馬云
〔摘? ? 要〕? 為提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng),弘揚(yáng)航天精神,本方案以“仰望星空,逐夢航天”為主題,圍繞載人航天“火箭發(fā)射”“空間站運(yùn)行”“返回艙降落”三個階段,設(shè)計了“飛得更高——水火箭設(shè)計與發(fā)射”“太空中的家——空間站相關(guān)創(chuàng)意設(shè)計”“穩(wěn)穩(wěn)地降落——降落傘設(shè)計與制作”三個科技實踐項目,讓學(xué)生以自主學(xué)習(xí)、實驗探究、工程設(shè)計與物化的方式去構(gòu)思、設(shè)計、探究、制作、迭代,體驗工程設(shè)計師的工作流程,讓學(xué)生了解航天知識,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維,提高學(xué)生科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程能力,發(fā)展創(chuàng)新能力,感受不畏險阻、勇攀高峰的航天精神。
〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué);科學(xué)素養(yǎng);航空航天;科技實踐
〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? (2024)? 01? ? 043-045
一、活動背景
自20世紀(jì)70年代起,我國航空航天事業(yè)迅猛發(fā)展,尤其是近20年來,“神舟”“天宮”“嫦娥”“天問”“羲和”等航天器承載著我國人民自古以來對星空的向往,凝聚著當(dāng)代科技工作者的智慧和汗水,在萬眾矚目中成功發(fā)射,將國人探索宇宙的腳步延展到月球、火星。神舟逐夢、嫦娥探月、祝融探火、天問問天這些舉世矚目的成就,使載人航天成為我國耀眼的名片,令世界仰望。
二、活動概述
本活動方案參照2022年版小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn),以發(fā)展學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)為核心,以“仰望星辰,逐夢航天”為主題,圍繞載人航天“火箭發(fā)射”“空間站運(yùn)行”“返回艙降落”三個階段,設(shè)計了一系列科技實踐活動。
準(zhǔn)備階段,以科技講座、觀影等形式普及航天相關(guān)知識并激發(fā)學(xué)生興趣和責(zé)任感。實施階段,通過“飛得更高”“設(shè)計太空中的家”“穩(wěn)穩(wěn)地降落”三個以學(xué)生為主體的主題活動,具體包括單體水火箭、多級助推水火箭設(shè)計與制作、基于Arduino開源硬件創(chuàng)意設(shè)計、降落傘的設(shè)計與制作等實踐項目,讓學(xué)生以自主學(xué)習(xí)、實驗探究、工程設(shè)計與物化的方式,去構(gòu)思、設(shè)計、探究、制作和迭代,體驗工程設(shè)計師的工作流程。
學(xué)生在實驗探究中提高設(shè)計并實踐探究方案的能力,在設(shè)計與制作中發(fā)展工程設(shè)計能力和物化能力,在目標(biāo)完成中發(fā)展創(chuàng)新能力,感受不畏險阻、勇攀高峰的航天精神,全面提升科學(xué)素養(yǎng)。
三、活動目標(biāo)
科學(xué)觀念:掌握水火箭發(fā)射和降落傘減速的相關(guān)科學(xué)原理,了解水火箭和降落傘的基本結(jié)構(gòu)和制作方法;了解航空航天基礎(chǔ)知識和近現(xiàn)代我國航空航天大事記。
科學(xué)思維:比較全面地分析問題的各種影響因素;基于交流情境提出觀點(diǎn),建立證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)系;運(yùn)用重組思維、發(fā)散思維等思維方式,進(jìn)行初步的創(chuàng)意設(shè)計。
探究實踐:從實物的結(jié)構(gòu)、功能出發(fā),提出可探究的科學(xué)問題;制訂比較完備的探究計劃,設(shè)計控制變量的實驗方案;根據(jù)問題情境需要,定義簡單的工程問題,具有初步的構(gòu)思、設(shè)計、實施、驗證與改進(jìn)能力。
科學(xué)態(tài)度:抱有好奇心;以事實為依據(jù)提出自己的觀點(diǎn),不盲從;樂于合作,勇于創(chuàng)新。
四、活動對象
本活動面向5~6年級學(xué)生。
五、活動過程
(一)準(zhǔn)備階段
制定活動方案;與學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、家長溝通;召開活動動員會,做好活動前培訓(xùn),幫助學(xué)生熟悉活動進(jìn)程,了解活動意義和注意事項;邀請專家,準(zhǔn)備材料和器材、場地。
(二)實施階段
活動1:航空航天知識普及與構(gòu)建
