动力飞行——基于小学科学的STEM+课程

动力飞行
——基于小学科学的STEM+课程
苏教版《科学》要求低年段学生观察并描述空气的特征，中年段学生认识空气的基本性质，学生在科学课堂上对于空气的了解不断加深，因此本文建构“动力飞行”STEM+课程，拓展空气动力学的相关知识，以科学知识、技术技能为基础，以数学知识、工程设计为方法，带领学生认知世界、探索规律、解决问题。

STEM教育是美国在20世纪末提出的教育理念，并于21世纪不断在发达国家中进行推广和发展，我国从21世纪初期开始进入STEM教育的研究行列，随之引来了大量专家学者的关注，关于STEM教育的研究论文发表数量逐年增加，因此也迎来了STEM教育的迅速发展期。

STEM是指科学、技术、工程和数学的总称，而“+”则代表了文学、艺术等其他多种学科的融合和交叉，因此STEM+课程是一种综合性的、实践性的、探究性的、融合性的课程，它倡导学生进行跨学科和项目式的学习，培养学生发现问题、解决问题、逻辑性思考的能力。

S（Science）代表科学，在STEM+中是重要的一环，因此我们就不难发现科学课程与STEM+课程的关系，它们之间是紧密联系的。

而且2022年颁布的《义务教育科学课程标准》中也指出科学课程是一门综合性的基础课程，目的是为提高全民科学素质、经济发展和科技强国打下良好的基础。

同时，课程理念倡导在教学过程当中创设有趣的、良好的学习情境，倡导科学探究与技术工程实践有机结合，让学生主动学习、积极体验和感受。

因此，在开发STEM+课程时可以以科学课程为基础，将科学课程的内容进行系统的总结和拓展，从而形成跨学科或者项目式的学习任务，凸显出学生的“学”，创设生活情境，强调探究和实践，注重过程性评价和总结，给予学生合适的反馈。

“动力飞行”是在苏教版《科学》对于空气相关科学知识的学习基础之上设计并建构的STEM+课程，课程在调查研究阶段融合数学和工程的方法，从而帮助学生完成基本的实验探究和设计制作。

同时，在设计方面通过对飞机外观的评比，注重学生艺术审美的培养。

在任务评价和最终的评比中，通过量表更加细化地去评定，完成对学生过程性的评价和完成性评价。

最后，通过拓展内容，帮助学生进一步加深理解和学习，拓宽学生的视野，加强学生对新技术、新科技的向往和探索。

最终，整个课程倡导理论和实践紧密联系，积极引导学生学会自主探究、自主学习和小组合作学习。

1 课程目标
（1）科学
①知道空气流速快会导致压力下降。

②发现强有力的气流与物体运动间的关系。

（2）技术：学会选择合适的工具和材料，设计并制作飞行器。

（3）工程：通过不断地改进优化飞行器。

（4）数学：通过测量、记录、分析飞行数据。

（5）艺术：设计并美化飞行器的外观。

2 课程重点
本课程旨在引导学生解决如何让飞行器利用空气产生动力从而能够飞行的问题，首先学生要知道空气动力的原理，找到飞行的方法，然后再设计能够飞行的装置，在设计过程中要反复测试飞行的高度、飞行的时间、飞行的距离，最终确定设计方案。

在整个过程中，运用科学、技术、工程、数学和艺术等知识来解决这一问题。

【涉及领域】科学、技术、工程、数学、艺术
【建议年级】小学中高年级
【建议课时】8课时
【准备材料】《飞行传奇》《飞行员之眼》等航空类纪录片、《飞机全书——一部明晰可见的历史》等航空类书籍和资料、气球、打气筒、细绳、吸管、轻的卡纸、铅笔、剪刀、吹风机、胶带、小木棒、硬纸板、KT板、电机套装、热熔胶枪等。

3 课程步骤
3.1 问题聚焦（1课时）
（1）了解飞行器的历史
课前收集人类飞行的资料，课堂上一起阅读、分享人类动力飞行的实践过程。

从古至今人类多少次梦想着自由翱翔，因此有了许多飞天故事，中国有嫦娥奔月、敦煌飞天、万户飞天等传说故事，也有许多民间发明成为后来飞行器的模型，例如：孔明灯、风筝、竹蜻蜓等。

热气球、飞艇是人类首次实现飞上天空梦想的工具，由于它们的局限性后来逐渐被取代。

滑翔机是一种没有动力装置的飞行器，历史的先行者奥托·李林达尔的滑翔机为后人奠定了飞行基础。

在20世纪初，莱特兄弟完成了人类历史上最伟大的飞行，他们解开了动力飞行的秘密，随后航空业蓬勃
■ 沈玲彤
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发展，单翼机、双翼机以及军用飞机都应运而生。

