STEM理念下“遙控紙飛機”科技活動的設(shè)計與實施

林志增

【摘 要】STEM教育理念對開展科技教育活動有較強的指導(dǎo)作用，“遙控紙飛機”活動項目以航模為活動背景，通過明確要求、討論、工具設(shè)備使用培訓(xùn)、設(shè)計與制作、調(diào)試與改進、交流與評價等過程，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計和制作自己的航模飛機，在反復(fù)的設(shè)計制作與測試中驗證設(shè)計方案是否合理，從而培養(yǎng)學(xué)生運用多學(xué)科融合方法解決實際問題的能力。

【關(guān)鍵詞】STEM理念;遙控紙飛機;設(shè)計;實施

1.活動設(shè)計背景

STEM教育最早起源于美國，旨在打破學(xué)科邊界，通過運用多個領(lǐng)域的知識與技能解決真實問題，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的工程師素養(yǎng)與創(chuàng)新精神。我國對STEM教育的研究開始于2008年左右，在2015年，教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見》中首次提出要“探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”，自此引發(fā)了STEM 教育研究的熱潮。航?？萍蓟顒泳哂腥の缎浴嵺`性和科學(xué)性，一架航模飛機從設(shè)計到完成要用到多方面的科學(xué)知識和操作動手能力，很適合用于開展STEM活動。

2.活動設(shè)計理念

在“遙控紙飛機”科技活動中，STEM理念主要體現(xiàn)在下列幾個方面：科學(xué)（S）方面，航模飛機的原理涉及牛頓力學(xué)定律、伯努利原理、電氣知識和無線電知識等;技術(shù)（T）方面，在活動中每個學(xué)生都是設(shè)計師，模型制作中涉及各種新型材料、各種粘合劑、各種木材和金屬，學(xué)生在設(shè)計與制作航模的過程中需要思考應(yīng)該選什么材料，要用哪些工具，怎么操作，能培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和技術(shù)素養(yǎng);工程（E）方面，通過對航模飛機電池、電子調(diào)速器、電機和螺旋槳規(guī)格的合理選擇，能加深學(xué)生對統(tǒng)籌方法的理解;數(shù)學(xué)（M）方面，通過對航模飛機三視圖的分析、設(shè)計，能加強學(xué)生對立體幾何的理解，通過對無刷馬達的輸入功率、效率、損耗功率、馬達殼體溫度等參數(shù)的實驗和數(shù)據(jù)分析，能提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力。

3.活動情景的引入與問題的提出

很多學(xué)生尤其是男生都有一個“飛行員夢”，他們夢想自己能親自駕駛飛行器在藍天白云中翱翔。教師引導(dǎo)學(xué)生：我們能不能造一架自己的“飛機”？可以操控其飛行，性能可靠，跌壞時又可以更換或升級零件。在課堂上討論這個問題時大家都很興奮。于是，選修課上的學(xué)生開始了自己“造飛機”的項目研究。

4.科學(xué)討論與明確方案

雖然造的是航模飛機，但航模飛機的氣動性和飛行原理和真飛機是一樣的，造飛機可不是簡單的事情，首先要知道飛機的飛行原理。

通過課堂上的一系列討論，學(xué)生得到：若要使航模飛機平穩(wěn)飛行，飛機的結(jié)構(gòu)、重心必須要合理;一架遙控紙飛機要有機翼、機身、電子調(diào)速器、無刷電機、螺旋槳、舵機等部件。

5.工具設(shè)備使用的培訓(xùn)

航模制作需要用到一些專用工具，有些工具具有一定的危險性，為了避免對學(xué)生造成傷害和減少損失，有必要對學(xué)生進行一些工具設(shè)備使用的培訓(xùn)。

工具設(shè)備培訓(xùn)的第一原則是安全，讓學(xué)生懂得保護自己和保護器材，在保證安全的情況下容許學(xué)生犯錯，讓學(xué)生自己體會其中的奧秘。

6.方案的設(shè)計與制作

6.1設(shè)計

通過體驗、討論交流，學(xué)生對航模飛機有了一定的認識，按照現(xiàn)成的圖紙制作一架航模飛機，不是一件太難的事。但根據(jù)自己的需要設(shè)計制作一架航模飛機，對學(xué)生來說還是有一定的挑戰(zhàn)性。

對此，教師要引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位搜索資料、解決相關(guān)問題。

并提醒他們在設(shè)計時仔細考慮可利用的資源、實施難度和制作方案的可操作性。

學(xué)生根據(jù)教師提出的問題分組設(shè)計，畫出三視圖。這一環(huán)節(jié)，教師要積極參與學(xué)生設(shè)計活動，給予學(xué)生點撥、評價，如哪些方案容易實現(xiàn)、哪些方法制作難度較大、哪些設(shè)想不現(xiàn)實等。針對學(xué)生在活動中遇到的疑難問題，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自己感悟、積極思考、探索解決問題的途徑和方法。

經(jīng)過多次反反復(fù)復(fù)的比較、分析、討論、交流，學(xué)生終于得出了結(jié)構(gòu)最合理、造型最簡單的飛機制作方案。

6.2制作

根據(jù)設(shè)計方案準備零件，按照設(shè)計圖打印1：1圖紙，貼在KT板上切割出機身，然后使用熱熔膠槍、纖維膠布等工具把機身進行粘貼并安裝電機座和舵角，接著給飛機裝上電機、電子調(diào)速器、接收機、舵機等電子器件。安裝完電子器件后放上電池，測量飛機的重心位置并做下標志。

7.模型的調(diào)試與改進

在模型制作完成后，學(xué)生從調(diào)整模型的重心、電機位置、推力線、電機與螺螺旋槳的搭配等方面測試，進而驗證之前的設(shè)計是否合理。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生像工程師一樣去設(shè)計實踐，像科學(xué)家一樣去縝密思考，進一步體驗了工程設(shè)計的基礎(chǔ)流程和學(xué)科知識的融合在此項目中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的動手實踐能力，在迭代改進中不斷提升自己的思維能力，為成為卓越的工程師奠定了良好的基礎(chǔ)。

8.交流與評價

經(jīng)過反復(fù)的測試改進之后，學(xué)生得到了最終的作品，教師組織學(xué)生進行成果展示比賽，讓航模飛機在特定的航線中完成直線飛行、左右轉(zhuǎn)彎、爬升、降落等動作，根據(jù)完成的情況打分。

9.小結(jié)

通過以上案例可以發(fā)現(xiàn)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域間的聯(lián)系也越來越密切，教師在教學(xué)中要多關(guān)注各學(xué)科間的聯(lián)系，進一步挖掘?qū)W科知識的實際應(yīng)用價值，將科學(xué)知識融入到真實的生活中，探索科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生適應(yīng)未來職業(yè)和學(xué)習(xí)所需要的能力和素養(yǎng)。

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