STEM項目《降落傘》案例分析

王遠廣 張桐斌

隨著人類科技的發展，各種各樣的飛行器和飛行方式實現了人類不同領域的飛行需求，如翼裝飛行、跳傘、可回收火箭、各式各樣的飛機等。可以預見，在未來人們的高空活動會越來越普及，這些活動都離不開一個至關重要的安全保障——降落傘。由此可見，一款成本低廉、應用范圍廣泛、安全性高以及足夠便攜的降落傘很可能成為未來生活的必需品。

項目目標

科學：了解降落傘的發展歷史、降落傘的相關故事以及降落傘的有關信息。知道在下落過程中降落傘上的重物受到重力和空氣阻力的作用。知道現代降落傘傘面的復雜性以及傘面孔洞的作用。知道影響降落傘下降快慢的因素并學會控制變量法的使用。

技術：各種工具的使用。

工程：根據需求選擇不同的材料，繪制降落傘設計圖。

數學：確定降落傘面直徑大小、傘繩的長度、重物的質量以及傘面孔洞的大小。測量降落傘下降地點的高度。記錄降落傘從開始下降到落地的時間。

材料準備

塑料薄膜、繩子、透明膠、剪刀、縫衣針、針筒、重物（灌滿水的不同氣球）、白布、白紙、氣球等。

情境導入

由精彩絕倫的極限運動視頻（翼裝飛行、低空跳傘）和高空跳傘視頻等引入本項目課題。通過視頻啟發學生對自己所了解的降落傘進行分類（如從外形、材料、用途等方面分類），給出各自的理由。討論過后，全班一起學習降落傘應用分類及其發展史，激發學生對課程的興趣，并在設計環節給他們提供多種思考方向。

學生根據視頻以及自己對降落傘的理解進行實驗，利用手頭的材料來探究降落傘的工作原理以及影響降落速度的因素，并完成下列預設的實驗方案。

師：請同學猜想，改變哪些因素會影響降落傘下降的快慢？

生：可能是傘面的大小、傘繩的長短、傘面的材料、重物的重量等。

師：好，假如探究傘面的大小對降落傘下降快慢的影響，我們應該控制哪些因素相同、哪些因素不同？

生：相同因素是傘面材料、傘面形狀、傘繩長度以及重物的重量，不同因素是傘面大小。

師：這里用到的方法是不是很熟悉，誰能告訴我？

生：控制變量法。

師：非常好，在設計降落傘時要考慮我們所探究的問題，并確定相關數據，如傘面的大小、傘繩的長度、重物的重量等數據。

在學生自主探究的過程中會涉及各類形狀的面積計算及應用，如三角形、圓形、方形等。通過三次預設實驗，讓學生嘗試在探索過程中發現影響降落傘滯空時間的核心因素是空氣阻力，進而探索影響空氣阻力的因素。

項目實施

1.制定項目實施方案

按比例縮小一個成年人的體重，并據此計算出項目所需的其他數據，如傘面積、繩長等。

教師給學生展示降落傘的具體數據，如傘面的形狀和大小、傘繩的長度等，讓學生以自身體重為參考，按比例縮小所有數據得出項目所需所有數據。在此過程中，學生需要運用到比例尺、面積計算等知識，并且在計算的過程中需要參考和理解現實中真實合理的設計原理。

2.繪制設計圖

根據形狀不同繪制圓形、八邊形、正方形、三角形等傘面，還可以繪制大小不一的傘面，同時標注出使用材料，如白紙、塑料膜和布料等。

學生以按比例縮小的降落傘數據為參考，用工程三視圖的方式繪制出設計圖，并在設計圖上標注出數據、使用材料、拼接方式等。

學生在開始制作前，參考已知數據繪制出各自想象中的成品，工程三視圖可以很好地幫助他們把想象中的作品呈現出來。從工程的角度來說，三視圖能夠直觀地展現整個項目的可實施性和預估所需材料總量等。

3.實踐制作

了解材料的特性，學習各類工具的使用以保證各個配件的精確度。

開始制作前，學生通過小組探究的形式，總結不同材料的特性以及針對不同材料應該使用的加工工藝，再以同樣的形式總結出使用不同工具的注意事項。

根據對材料以及工具的討論和探究結果，教師引導學生回到自己的設計方案，思考是否需要做調整或者在制作過程中應該注意哪些細節，然后學生開始制作。

4.作品展示

各小組闡述自己的設計理念以及運用的科學依據和計算方法，其他小組提出問題或改進建議。

為完整呈現設計過程，每組需要將自己的設計理念、數據的計算過程、學科的理論依據、工程三視圖等內容整理到一起。學生結合作品用簡潔明了的語言做介紹，重點突出項目設計的優勢和可以進行實際運用的領域。

此過程需要完整展示產品設計的理念、過程及實際意義，考驗學生的語言組織和表達能力和藝術性。同時，其他學生以審視的角度傾聽，進行質疑或提出建議，提升整體的思考廣度和深度。

5.作品完善

在設計制作過程中，學生可能會遇到諸多問題，如圓形傘面如何切割，如何將水灌入氣球，工具不合適等，但在大家的共同努力下一一解決，還發現身邊的許多材料都可以運用到降落傘的制作中。

測試

學生按照小組進行三輪測試：低空滯空測試（2米高度），高空滯空及穩定性測試（4米高度），折疊狀態高空滯空及穩定性測試（4米高度），如上表。

各小組根據自己還有其他組的測試數據，對自己的項目設計進行總結和歸納。通過分析傘面形狀和面積、傘繩長度等因素，結合所學知識，完善整個項目的改進方案。

降落傘的制作活動，學生通過探究影響降落傘下降速度的因素，了解并意識到人類通過對產品不斷改進以適應不同的需求。學生提出實際的科學問題，綜合運用已有知識解釋分析問題，探索解決問題的各種方法，從而發展創新意識。學生在活動中體會科學的樂趣，加強相互間的溝通，訓練了團隊合作，共同完成課程活動。

教學反思

STEM項目活動中，學生會主動思考：這個問題的結果會是怎樣的？可能有哪些情況發生？如果出現這樣的情況又會是哪些因素的原因？這些問題使得學生思維能力和解決問題能力得到提高。學生需要靈活運用各學科知識，經歷科學探究和工程設計的全過程，完成項目學習，提高自身的科學素養，達到事半功倍的效果。