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摘要:基于原有的航模運(yùn)動(dòng)提出環(huán)保新課題—利用陽(yáng)光、水、空氣為動(dòng)力的遙控模型飛機(jī)。學(xué)生在航模活動(dòng)中學(xué)習(xí)實(shí)踐了空氣動(dòng)力、電子、機(jī)械、無(wú)線電、材料、工藝、結(jié)構(gòu)、氣象、測(cè)量等不同學(xué)科的知識(shí)和技能,培養(yǎng)了綜合實(shí)踐、跨學(xué)科解決問(wèn)題及創(chuàng)造能力。將數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科綜合在一起靈活運(yùn)用,可讓學(xué)生在項(xiàng)目研究過(guò)程中真正體驗(yàn)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的樂(lè)趣。
關(guān)鍵詞:航模;創(chuàng)客教育;STEM教育
一、實(shí)踐活動(dòng)背景
教育部的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中明確指出,中學(xué)階段綜合實(shí)踐課程的具體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具有價(jià)值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問(wèn)題解決和創(chuàng)意物化等方面的意識(shí)和能力。而基于項(xiàng)目的素質(zhì)拓展課是學(xué)生在活動(dòng)參與、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、問(wèn)題解決中進(jìn)行的實(shí)踐活動(dòng)。綜合實(shí)踐活動(dòng)在增強(qiáng)人文素養(yǎng)、培育理性思維、養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣、提升個(gè)體覺(jué)悟、強(qiáng)化問(wèn)題解決能力等方面具有積極意義。2016年4月24日首個(gè)“中國(guó)航天日”上,提出:“要銘記歷史、傳承精神,激發(fā)全民尤其是青少年崇尚科學(xué)、探索未知、敢于創(chuàng)新的熱情,為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)凝聚強(qiáng)大力量?!痹趯W(xué)校開展“航空模型”素質(zhì)拓展課程基礎(chǔ)上,教師帶領(lǐng)八年級(jí)學(xué)生以“利用陽(yáng)光、水、空氣為動(dòng)力的遙控模型飛機(jī)”項(xiàng)目研究作為子課題進(jìn)行實(shí)踐探究?;顒?dòng)旨在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)探索、分析、創(chuàng)造等環(huán)節(jié)深入探尋適用于遙控模型飛機(jī)的新型能源,在主動(dòng)探索的沉浸式跨學(xué)科學(xué)習(xí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng),從而提升其適應(yīng)未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)力。
二、實(shí)踐活動(dòng)的目的及意義
航?;顒?dòng)是一項(xiàng)在全國(guó)范圍內(nèi)深受青少年喜歡的活動(dòng),航模的制作和試飛可以更好地培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致入微的觀察力、豐富的想象力;增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力,鍛煉分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。這項(xiàng)活動(dòng)不僅為學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用、個(gè)人才能的展示和發(fā)展提供了自由的空間,也為現(xiàn)代科技的普及與應(yīng)用創(chuàng)造了條件。本項(xiàng)目的航模運(yùn)動(dòng)探索可以使更多的學(xué)生從中受益,進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)學(xué)生動(dòng)手參與、制作應(yīng)用的科技熱情。通過(guò)常規(guī)活動(dòng)和比賽的鍛煉,學(xué)生找到能充分發(fā)揮潛能、磨煉意志、培養(yǎng)能力的嶄新天地,樹立熱愛(ài)科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的遠(yuǎn)大理想和目標(biāo),立志成為社會(huì)的有用人才。
三、實(shí)踐活動(dòng)的具體實(shí)施
1.用品準(zhǔn)備
