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素质拓展课程实践活动方案探析

摘要:基于原有的航模运动提出环保新课题—利用阳光、水、空气为动力的遥控模型飞机。学生在航模活动中学习实践了空气动力、电子、机械、无线电、材料、工艺、结构、气象、测量等不同学科的知识和技能,培养了综合实践、跨学科解决问题及创造能力。将数学、物理、化学等多个学科综合在一起灵活运用,可让学生在项目研究过程中真正体验学习科学知识的乐趣。

关键词:航模;创客教育;STEM教育

一、实践活动背景

教育部发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》中明确指出,中学阶段综合实践课程的具体目标是培养学生具有价值体认、责任担当、问题解决和创意物化等方面的意识和能力。而基于项目的素质拓展课是学生在活动参与、项目设计、问题解决中进行的实践活动。综合实践活动在增强人文素养、培育理性思维、养成主动学习习惯、提升个体觉悟、强化问题解决能力等方面具有积极意义。2016年4月24日首个“中国航天日”上,习近平总书记提出:“要铭记历史、传承精神,激发全民尤其是青少年崇尚科学、探索未知、敢于创新的热情,为实现中华民族伟大复兴的中国梦凝聚强大力量。”在学校开展“航空模型”素质拓展课程基础上,教师带领八年级学生以“利用阳光、水、空气为动力的遥控模型飞机”项目研究作为子课题进行实践探究。活动旨在引导学生通过探索、分析、创造等环节深入探寻适用于遥控模型飞机的新型能源,在主动探索的沉浸式跨学科学习的过程中培养学生发展核心素养,从而提升其适应未来的竞争力。

二、实践活动的目的及意义

航模活动是一项在全国范围内深受青少年喜欢的活动,航模的制作和试飞可以更好地培养学生细致入微的观察力、丰富的想象力;增强学生的动手操作能力,锻炼分析问题和解决问题的能力。这项活动不仅为学生的知识应用、个人才能的展示和发展提供了自由的空间,也为现代科技的普及与应用创造了条件。本项目的航模运动探索可以使更多的学生从中受益,进一步发扬学生动手参与、制作应用的科技热情。通过常规活动和比赛的锻炼,学生找到能充分发挥潜能、磨炼意志、培养能力的崭新天地,树立热爱科学、献身科学的远大理想和目标,立志成为社会的有用人才。

三、实践活动的具体实施

1.用品准备

(1)KFm翼型KFm是Kleine-Fogleman翼型的缩写。该翼型由理查•克莱恩和弗洛伊德•福格勒门共同设计,是近几年在世界范围内广泛使用的一种突破原有空气动力学理论的翼型,如图1所示。KFm翼型是在弦长50%的位置上设置一个台阶,气流经过台阶后,会形成一个涡流。涡流与整个翼型组成了一个原有平凸克拉比翼型的形状,减小了阻力。此外,整个翼型从前缘到后缘都能提供升力,所以KFm翼型的升阻比非常大。目前,KFm翼型共有12个类型,分别是KFm-1,KFm-2,KFm-3,KFm-4,KFm-5A,KFm-5B,KFm-6,KFm-7,KFm-8,KFm-9,KFm-10,KFm-11。不同的翼型有不同的适用范围,如图2所示的KFm-2翼型,是一种升力大、不易失速、适用面较为广泛的翼型。如图3所示的KFm-6是一种适合低速飞行的练习机,它易于制作,不易失速。本次活动的模型飞机采用的是图4的KFm-3翼型。这种翼型有两个台阶,分别在整个弦长的50%和75%处。它提供的升力非常大,飞行性能优异,适用于滑翔机或者高荷载的模型飞机,缺点是制作比较复杂。KFm翼型适用于各种速度的模型飞机,更能兼顾高荷载和高速度。用KFm翼型制作的飞翼,在做“降落伞”动作的时候,能仅靠副翼就平稳控制飞翼。原有翼型每个部分都有阻力,但是KFm翼型只有在台阶的部分有阻力;并且台阶后部的涡流能够提高升力,这就使得KFm翼型有非常大的升阻比。目前,Russ40遥控特技飞机使用的就是KFm-3翼型。因为KFm翼型的诸多优点,未来有可能将此翼型运用在军用无人机上,不仅能够保持平稳飞行,还能够搭载更多的武器或者侦察装置。为了验证新型KFm翼型的升力以及荷载能力要优于原有的平凸克拉比翼型,研究做了如下测试。设计了一个风洞实验,巧妙地借助了八年级物理课中用到的机翼升力演示器,如图5所示。这个仪器可以在出风口提供稳定的气流,并能在一定幅度内改变风力的大小。当风力足够大的时候,可使机翼模型升起一定的高度。同时用KT板制作了两种翼型的模型,并且使两种翼型的升力面积、自身重量、体积、俯仰角度、风力大小等其他因素相同。两个翼型的弦长都是140mm,质量均为4.71g。经过实验得知,新的KFm翼型的升力要大于原有平凸克拉比翼型,所以能够有较大的荷载量(如图6、图7所示)。(2)水火箭目前没有能够匹配使用的高度计,无法具体测得模型飞机的升空高度。对于这种情况,近似地使用水火箭测试飞行的最佳参数。影响水火箭飞行距离的主要因素为发射气压、瓶内液体占瓶体积的比例以及发射角度。此外还有其他一些因素,如实验当天的风力、风向因素以及水火箭的外观等。通过研究其他文献,最终确定使用两个小可乐瓶连接起来作为水火箭的动力舱,发射气压为4个大气压,瓶内液体为清水,瓶内水的体积约占瓶体的1/3,发射角度为50度。(3)发射装置发射装置为以前留存下来的仪器,经过改装可适用于新实验。实验设计最初是用手来控制发射开关的,这样就带来了问题:不仅操作手和发射手之间存在协调与同步的问题,还会弄得发射手衣服湿透。经过请教指导教师,学生将自行车线闸运用于此处对装置进行改进。学生用塑料绳将线闸的一端与开关相连接,另一端连接在脚踏板上。这样就可以让操作手一个人独立完成,并且能够让自己远离水火箭的喷嘴部分(如图8所示)。(4)超级电容、太阳能电池板设计中,供电装置使用的是10F的超级电容,能够为模型飞机上的接收机、舵机正常工作提供1分钟的电能。这个10F的电容是安装在飞机上的。为电容充电的是太阳能电池板(如图9所示)。这块电池板的标称数据为输出电压5V、输出电流160mA。通过电容的计算公式Q=UC和电流的定义式I=Q/t,能够求得在光照条件充足的情况下,充电时间大约为5分钟。

