基于吸管結構的創意航天器模型設計與搭建

胡靜

項目背景

航天知識在普通高中物理、地理、通用技術等學科中均有出現，比如《物理》必修2 中的“萬有引力與航天”模塊，《地理》必修1“宇宙中的地球”模塊研究探討的是“火星基地應該是什么樣子”，《數學》的圓錐曲線部分也多次提到了航天器軌道。但是，由于航天科技涉及很多交叉學科，綜合性強、難度大，且受限于師資、資源等條件，中小學課程中與之相關的教學內容較少，主要以科普講座形式出現，形式單調，難以激發學生的興趣，偶見的探究性課程又因為航天領域的主題離學生生活和學習很遠，同時缺乏在地球環境中驗證某個問題解決方案的可行性[1]，導致課題難度過大，很難持續深入開展。針對上述問題和現狀，本項目設計開發了基于吸管結構的創意航天器模型設計與搭建，以項目式課程形式開展，以航天知識為背景，以模型設計制作為載體，采用任務驅動方式激發學生興趣，難度適中，較為適合在中小學開展。

項目簡介

本項目帶領學生走進航天世界，利用吸管及其連接件完成創意航天模型的結構設計與制作，然后利用Mixly 圖形化編程軟件實現對Arduino 開發板的控制，完成創意航天器電子功能部分的設計制作。

項目活動設計

任務 1. 航天基礎知識調研與學習

航天基礎知識學習

學生在學校航天實驗室或教室學習、了解航天基本概念、航天器的分類、功能等知識，或者通過參觀航天科技館等場所開展實踐學習，并將學習到的知識整理成PPT 或word 文檔上交。

航天器草圖繪制

學生分組并進行組內分工，調研感興趣的航天器，比如衛星、導彈、火箭、飛船、深空探測器等，重點了解該航天器的結構組成和工作原理，并在此基礎上繪制航天器草圖，可以選擇已有航天器，也可以自行設計創意航天器。要求：詳細繪制出航天器的主要部件，并注明各部件的尺寸和作用，可以手繪，也可用電腦繪制。

任務 2.航天器結構搭建與創意設計

學習航天器結構設計方法

學生通過閱讀相關書籍或在網絡上查找資料，學習、了解航天器結構設計的基本方法，查找收集航天器圖片，重點觀察航天器的外形結構；熟悉吸管及其連接件，學習利用吸管及其連接件完成結構搭建，嘗試利用吸管完成立方體、錐體、簡易火箭模型等的搭建。

分組設計并完成吸管創意航天器結構的設計與搭建

學生按照前期設計繪制的航天器草圖，完成吸管創意航天器結構的搭建。要求：盡量還原航天器的真實外形與主要結構部件，可嘗試利用錫紙、超輕黏土等材料制作并體現航天器的細節部分，包括航天器有效載荷的實現等。

任務 3.創意航天器電子功能部分的設計制作與調試

學習利用 Mixly 編程軟件實現對 Arduino 開發板的控制

學生學習Arduino Uno 開發板的基礎知識， 包括開發板基本構成、硬件配置、引腳介紹等，學習如何將Arduino 開發板與電腦連接，并進行程序下載和數據通訊；了解簡單電子元器件，比如LED 燈、電阻、杜邦線、面包板等，學習電子電路的基本連接方法；了解Mixly 編程界面及Mixly 各模塊的使用方法，初步利用Mixly 圖形化編程軟件完成創意LED 燈實驗。

利用 Arduino板設計并實現航天器的功能

學生根據任務1 中繪制的航天器草圖，分析其應具備的基本功能，并擬定小組計劃實現的功能；根據計劃實現的功能，學習相關電子元器件的功能與使用方法，比如溫濕度傳感器、太陽能電池、火警傳感器、光敏傳感器、蜂鳴器、顯示屏、超聲波傳感器、紅外傳感器、舵機等；利用Arduino 板設計并實現航天器的功能，比如環境溫濕度的顯示、太陽能電池電量的顯示、火警報警功能、LED 燈自動照明功能等；學生將電子元器件及Arduino 控制板，通過合理的布局安放在任務2中完成的吸管航天器模型上，并對航天器模型進行美化處理。

任務 4. 展示、分享與交流

撰寫項目報告

學生將整個制作過程與收獲整理成項目報告，要求圖文并茂，文字表達清楚，內容翔實，包含基礎知識介紹、制作過程的文字和圖片、活動收獲及感想等。

展示、分享、交流、評價

學生以小組為單位展示航天器作品、創意設計理念、制作過程中遇到的問題及收獲感受，教師進行點評。本項目采用過程性評價和終結性評價相結合的方式，注重多元評價、過程性評價，便于師生在評價過程中發現不足，及時調整提升。評價參照表1 內容進行。

項目特色

取材簡單，適用范圍廣

本項目經過簡單改造可面向不同層次的學生開展，滿足更多學生學習航天知識、了解航天科技的需求；課程內容設計合理、取材簡單，普通學校實驗室即可開展，易實施，可推廣。

跨學科，綜合性、實踐性強

本項目融合了物理、電子、計算機編程等多學科知識與技能，還包含衛星總體設計、載荷設計等專業航天知識，以項目式任務驅動的方式開展，易于激起學生的興趣和自主學習能動性。

自主性、開放性、發展性強

本項目將航天器設計與電子編程相結合，充分發揮學生的想象力，挖掘學生的創意設計能力，學生可根據自身水平進一步拓展項目的研究深度，開放性、發展性強，使學生在不斷接受新知識的同時，培養學習積極性，提升主觀能動性，便于在潛移默化中將科學研究的一般思路轉化為學習思路。

使用建議

項目適用范圍廣、開放性強，根據使用對象的層次進行適當調整后，面向小學、初中、高中學生均可開展。面向小學生時，可以航天基礎知識和吸管模型制作為主；面向初、高中生時，可按照項目流程完整開展。教師應注意引導學生自主思考，通過做中學、學中做，實現知識到思維的轉化，幫助學生建立航天工程實踐意識和系統思維，提高學生對航天科技的興趣。

參考文獻

[1] 唐香維，溫明男. 航天類 STEM 課程教學設計——以“機械臂捕獲失效衛星”為例[J]. 中國科技教育，2021（7）：13-17.