飞机发展的几个重要阶段有：滑翔机、螺旋桨飞机、喷气式飞机、直升机和民航机，冯如是中国历史上自制动力飞机且试飞成功的第一人。

【设计意图】在了解人类动力飞行的实践探索过程中，让学生感受人类发明创造的艰辛过程，学习不畏艰险努力拼搏的科研精神，同时引导学生学会收集资料，自主阅读，热爱分享。

（2）聚焦主题
飞机的结构包括机翼、机身、尾翼和起落架，飞机飞上天空的秘密是什么呢？其实空气给飞机提供了动力，回顾之前学习的空气的特点，思考并聚焦提出的问题，即如何利用空气动力进行飞行。

【设计意图】以问题的形式聚焦活动主题，提出科学问题是科学探究能力的体现，学生在问题中明确探究对象，并针对问题进行合理猜想和假设，为随后的课程活动方案奠定基础。

3.2 调查与研究（3课时）
（1）奇怪的气球（探究空气流速与压力间的关系）
学生分组准备好两只气球、细线、打气筒和吸管，教师指导学生将两只气球用打气筒充气到一样大小，并系好口；用线将气球挂好，使它们相隔一小段距离，进行空气流速与压力探究实验（表1）。

【设计意图】通过简单而又有趣的气球实验，让学生直观地感受空气流速与压力的关系，为后面机翼结构和飞行原理的学习做铺垫。

（2）飞机的机翼（探究升力的产生）
学生分组准备好轻的卡纸、胶带、细线、打气筒、铅笔、吸管、吹风机和剪刀。

教师展示机翼图片并指导学生制作机翼原理模型，将轻的卡纸折成不同的两半，其中一
表1 空气流速与压力探究实验
探究过程具体内容
提出问题如果你向两只挂起的气球中间吹气，结果是什么呢？
学生讨论有同学认为两只气球会被吹开。

实验探究用吸管向气球中间吹气，它们并未被吹开，而是吸到了一起。

实验结论气球之间的空气由于流动，导致压力下降，而旁边较高压力的静止空气将气球推到了一起。

表2 升力的产生探究实验
探究过程具体内容
提出问题用吹风机吹弯曲的机翼上部空气，机翼将会如何运动？
学生讨论机翼的运动轨迹。

实验探究发现机翼沿着细线上升。

实验结论弯曲的弧面使机翼上方的空气向旁边运动，当机翼上方的空气运动时压力下降。

机翼下方的静止空气压力较高，因而抬起了机翼，这种形状的固定翼为飞机提供了升力。

表3 尾翼的稳定功能探究实验
探究过程具体内容
提出问题调整折叶，飞机将如何运动？
学生讨论飞机的运动轨迹。

实验探究折一个折叶飞机会转向，向下折小折叶飞机会下潜，向上折小折叶飞机会上升。

实验结论纸尾部的折叶控制着它的飞行，真正的飞机尾部的尾翼也是一样，它们控制着飞机的转向、上升或者下潜。

表4 喷气式发动机探究实验
探究过程具体内容
提出问题放开气球，它将如何运动？
学生讨论气球的运动轨迹。

实验探究一股气流从气球颈口部喷出来，把气球向前推。

实验结论飞机里的喷气式发动机能产生强有力的气流，从而使飞机发动起来，这就是喷气式发动机。

表5 橡皮筋发动机探究实验
探究过程具体内容
提出问题用手反向旋转螺旋桨，待橡皮筋承受的力最大时，放开螺旋桨飞机将如何运动？
学生讨论飞机运动轨迹。

实验探究螺旋桨快速正向旋转，飞机向前快速飞出。

实验结论在橡皮筋快速恢复原来形状的时候弹力带动螺旋桨转动，从而借助空气产生推力。

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半稍比另一半大些；然后把纸的边缘粘在一起，使得纸的上部呈弯曲的弧形；用铅笔在纸的上下面各扎一个小孔；剪一小段吸管，把吸管穿过小孔用胶带固定住；将细线穿过吸管；将细线系在某个固定物体上，使机翼能上下移动，进行升力的产生探究实验（表2）。

