STEM理念下“遥控纸飞机”科技活动的设计与实施
来源: | 作者:qujianfeng999 | 发布时间: 2019-12-09 | 119 次浏览 | 分享到:
【摘 要】STEM教育理念对开展科技教育活动有较强的指导作用,“遥控纸飞机”活动项目以航模为活动背景,通过明确要求、讨论、工具设备使用培训、设计与制作、调试与改进、交流与评价等过程,引导学生设计和制作自己的航模飞机,在反复的设计制作与测试中验证设计方案是否合理,从而培养学生运用多学科融合方法解决实际问题的能力。
   1.活动设计背景 
   STEM教育最早起源于美国,旨在打破学科边界,通过运用多个领域的知识与技能解决真实问题,锻炼和培养学生的工程师素养与创新精神。我国对STEM教育的研究开始于2008年左右,在2015年,教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中首次提出要“探索STEM教育、创客教育等新教育模式”,自此引发了STEM 教育研究的热潮。航模科技活动具有趣味性、实践性和科学性,一架航模飞机从设计到完成要用到多方面的科学知识和操作动手能力,很适合用于开展STEM活动。 
   2.活动设计理念 
   在“遥控纸飞机”科技活动中,STEM理念主要体现在下列几个方面:科学(S)方面,航模飞机的原理涉及牛顿力学定律、伯努利原理、电气知识和无线电知识等;技术(T)方面,在活动中每个学生都是设计师,模型制作中涉及各种新型材料、各种粘合剂、各种木材和金属,学生在设计与制作航模的过程中需要思考应该选什么材料,要用哪些工具,怎么操作,能培养学生的问题意识和技术素养;工程(E)方面,通过对航模飞机电池、电子调速器、电机和螺旋桨规格的合理选择,能加深学生对统筹方法的理解;数学(M)方面,通过对航模飞机三视图的分析、设计,能加强学生对立体几何的理解,通过对无刷马达的输入功率、效率、损耗功率、马达壳体温度等参数的实验和数据分析,能提高学生的数据处理能力。 
   3.活动情景的引入与问题的提出 
   很多学生尤其是男生都有一个“飞行员梦”,他们梦想自己能亲自驾驶飞行器在蓝天白云中翱翔。教师引导学生:我们能不能造一架自己的“飞机”?可以操控其飞行,性能可靠,跌坏时又可以更换或升级零件。在课堂上讨论这个问题时大家都很兴奋。于是,选修课上的学生开始了自己“造飞机”的项目研究。 
   4.科学讨论与明确方案 
   虽然造的是航模飞机,但航模飞机的气动性和飞行原理和真飞机是一样的,造飞机可不是简单的事情,首先要知道飞机的飞行原理。 
   通过课堂上的一系列讨论,学生得到:若要使航模飞机平稳飞行,飞机的结构、重心必须要合理;一架遥控纸飞机要有机翼、机身、电子调速器、無刷电机、螺旋桨、舵机等部件。 
   5.工具设备使用的培训 
   航模制作需要用到一些专用工具,有些工具具有一定的危险性,为了避免对学生造成伤害和减少损失,有必要对学生进行一些工具设备使用的培训。 
   工具设备培训的第一原则是安全,让学生懂得保护自己和保护器材,在保证安全的情况下容许学生犯错,让学生自己体会其中的奥秘。 
   6.方案的设计与制作 
   6.1设计 
   通过体验、讨论交流,学生对航模飞机有了一定的认识,按照现成的图纸制作一架航模飞机,不是一件太难的事。但根据自己的需要设计制作一架航模飞机,对学生来说还是有一定的挑战性。 
   对此,教师要引导学生以小组为单位搜索资料、解决相关问题。 
   并提醒他们在设计时仔细考虑可利用的资源、实施难度和制作方案的可操作性。 
   学生根据教师提出的问题分组设计,画出三视图。这一环节,教师要积极参与学生设计活动,给予学生点拨、评价,如哪些方案容易实现、哪些方法制作难度较大、哪些设想不现实等。针对学生在活动中遇到的疑难问题,教师应引导学生自己感悟、积极思考、探索解决问题的途径和方法。 
   经过多次反反复复的比较、分析、讨论、交流,学生终于得出了结构最合理、造型最简单的飞机制作方案。 
   6.2制作 
   根据设计方案准备零件,按照设计图打印1:1图纸,贴在KT板上切割出机身,然后使用热熔胶枪、纤维胶布等工具把机身进行粘贴并安装电机座和舵角,接着给飞机装上电机、电子调速器、接收机、舵机等电子器件。安装完电子器件后放上电池,测量飞机的重心位置并做下标志。 
   7.模型的调试与改进 
   在模型制作完成后,学生从调整模型的重心、电机位置、推力线、电机与螺螺旋桨的搭配等方面测试,进而验证之前的设计是否合理。在本环节中,学生像工程师一样去设计实践,像科学家一样去缜密思考,进一步体验了工程设计的基础流程和学科知识的融合在此项目中的应用,提高了学生的动手实践能力,在迭代改进中不断提升自己的思维能力,为成为卓越的工程师奠定了良好的基础。 
   8.交流与评价 
   经过反复的测试改进之后,学生得到了最终的作品,教师组织学生进行成果展示比赛,让航模飞机在特定的航线中完成直线飞行、左右转弯、爬升、降落等动作,根据完成的情况打分。 
   9.小结 
   通过以上案例可以发现,随着现代科学技术的飞速发展,科学、技术、工程和数学领域间的联系也越来越密切,教师在教学中要多关注各学科间的联系,进一步挖掘学科知识的实际应用价值,将科学知识融入到真实的生活中,探索科学、技术、工程和数学之间的联系,发展学生适应未来职业和学习所需要的能力和素养。 
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