通過特色課程、主題講座、觀影和學(xué)生自主學(xué)習(xí),對學(xué)生進(jìn)行航空航天相關(guān)知識普及和科技探究方法的構(gòu)建;利用年級科學(xué)特色課程時間,科技輔導(dǎo)員結(jié)合相關(guān)科普視頻普及航空航天相關(guān)知識;舉辦專家科普講座,邀請科技模型和科技活動專家,指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)模型制作技巧和科學(xué)探究方法;進(jìn)行科普觀影。
活動2:“飛得更高——水火箭設(shè)計與發(fā)射”
素材準(zhǔn)備:礦泉水瓶若干、安全剪刀(?美工刀)?、直尺、膠塞、雙面膠、熱熔膠、彩色卡紙、訂書機(jī)、水火箭發(fā)射器等。
資料準(zhǔn)備:水火箭原理資料卡、水火箭基本結(jié)構(gòu)示意圖。
提出問題:“生活中水火箭是如何飛向天空的?”引發(fā)學(xué)生思考。
自主學(xué)習(xí):學(xué)生在確定需要解決的問題之后,通過閱讀資料、觀看制作視頻,了解水火箭的發(fā)射原理——反沖作用,以及水火箭的基本結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)制作步驟,提高學(xué)生收集、提取信息的能力。
方案設(shè)計:小組合作,根據(jù)可選材料進(jìn)行設(shè)計,繪制水火箭設(shè)計圖并填寫所需材料清單,培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和物化能力。教師發(fā)揮指導(dǎo)和監(jiān)督作用,進(jìn)行巡視與差別化指導(dǎo),和學(xué)生共同討論設(shè)計思路和注意事項,必要時提供一個有效設(shè)計案例,避免學(xué)生盲目設(shè)計。
制作與發(fā)射:小組分工協(xié)作制作水火箭,在操場進(jìn)行水火箭試射,體驗反沖作用在水火箭發(fā)射中的應(yīng)用,發(fā)展學(xué)生的實踐能力和團(tuán)隊意識。
“飛得更高——水火箭飛行高度影響因素探究與模型優(yōu)化”
提出猜想:在水火箭試射的基礎(chǔ)上思考“哪些因素影響水火箭的飛行高度”,培養(yǎng)學(xué)生全面地分析問題的各種影響因素的科學(xué)思維能力。
實驗探究:采用控制變量的思想進(jìn)行實驗設(shè)計,分別探究可能的影響因素(水量、水火箭的封閉性、箭翼尺寸規(guī)格等)與飛行高度的關(guān)系;各組完成探究報告,并進(jìn)行組間分享與交流。
模型優(yōu)化:提出“飛得更高”這一目標(biāo),激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊意識和責(zé)任意識;各小組在探究結(jié)果的基礎(chǔ)上合作改進(jìn)原設(shè)計,繪制水火箭改進(jìn)示意圖,并對水火箭進(jìn)行改進(jìn)。
成果展示:進(jìn)行“飛行高度挑戰(zhàn)賽”,由前三名的隊伍對水火箭設(shè)計進(jìn)行經(jīng)驗分享。
部分結(jié)論:水量并不是越多越好,1/3左右為佳,水量過多,會因瓶內(nèi)壓力下降過快而使反沖作用減小,同時出現(xiàn)“余水”,不利于水火箭飛行。箭翼尺寸外形要保持一致,分布要均勻,保障重心在水火箭的幾何中心上。
提出任務(wù):“實際火箭發(fā)射為了獲得理想高度,采用了火箭助推器,我們嘗試為水火箭加裝助推器,突破單體水火箭瓶頸,再創(chuàng)新高!”培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、大膽創(chuàng)新的科學(xué)精神。
自主學(xué)習(xí):通過閱讀相關(guān)資料學(xué)習(xí)水火箭助推器工作原理——連通器原理。了解助推器的一種可行的制作方法:準(zhǔn)備兩個相同的飲料瓶,將飲料瓶瓶底剪掉,用熱水燙一下切口,然后將兩個切開瓶底的瓶子粘住,即可得到一個助推器,為學(xué)生進(jìn)行有效設(shè)計提供支撐。討論可行的助推器與主體的脫離方式:重力、速度差等。
設(shè)計與制作:小組合作自選材料設(shè)計并制作助推器,助推器選材、數(shù)量、與主體的連接方式可自選,完成助推器設(shè)計單,提高學(xué)生的物化能力,培養(yǎng)學(xué)生敢于嘗試、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。
成果展示與交流:制作成功的小組進(jìn)行助推水火箭的試射,并分享設(shè)計思路和制作過程中遇到的技術(shù)困難與解決方法,讓學(xué)生獲得成就感,發(fā)展攻堅克難的航天精神。
活動3:“太空中的家”
“太空中的家——夜空中最亮的星”攝影活動
信息檢索:專業(yè)網(wǎng)站查詢。天宮一號可見過境信息,通過中國科學(xué)院紫金山天文臺官方網(wǎng)站提前發(fā)布,可以網(wǎng)站查詢省會城市可見過境預(yù)告,包括開始、結(jié)束及最高點(diǎn)的時間、方位、仰角等觀測信息。手機(jī)App搜集。微信是當(dāng)下普及率非常高的通信App,可通過微信小程序天文通,及時查詢天宮一號可見過境信息,引導(dǎo)學(xué)生有意識地搜集、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
