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。

參考文獻(xiàn)

[1]李江，覃敏杰，周素梅.三助推捆綁水火箭制作與創(chuàng)新[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（22）：39-41.

[2]劉徽，楊佳欣，徐玲玲，等.什么樣的失敗才是成功之母？：有效失敗視角下的STEM教學(xué)設(shè)計研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2020（6）：43-69.

[3]祝聲彥.基于通用技術(shù)項目教學(xué)的水火箭項目開發(fā)與實施[J].中國教育技術(shù)裝備，2020（12）：38-40