【设计意图】在空气流速与压力关系探究学习的基础上探究机翼结构，可以更好地理解机翼产生升力的原理，同时通过实验，直观地感受到升力的方向和机翼运动的轨迹。

（3）飞机的尾翼（探究尾翼的稳定功能）
学生分组准备好轻的卡纸。

教师指导学生折一个纸飞机，在飞机的尾部折出小折叶，进行尾翼的稳定功能探究实验（表3）。

【设计意图】通过调整折叶试飞并观察纸飞机的运动轨迹，直观地感受到折叶对飞机飞行方向的控制，从而了解飞机尾翼在实际飞行过程中的功能和作用。

（4）喷气气球（探究喷气式发动机）
学生分组准备好细线、胶带、气球、吸管和打气筒，把细线穿过吸管，把穿过吸管的细线横着拉开并固定，把两条胶带粘在吸管上，用打气筒把气球吹起来，把气球粘在胶带上，进行喷气式发动机探究实验（表4）。

【设计意图】用简易的气球装置模拟喷气式发动机的工作原理，帮助学生了解喷气式发动机，为后期制作动力飞行器做好理论准备。

（5）橡皮筋马达（探究橡皮筋动力原理）
学生分组准备好橡皮筋、螺旋桨、硬纸板、小木棒，在硬纸板上用剪刀剪出飞机的机翼和尾翼，并用胶带和橡皮筋将机翼和尾翼固定在小木棒上，用橡皮筋在木棒顶端连接螺旋桨，进行橡皮筋动力原理探究实验（表5）。

【设计意图】通过探究橡皮筋动力模型了解橡皮筋产生动力的原理，在实践操作中增加学生的学习兴趣，同时也为后期动力飞行器的设计与制作做好理论准备。

3.3 设计与制作（2课时）
【明确任务】请同学们结合前面学习的空气动力的知识，使用小木棒、螺旋桨、橡皮筋、电机套装、硬纸板、KT 板、热熔胶枪等材料制作创意动力飞机。

教师呈现评价量规（表6），学生对照表格的要求分组完成设计与制作。

表6 飞机制作任务评价量规
项目10分20分30分
设计图没有设计图设计图不清楚设计合理清晰
飞机制作制作差，缺乏
基本结构
有基本结构，
制作较好
有基本结构，
制作精美
飞行高度低较高高
飞行距离近(小于5米)较远(5～10米)远(大于10米)分工合作没有分工合作有分工合作分工合理
总结汇报总结不完整、
汇报不清楚
总结完整、汇
报清楚完整
汇报流畅、清
晰有创意
【设计意图】学生结合前期的知识和实践基础自主设
计和制作飞行器，激发学生的创造力、主动探究和操作能
力，通过设定任务评价量规方便对学生进行过程性评价，
同时注重引导学生进行小组合作学习。

3.4 展示与评价（1课时）
对飞机的飞行参数进行记录并使用评价标准对本组作
品和其他组作品进行评价（表7）。

表7 飞机参数记录表
组别
飞行距离
(米)
滞空时间
(秒)
起飞高度
(米)
飞机重量
(克)
第一组
第二组
第三组
……
【设计意图】通过飞行参数记录表对小组作品评价，
使评价更具体、更科学和完整，激发学生完成任务的自主
性和积极性。

3.5 拓展与应用（1课时）
（1）生活中各种各样的飞行器
飞行器有航空器和航天器等，航空器在大气层内飞
行，航天器在太空飞行。

航天器包括人造地球卫星、空间
探测器、载人飞船、空间站等。

航空器大体分为轻于空气
的轻航空器和重于空气的重航空器，轻航空器主要包括热
气球和飞艇，重航空器分为固定翼机、直升机和滑翔机。

【设计意图】通过了解生活中各种各样的飞行器，拓
展学生的知识面，激发学生积极探索的兴趣，帮助学生了
解更多飞行器的种类，了解更多领域飞行器以及它们各自
的功能。

（2）无人机
百年前用无线电操纵的小型飞机是无人机最初的概念
源头，在战争中许多国家把无人机做成训练使用的靶机，
美国人最先将无人机投入战场，随后西方各国争相研发无
人机从而在战争中发挥其重要作用，它们无论是从航时、
作战距离、通信方面都有重大的突破。

现在，无人机的应用
逐渐从军事领域向民用领域发展，如无人机物流配送、远程
监控等等，未来无人机的功能和应用领域也将更加多样化。

【设计意图】通过了解无人机的发展，使学生能够更
加紧密联系生活，引导学生关注身边的科技发展动态。

（3）3D打印·飞行器
使用3DOne进行简单形体的建模，使用长、宽、高等
参数对几何学重点基本体进行计算，以形成飞机基本结构
形状，通过3D打印技术进一步丰富飞行器的外观，然后将
建模文件上传并打印。

【设计意图】通过3D打印技术制作飞行器更加便捷，
同时能加强学生的综合素质，提升学生的信息素养，也能
开阔学生的跨学科视野，提高学生的跨学科学习能力。

（作者单位：南京外国语学校方山分校）
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