(1)KFm翼型KFm是Kleine-Fogleman翼型的縮寫。該翼型由理查•克萊恩和弗洛伊德•福格勒門共同設(shè)計(jì),是近幾年在世界范圍內(nèi)廣泛使用的一種突破原有空氣動(dòng)力學(xué)理論的翼型,如圖1所示。KFm翼型是在弦長(zhǎng)50%的位置上設(shè)置一個(gè)臺(tái)階,氣流經(jīng)過(guò)臺(tái)階后,會(huì)形成一個(gè)渦流。渦流與整個(gè)翼型組成了一個(gè)原有平凸克拉比翼型的形狀,減小了阻力。此外,整個(gè)翼型從前緣到后緣都能提供升力,所以KFm翼型的升阻比非常大。目前,KFm翼型共有12個(gè)類型,分別是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適用范圍,如圖2所示的KFm-2翼型,是一種升力大、不易失速、適用面較為廣泛的翼型。如圖3所示的KFm-6是一種適合低速飛行的練習(xí)機(jī),它易于制作,不易失速。本次活動(dòng)的模型飛機(jī)采用的是圖4的KFm-3翼型。這種翼型有兩個(gè)臺(tái)階,分別在整個(gè)弦長(zhǎng)的50%和75%處。它提供的升力非常大,飛行性能優(yōu)異,適用于滑翔機(jī)或者高荷載的模型飛機(jī),缺點(diǎn)是制作比較復(fù)雜。KFm翼型適用于各種速度的模型飛機(jī),更能兼顧高荷載和高速度。用KFm翼型制作的飛翼,在做“降落傘”動(dòng)作的時(shí)候,能僅靠副翼就平穩(wěn)控制飛翼。原有翼型每個(gè)部分都有阻力,但是KFm翼型只有在臺(tái)階的部分有阻力;并且臺(tái)階后部的渦流能夠提高升力,這就使得KFm翼型有非常大的升阻比。目前,Russ40遙控特技飛機(jī)使用的就是KFm-3翼型。因?yàn)镵Fm翼型的諸多優(yōu)點(diǎn),未來(lái)有可能將此翼型運(yùn)用在軍用無(wú)人機(jī)上,不僅能夠保持平穩(wěn)飛行,還能夠搭載更多的武器或者偵察裝置。為了驗(yàn)證新型KFm翼型的升力以及荷載能力要優(yōu)于原有的平凸克拉比翼型,研究做了如下測(cè)試。設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),巧妙地借助了八年級(jí)物理課中用到的機(jī)翼升力演示器,如圖5所示。這個(gè)儀器可以在出風(fēng)口提供穩(wěn)定的氣流,并能在一定幅度內(nèi)改變風(fēng)力的大小。當(dāng)風(fēng)力足夠大的時(shí)候,可使機(jī)翼模型升起一定的高度。同時(shí)用KT板制作了兩種翼型的模型,并且使兩種翼型的升力面積、自身重量、體積、俯仰角度、風(fēng)力大小等其他因素相同。兩個(gè)翼型的弦長(zhǎng)都是140mm,質(zhì)量均為4.71g。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知,新的KFm翼型的升力要大于原有平凸克拉比翼型,所以能夠有較大的荷載量(如圖6、圖7所示)。(2)水火箭目前沒(méi)有能夠匹配使用的高度計(jì),無(wú)法具體測(cè)得模型飛機(jī)的升空高度。對(duì)于這種情況,近似地使用水火箭測(cè)試飛行的最佳參數(shù)。影響水火箭飛行距離的主要因素為發(fā)射氣壓、瓶?jī)?nèi)液體占瓶體積的比例以及發(fā)射角度。此外還有其他一些因素,如實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的風(fēng)力、風(fēng)向因素以及水火箭的外觀等。通過(guò)研究其他文獻(xiàn),最終確定使用兩個(gè)小可樂(lè)瓶連接起來(lái)作為水火箭的動(dòng)力艙,發(fā)射氣壓為4個(gè)大氣壓,瓶?jī)?nèi)液體為清水,瓶?jī)?nèi)水的體積約占瓶體的1/3,發(fā)射角度為50度。(3)發(fā)射裝置發(fā)射裝置為以前留存下來(lái)的儀器,經(jīng)過(guò)改裝可適用于新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最初是用手來(lái)控制發(fā)射開關(guān)的,這樣就帶來(lái)了問(wèn)題:不僅操作手和發(fā)射手之間存在協(xié)調(diào)與同步的問(wèn)題,還會(huì)弄得發(fā)射手衣服濕透。經(jīng)過(guò)請(qǐng)教指導(dǎo)教師,學(xué)生將自行車線閘運(yùn)用于此處對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)。學(xué)生用塑料繩將線閘的一端與開關(guān)相連接,另一端連接在腳踏板上。這樣就可以讓操作手一個(gè)人獨(dú)立完成,并且能夠讓自己遠(yuǎn)離水火箭的噴嘴部分(如圖8所示)。(4)超級(jí)電容、太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)中,供電裝置使用的是10F的超級(jí)電容,能夠?yàn)槟P惋w機(jī)上的接收機(jī)、舵機(jī)正常工作提供1分鐘的電能。這個(gè)10F的電容是安裝在飛機(jī)上的。為電容充電的是太陽(yáng)能電池板(如圖9所示)。這塊電池板的標(biāo)稱數(shù)據(jù)為輸出電壓5V、輸出電流160mA。通過(guò)電容的計(jì)算公式Q=UC和電流的定義式I=Q/t,能夠求得在光照條件充足的情況下,充電時(shí)間大約為5分鐘。