觀測與攝影:學(xué)生結(jié)合過境信息和實際天氣狀況,采用合適視角對天宮一號進(jìn)行觀測,記錄天宮一號在天空中移動的軌跡,指導(dǎo)學(xué)生多角度拍攝不同天氣狀況、不同時間的天宮一號過境影像,或拍攝當(dāng)?shù)氐貥?biāo)、自己與天宮一號的合影,用影像記錄“天空中最亮的那顆星”。
“太空中的家——空間站相關(guān)創(chuàng)意設(shè)計”
提出創(chuàng)意:“空間站中已經(jīng)有了完備的維生系統(tǒng),宇航員在其中工作生活非常安全,也較為舒適,但是太空環(huán)境和地球差異巨大,宇航員叔叔阿姨會遇到哪些不方便的小問題呢?”引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,提供解決問題的工程技術(shù)方案,提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、綜合運(yùn)用相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新性地解決問題的能力。
制作空間站防碰撞預(yù)警裝置。空間站中宇航員和所有物品處于失重狀態(tài),稍有不慎就可能發(fā)生意外碰撞。通過在衣服后背處上添加超聲波傳感器,搭配Arduino主板(擴(kuò)展板),自動檢測后背與其他人或物體的距離,當(dāng)超過閾值時報警提示用戶及時遠(yuǎn)離。
“日升日落”氛圍燈光設(shè)計??臻g站中沒有日升日落,而人體生物鐘與自然節(jié)律存在密切關(guān)聯(lián),長期處于全明或全暗的環(huán)境不利于身心健康。針對這種情況,通過開源硬件自主設(shè)計空間站燈光系統(tǒng),根據(jù)地球一晝夜光強(qiáng)變化特點(diǎn),自動改變并控制空間站內(nèi)照度。
在完成兩個基礎(chǔ)創(chuàng)意的基礎(chǔ)上,可以通過加一加等方法,進(jìn)行自主研發(fā),添加多種執(zhí)行器,完善功能,提升用戶體驗,并進(jìn)行外觀設(shè)計,將傳統(tǒng)文化、航天精神等反映在設(shè)計的作品上。
活動4:穩(wěn)穩(wěn)地降落——降落傘設(shè)計與制作”
材料準(zhǔn)備:多種不同布料,如棉布、麻布、尼龍布等,編織繩,安全剪刀,直尺,簽字筆等。資料準(zhǔn)備:降落傘結(jié)構(gòu)資料。
明確需求:為返回艙安全著陸設(shè)計降落傘,實現(xiàn)有效減速、平穩(wěn)落地的目的。
自主學(xué)習(xí):在教師引導(dǎo)下聚焦并搜集有關(guān)降落傘結(jié)構(gòu)、功能,以及傘面材質(zhì)、大小、形狀,傘繩多少、長度對降落傘下降影響的資料。
提出挑戰(zhàn)任務(wù):設(shè)計并制作一頂可攜帶200克左右重物且能夠平穩(wěn)下降的降落傘,要求下落的時間長且可以在2米左右高空安全釋放、打開并安全降落在指定的區(qū)域內(nèi)。
討論與探究:小組成員圍繞“平穩(wěn)”和“減速”討論設(shè)計降落傘的關(guān)鍵問題,如選材、傘面形狀、傘繩數(shù)量與長度等,在給出建議的同時說明依據(jù),培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)理論依據(jù)進(jìn)行分析和決策的能力。聚焦組內(nèi)有爭議的影響因素,設(shè)計對比實驗進(jìn)行探究并記錄結(jié)果,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計探究活動的能力和實踐能力。
設(shè)計與制作:根據(jù)討論和探究所達(dá)成的共識,自主選材并繪制設(shè)計草圖,進(jìn)行尺寸標(biāo)注。小組成員分工協(xié)作制作降落傘,關(guān)注傘繩和傘面的連接方式。
成果展示與改進(jìn):實物功能測評,以降落時長和降落位置評價降落傘功能。
六、成果總結(jié)與展示階段
模型制作:學(xué)生在整個科技實踐過程中要經(jīng)歷多個階段性成果展示比賽,教師要不斷地給學(xué)生建議和指導(dǎo),并對表現(xiàn)突出的學(xué)生進(jìn)行表彰和宣傳。
研究匯報:組織學(xué)生及時進(jìn)行總結(jié),撰寫活動報告。
科技論文:結(jié)合收集的資料和探究的具體問題,指導(dǎo)學(xué)生撰寫科技創(chuàng)新論文或科技實踐活動報告,擇優(yōu)推薦參加各級科技大賽。
在學(xué)校一年一度的科技節(jié)模型展中設(shè)立航空航天專區(qū)進(jìn)行模型實物展示,優(yōu)秀小組在相關(guān)主題科技報告中向?qū)W校師生進(jìn)行展示交流,并利用微博、微信等自媒體擴(kuò)大宣傳。
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