2.模型的制作

(1)切割设计完成后,最先制作的是机翼,整个机翼呈弧形后略飞翼式,翼型结构是KFm-3型。由三层阶梯形的KT板组成。制作前,分别用铅笔将图形准确地画在KT板上,再用小刀精准切割,这样就做好了三层不同形状的样板。此外,翼端的小翼样板也是用KT板制成的,如图10所示。(2)粘和使用泡沫塑料快干胶将切割好的四大部件按照图纸粘合成KFm-3型的机翼。为了防止反冲上升时由于升力过大导致机翼折断,还应用碳素纤维材料加固。经过24小时干燥后,再用砂纸打磨、熨斗加热,将机翼前缘加工成平凸翼型的前缘形状。(3)反冲动力舱反冲动力舱用一个600mL的可乐瓶制作。以瓶底为飞行方向的前端,用EPP塑料做一个整流罩固定在前方,飞行时可减少空气阻力,降落时还可起到缓冲作用。瓶口处用一个特制的塑料喷嘴旋紧。目前的两个可乐瓶连体装置是天津师范大学航模组帮助我校制作的。如此一来,空气和水的容量都增加了一倍,反冲动力也会相应大增。反冲动力舱需要牢固地装在机翼中轴线下方,安装时要与机腹部呈3~6度的下推角,道理与动力模型飞机的下拉线相同。(4)遥控设备这架模型飞机只操纵飞翼上的副翼,用两通道控制遥控器,控制飞行时的左右和升降就可以了。(5)电源本设计制作的是一架依靠反冲动力的滑翔机,与S8D一样,只要有供给接收机和两个舵机的足够工作电能就可以了,因此采用的是5V,160mA的太阳能电池和10F的超级电容。

3.调整试飞

当模型制作和设备安装完成后,首先进行的是手掷滑翔试飞。站在操场11m高的看台顶端,一名学生水平方向投出飞机,另一人操纵飞机。每一轮飞行后都要调整,如重心、横侧安定和舵量等。手掷滑翔调整满意后,到操场中央进行反冲动力试飞。操纵员站在几米外,踩动踏板,飞机尾部急速喷出水柱和白雾,在反冲动力作用下,飞机上天。飞机快要停止加速上升时,由竖直上升改为平飞。实验过程中,从最初向瓶内加入100mL清水和2个大气压开始,慢慢增加到最后的400mL清水和4个大气压。在整个操纵过程中,掌握控制好发射、急速上升、改初滑翔的三个步骤是关键。发射瞬间初速度很大,飞机非常容易被拉翻,因此,如何操纵推杆让飞机直线上升并争取到最大的高度需要多次反复实践才能实现。

4.试飞数据结论

经过多次试飞,可获得与前人做水火箭实验相近的数据:发射角度50度、水占瓶体积的比例为1/3、瓶内为4个大气压。这样的设置,能使得飞机的留空时间最长,约为10秒。四、结语“利用阳光、水、空气为动力的遥控模型飞机”项目获得第三十一届全国青少年科技创新大赛集体项目二等奖;项目成果被多家媒体报道;项目组成员于靖桐、张子涵、李欣受邀参加天津市南开区第三十一届科技周并进行展示。本教学设计以项目式学习、问题解决为导向,融合物理、技术、工程、数学、美术等多学科知识,激发了学生自主探究、大胆创新的潜能,让学生实实在在地体验发现问题、基于问题寻求解决策略、实践创造应用的过程,体会到想象与现实的差距,品味到成功与失败的滋味,更认识到团队协作的意义,对于提升学生的核心素养具有重要作用。

作者:许鹏 李登举 李保均 单位:天津市天津中学

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