2.模型的制作
(1)切割設(shè)計(jì)完成后,最先制作的是機(jī)翼,整個(gè)機(jī)翼呈弧形后略飛翼式,翼型結(jié)構(gòu)是KFm-3型。由三層階梯形的KT板組成。制作前,分別用鉛筆將圖形準(zhǔn)確地畫在KT板上,再用小刀精準(zhǔn)切割,這樣就做好了三層不同形狀的樣板。此外,翼端的小翼樣板也是用KT板制成的,如圖10所示。(2)粘和使用泡沫塑料快干膠將切割好的四大部件按照?qǐng)D紙粘合成KFm-3型的機(jī)翼。為了防止反沖上升時(shí)由于升力過(guò)大導(dǎo)致機(jī)翼折斷,還應(yīng)用碳素纖維材料加固。經(jīng)過(guò)24小時(shí)干燥后,再用砂紙打磨、熨斗加熱,將機(jī)翼前緣加工成平凸翼型的前緣形狀。(3)反沖動(dòng)力艙反沖動(dòng)力艙用一個(gè)600mL的可樂(lè)瓶制作。以瓶底為飛行方向的前端,用EPP塑料做一個(gè)整流罩固定在前方,飛行時(shí)可減少空氣阻力,降落時(shí)還可起到緩沖作用。瓶口處用一個(gè)特制的塑料噴嘴旋緊。目前的兩個(gè)可樂(lè)瓶連體裝置是天津師范大學(xué)航模組幫助我校制作的。如此一來(lái),空氣和水的容量都增加了一倍,反沖動(dòng)力也會(huì)相應(yīng)大增。反沖動(dòng)力艙需要牢固地裝在機(jī)翼中軸線下方,安裝時(shí)要與機(jī)腹部呈3~6度的下推角,道理與動(dòng)力模型飛機(jī)的下拉線相同。(4)遙控設(shè)備這架模型飛機(jī)只操縱飛翼上的副翼,用兩通道控制遙控器,控制飛行時(shí)的左右和升降就可以了。(5)電源本設(shè)計(jì)制作的是一架依靠反沖動(dòng)力的滑翔機(jī),與S8D一樣,只要有供給接收機(jī)和兩個(gè)舵機(jī)的足夠工作電能就可以了,因此采用的是5V,160mA的太陽(yáng)能電池和10F的超級(jí)電容。
3.調(diào)整試飛
當(dāng)模型制作和設(shè)備安裝完成后,首先進(jìn)行的是手?jǐn)S滑翔試飛。站在操場(chǎng)11m高的看臺(tái)頂端,一名學(xué)生水平方向投出飛機(jī),另一人操縱飛機(jī)。每一輪飛行后都要調(diào)整,如重心、橫側(cè)安定和舵量等。手?jǐn)S滑翔調(diào)整滿意后,到操場(chǎng)中央進(jìn)行反沖動(dòng)力試飛。操縱員站在幾米外,踩動(dòng)踏板,飛機(jī)尾部急速噴出水柱和白霧,在反沖動(dòng)力作用下,飛機(jī)上天。飛機(jī)快要停止加速上升時(shí),由豎直上升改為平飛。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,從最初向瓶?jī)?nèi)加入100mL清水和2個(gè)大氣壓開始,慢慢增加到最后的400mL清水和4個(gè)大氣壓。在整個(gè)操縱過(guò)程中,掌握控制好發(fā)射、急速上升、改初滑翔的三個(gè)步驟是關(guān)鍵。發(fā)射瞬間初速度很大,飛機(jī)非常容易被拉翻,因此,如何操縱推桿讓飛機(jī)直線上升并爭(zhēng)取到最大的高度需要多次反復(fù)實(shí)踐才能實(shí)現(xiàn)。
4.試飛數(shù)據(jù)結(jié)論
經(jīng)過(guò)多次試飛,可獲得與前人做水火箭實(shí)驗(yàn)相近的數(shù)據(jù):發(fā)射角度50度、水占瓶體積的比例為1/3、瓶?jī)?nèi)為4個(gè)大氣壓。這樣的設(shè)置,能使得飛機(jī)的留空時(shí)間最長(zhǎng),約為10秒。四、結(jié)語(yǔ)“利用陽(yáng)光、水、空氣為動(dòng)力的遙控模型飛機(jī)”項(xiàng)目獲得第三十一屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽集體項(xiàng)目二等獎(jiǎng);項(xiàng)目成果被多家媒體報(bào)道;項(xiàng)目組成員于靖桐、張子涵、李欣受邀參加天津市南開區(qū)第三十一屆科技周并進(jìn)行展示。本教學(xué)設(shè)計(jì)以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向,融合物理、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、美術(shù)等多學(xué)科知識(shí),激發(fā)了學(xué)生自主探究、大膽創(chuàng)新的潛能,讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在地體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、基于問(wèn)題尋求解決策略、實(shí)踐創(chuàng)造應(yīng)用的過(guò)程,體會(huì)到想象與現(xiàn)實(shí)的差距,品味到成功與失敗的滋味,更認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意義,對(duì)于提升學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要作用。
作者:許鵬 李登舉 李保均 單位:天津市天津中學(xué)