進行了配套設計，這些課程以及航空知識點循序漸進地設計進了不同年級學生的項目中，共分為六個部分：

（1）真實童話——航空故事集錦。從飛天神話到萊特兄弟，從水上飛機到航空母艦、最快的飛機、航程最遠的飛機等28個故事，讓小學生從故事中學習到航空知識。

（2）炫酷機器——航空知識入門。講述飛機的結構、種類與用途，穿插一些鮮為人知的歷史故事，讓小學生能感受到航空器種類的繁多以及對人類生活的巨大改變。

（3）飛翔奧秘——航空百科問答。飛機有倒擋嗎？飛機在天上飛是如何知道方向的？是起飛危險還是降落危險？飛行員叔叔要經歷那些體能訓練？飛機上的電從那里來的？許多航空問題，在這里為學生一一解答。

（4）放飛夢想——制作航空模型。系統全面地告訴學生如何制作航空模型，從紙飛機到遙控固定翼飛機，以及各類模型的競賽規則。飛機模型是走向航空科技大門的敲門磚，只有親身參與才能體會到飛行的奧妙與無窮樂趣。

（5）探索藍天——航空技術基礎。介紹伯努利定理、風洞及風洞試驗、各類飛行儀表及工作原理、飛機的各大系統等一些基礎技術知識。飛機是綜合的系統工程，需要方方面面的協作才能成功。

（6）駕馭神鷹——飛機技術基礎。講解與飛機駕駛相關的內容，包括航空氣象、地面設施與空中交通管理系統、航空生理及航空心理、地面模擬飛行與飛行體驗等。

3 航空模型制作實踐課程設計

根據不同年齡段學生的特點，小學以紙、KT板為主，動力為手擲或橡筋;初中以木制、金屬焊接、3D打印為主，動力為電容/鋰電池、昆蟲;高中以遙控飛機模型及反設計為主。根據學生不同的年齡段遞次開展知識學習和技能提升（見表1）。

在理論與實踐課程以外，學生還能夠在假期利用一個特定的時間參與仿古飛行器設計、深圳號無人機設計、未來航天器設計、場景模型設計、復合材料設計制作、飛行模擬器動感座椅設計、微型渦噴發動機設計以及萊特兄弟風洞設計等方向的研究，以更好地提升科技素養與能力。

參與本項目培育的學生，在“創新杯”全國未來飛行器設計大賽（中國航空學會）、“飛航杯”全國未來飛行器設計大賽（中國宇航學會）、其他設計院所、航空企業主辦的設計大賽等全國性賽事，以及外觀設計與發明專利申請、航空院校自主招生、私人飛機駕照的獲取等方面，都將有所收獲。

4 結語

創客教育課程通過有針對性的理論與實踐課程，能夠將學生培養成為富有創造力的“創客”，而將CDIO工程教育模式的構思、設計、實施、運作等流程融入創客教育，通過航空模型科研模式中的創意、設計、制造、試驗及優化等階段漸次提升，也能夠幫助學生在接受培育期間，清楚地了解到工程項目的研究方法，在知識與技能、過程與方法及情感態度與價值觀等方面都得到鍛煉和提升，有助于青少年學生未來成為有創造力的人才。

參考文獻

[1]沈海軍，孫延波，李漢東.微小飛機設計與制作漸進教程[M]北京：北京航空航天大學出版社，2019.

[2]賈玉紅，馬文來.青少年航空教育系列圖書[M]北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[3]王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）：86-87.

（2019-07-17收稿，2019-10-25修回）

作者簡介：李漢東（1966—），男，高級工程師，從事航空科普工作，E-mail： woko9692@163.com。

Abstract In order to explore the application of the CDIO engineering education model in maker education， a school special aviation maker project in shenzhen plans to adopt the research mode to carry out education according to the characteristics of primary and middle school students of different grades and achieve the training goal of? "small aircraft designer".

Keywords maker education， aviation， engineering education model