STEM項(xiàng)目《降落傘》案例分析

王遠(yuǎn)廣 張桐斌

隨著人類科技的發(fā)展，各種各樣的飛行器和飛行方式實(shí)現(xiàn)了人類不同領(lǐng)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(jī)等。可以預(yù)見，在未來人們的高空活動(dòng)會(huì)越來越普及，這些活動(dòng)都離不開一個(gè)至關(guān)重要的安全保障——降落傘。由此可見，一款成本低廉、應(yīng)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(xiàng)目目標(biāo)

科學(xué)：了解降落傘的發(fā)展歷史、降落傘的相關(guān)故事以及降落傘的有關(guān)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(xiàn)代降落傘傘面的復(fù)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(xué)會(huì)控制變量法的使用。

技術(shù)：各種工具的使用。

工程：根據(jù)需求選擇不同的材料，繪制降落傘設(shè)計(jì)圖。

數(shù)學(xué)：確定降落傘面直徑大小、傘繩的長度、重物的質(zhì)量以及傘面孔洞的大小。測量降落傘下降地點(diǎn)的高度。記錄降落傘從開始下降到落地的時(shí)間。

材料準(zhǔn)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(dǎo)入

由精彩絕倫的極限運(yùn)動(dòng)視頻（翼裝飛行、低空跳傘）和高空跳傘視頻等引入本項(xiàng)目課題。通過視頻啟發(fā)學(xué)生對(duì)自己所了解的降落傘進(jìn)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(xué)習(xí)降落傘應(yīng)用分類及其發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的興趣，并在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給他們提供多種思考方向。

學(xué)生根據(jù)視頻以及自己對(duì)降落傘的理解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案。

師：請(qǐng)同學(xué)猜想，改變哪些因素會(huì)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(duì)降落傘下降快慢的影響，我們應(yīng)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(shè)計(jì)降落傘時(shí)要考慮我們所探究的問題，并確定相關(guān)數(shù)據(jù)，如傘面的大小、傘繩的長度、重物的重量等數(shù)據(jù)。

在學(xué)生自主探究的過程中會(huì)涉及各類形狀的面積計(jì)算及應(yīng)用，如三角形、圓形、方形等。通過三次預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生嘗試在探索過程中發(fā)現(xiàn)影響降落傘滯空時(shí)間的核心因素是空氣阻力，進(jìn)而探索影響空氣阻力的因素。

項(xiàng)目實(shí)施

1.制定項(xiàng)目實(shí)施方案

按比例縮小一個(gè)成年人的體重，并據(jù)此計(jì)算出項(xiàng)目所需的其他數(shù)據(jù)，如傘面積、繩長等。

教師給學(xué)生展示降落傘的具體數(shù)據(jù)，如傘面的形狀和大小、傘繩的長度等，讓學(xué)生以自身體重為參考，按比例縮小所有數(shù)據(jù)得出項(xiàng)目所需所有數(shù)據(jù)。在此過程中，學(xué)生需要運(yùn)用到比例尺、面積計(jì)算等知識(shí)，并且在計(jì)算的過程中需要參考和理解現(xiàn)實(shí)中真實(shí)合理的設(shè)計(jì)原理。

2.繪制設(shè)計(jì)圖

根據(jù)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(shí)標(biāo)注出使用材料，如白紙、塑料膜和布料等。

學(xué)生以按比例縮小的降落傘數(shù)據(jù)為參考，用工程三視圖的方式繪制出設(shè)計(jì)圖，并在設(shè)計(jì)圖上標(biāo)注出數(shù)據(jù)、使用材料、拼接方式等。

學(xué)生在開始制作前，參考已知數(shù)據(jù)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(xiàn)出來。從工程的角度來說，三視圖能夠直觀地展現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目的可實(shí)施性和預(yù)估所需材料總量等。

3.實(shí)踐制作

了解材料的特性，學(xué)習(xí)各類工具的使用以保證各個(gè)配件的精確度。

開始制作前，學(xué)生通過小組探究的形式，總結(jié)不同材料的特性以及針對(duì)不同材料應(yīng)該使用的加工工藝，再以同樣的形式總結(jié)出使用不同工具的注意事項(xiàng)。

根據(jù)對(duì)材料以及工具的討論和探究結(jié)果，教師引導(dǎo)學(xué)生回到自己的設(shè)計(jì)方案，思考是否需要做調(diào)整或者在制作過程中應(yīng)該注意哪些細(xì)節(jié)，然后學(xué)生開始制作。

4.作品展示

各小組闡述自己的設(shè)計(jì)理念以及運(yùn)用的科學(xué)依據(jù)和計(jì)算方法，其他小組提出問題或改進(jìn)建議。

為完整呈現(xiàn)設(shè)計(jì)過程，每組需要將自己的設(shè)計(jì)理念、數(shù)據(jù)的計(jì)算過程、學(xué)科的理論依據(jù)、工程三視圖等內(nèi)容整理到一起。學(xué)生結(jié)合作品用簡潔明了的語言做介紹，重點(diǎn)突出項(xiàng)目設(shè)計(jì)的優(yōu)勢和可以進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用的領(lǐng)域。

此過程需要完整展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念、過程及實(shí)際意義，考驗(yàn)學(xué)生的語言組織和表達(dá)能力和藝術(shù)性。同時(shí)，其他學(xué)生以審視的角度傾聽，進(jìn)行質(zhì)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(shè)計(jì)制作過程中，學(xué)生可能會(huì)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(fā)現(xiàn)身邊的許多材料都可以運(yùn)用到降落傘的制作中。

測試

學(xué)生按照小組進(jìn)行三輪測試：低空滯空測試（2米高度），高空滯空及穩(wěn)定性測試（4米高度），折疊狀態(tài)高空滯空及穩(wěn)定性測試（4米高度），如上表。

各小組根據(jù)自己還有其他組的測試數(shù)據(jù)，對(duì)自己的項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和歸納。通過分析傘面形狀和面積、傘繩長度等因素，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，完善整個(gè)項(xiàng)目的改進(jìn)方案。

降落傘的制作活動(dòng)，學(xué)生通過探究影響降落傘下降速度的因素，了解并意識(shí)到人類通過對(duì)產(chǎn)品不斷改進(jìn)以適應(yīng)不同的需求。學(xué)生提出實(shí)際的科學(xué)問題，綜合運(yùn)用已有知識(shí)解釋分析問題，探索解決問題的各種方法，從而發(fā)展創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生在活動(dòng)中體會(huì)科學(xué)的樂趣，加強(qiáng)相互間的溝通，訓(xùn)練了團(tuán)隊(duì)合作，共同完成課程活動(dòng)。

教學(xué)反思

STEM項(xiàng)目活動(dòng)中，學(xué)生會(huì)主動(dòng)思考：這個(gè)問題的結(jié)果會(huì)是怎樣的？可能有哪些情況發(fā)生？如果出現(xiàn)這樣的情況又會(huì)是哪些因素的原因？這些問題使得學(xué)生思維能力和解決問題能力得到提高。學(xué)生需要靈活運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)，經(jīng)歷科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的全過程，完成項(xiàng)目學(xué)習(xí)，提高自身的科學(xué)素養(yǎng)，達(dá)到事半功倍的效果。