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摘要：基于原有的航模運動提出環保新課題—利用陽光、水、空氣為動力的遙控模型飛機。學生在航模活動中學習實踐了空氣動力、電子、機械、無線電、材料、工藝、結構、氣象、測量等不同學科的知識和技能，培養了綜合實踐、跨學科解決問題及創造能力。將數學、物理、化學等多個學科綜合在一起靈活運用，可讓學生在項目研究過程中真正體驗學習科學知識的樂趣。

關鍵詞：航模；創客教育；STEM教育

一、實踐活動背景

教育部的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》中明確指出，中學階段綜合實踐課程的具體目標是培養學生具有價值體認、責任擔當、問題解決和創意物化等方面的意識和能力。而基于項目的素質拓展課是學生在活動參與、項目設計、問題解決中進行的實踐活動。綜合實踐活動在增強人文素養、培育理性思維、養成主動學習習慣、提升個體覺悟、強化問題解決能力等方面具有積極意義。2016年4月24日首個“中國航天日”上，提出：“要銘記歷史、傳承精神，激發全民尤其是青少年崇尚科學、探索未知、敢于創新的熱情，為實現中華民族偉大復興的中國夢凝聚強大力量。”在學校開展“航空模型”素質拓展課程基礎上，教師帶領八年級學生以“利用陽光、水、空氣為動力的遙控模型飛機”項目研究作為子課題進行實踐探究。活動旨在引導學生通過探索、分析、創造等環節深入探尋適用于遙控模型飛機的新型能源，在主動探索的沉浸式跨學科學習的過程中培養學生發展核心素養，從而提升其適應未來的競爭力。

二、實踐活動的目的及意義

航模活動是一項在全國范圍內深受青少年喜歡的活動，航模的制作和試飛可以更好地培養學生細致入微的觀察力、豐富的想象力；增強學生的動手操作能力，鍛煉分析問題和解決問題的能力。這項活動不僅為學生的知識應用、個人才能的展示和發展提供了自由的空間，也為現代科技的普及與應用創造了條件。本項目的航模運動探索可以使更多的學生從中受益，進一步發揚學生動手參與、制作應用的科技熱情。通過常規活動和比賽的鍛煉，學生找到能充分發揮潛能、磨煉意志、培養能力的嶄新天地，樹立熱愛科學、獻身科學的遠大理想和目標，立志成為社會的有用人才。

三、實踐活動的具體實施

1.用品準備

(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•福格勒門共同設計，是近幾年在世界范圍內廣泛使用的一種突破原有空氣動力學理論的翼型，如圖1所示。KFm翼型是在弦長50%的位置上設置一個臺階，氣流經過臺階后，會形成一個渦流。渦流與整個翼型組成了一個原有平凸克拉比翼型的形狀，減小了阻力。此外，整個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機，它易于制作，不易失速。本次活動的模型飛機采用的是圖4的KFm-3翼型。這種翼型有兩個臺階，分別在整個弦長的50%和75%處。它提供的升力非常大，飛行性能優異，適用于滑翔機或者高荷載的模型飛機，缺點是制作比較復雜。KFm翼型適用于各種速度的模型飛機，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”動作的時候，能僅靠副翼就平穩控制飛翼。原有翼型每個部分都有阻力，但是KFm翼型只有在臺階的部分有阻力；并且臺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遙控特技飛機使用的就是KFm-3翼型。因為KFm翼型的諸多優點，未來有可能將此翼型運用在軍用無人機上，不僅能夠保持平穩飛行，還能夠搭載更多的武器或者偵察裝置。為了驗證新型KFm翼型的升力以及荷載能力要優于原有的平凸克拉比翼型，研究做了如下測試。設計了一個風洞實驗，巧妙地借助了八年級物理課中用到的機翼升力演示器，如圖5所示。這個儀器可以在出風口提供穩定的氣流，并能在一定幅度內改變風力的大小。當風力足夠大的時候，可使機翼模型升起一定的高度。同時用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、風力大小等其他因素相同。兩個翼型的弦長都是140mm，質量均為4.71g。經過實驗得知，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)水火箭目前沒有能夠匹配使用的高度計，無法具體測得模型飛機的升空高度。對于這種情況，近似地使用水火箭測試飛行的最佳參數。影響水火箭飛行距離的主要因素為發射氣壓、瓶內液體占瓶體積的比例以及發射角度。此外還有其他一些因素，如實驗當天的風力、風向因素以及水火箭的外觀等。通過研究其他文獻，最終確定使用兩個小可樂瓶連接起來作為水火箭的動力艙，發射氣壓為4個大氣壓，瓶內液體為清水，瓶內水的體積約占瓶體的1/3，發射角度為50度。(3)發射裝置發射裝置為以前留存下來的儀器，經過改裝可適用于新實驗。實驗設計最初是用手來控制發射開關的，這樣就帶來了問題：不僅操作手和發射手之間存在協調與同步的問題，還會弄得發射手衣服濕透。經過請教指導教師，學生將自行車線閘運用于此處對裝置進行改進。學生用塑料繩將線閘的一端與開關相連接，另一端連接在腳踏板上。這樣就可以讓操作手一個人獨立完成，并且能夠讓自己遠離水火箭的噴嘴部分(如圖8所示)。(4)超級電容、太陽能電池板設計中，供電裝置使用的是10F的超級電容，能夠為模型飛機上的接收機、舵機正常工作提供1分鐘的電能。這個10F的電容是安裝在飛機上的。為電容充電的是太陽能電池板(如圖9所示)。這塊電池板的標稱數據為輸出電壓5V、輸出電流160mA。通過電容的計算公式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，充電時間大約為5分鐘。

2.模型的制作

(1)切割設計完成后，最先制作的是機翼，整個機翼呈弧形后略飛翼式，翼型結構是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確地畫在KT板上，再用小刀精準切割，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圖紙粘合成KFm-3型的機翼。為了防止反沖上升時由于升力過大導致機翼折斷，還應用碳素纖維材料加固。經過24小時干燥后，再用砂紙打磨、熨斗加熱，將機翼前緣加工成平凸翼型的前緣形狀。(3)反沖動力艙反沖動力艙用一個600mL的可樂瓶制作。以瓶底為飛行方向的前端，用EPP塑料做一個整流罩固定在前方，飛行時可減少空氣阻力，降落時還可起到緩沖作用。瓶口處用一個特制的塑料噴嘴旋緊。目前的兩個可樂瓶連體裝置是天津師范大學航模組幫助我校制作的。如此一來，空氣和水的容量都增加了一倍，反沖動力也會相應大增。反沖動力艙需要牢固地裝在機翼中軸線下方，安裝時要與機腹部呈3～6度的下推角，道理與動力模型飛機的下拉線相同。(4)遙控設備這架模型飛機只操縱飛翼上的副翼，用兩通道控制遙控器，控制飛行時的左右和升降就可以了。(5)電源本設計制作的是一架依靠反沖動力的滑翔機，與S8D一樣，只要有供給接收機和兩個舵機的足夠工作電能就可以了，因此采用的是5V，160mA的太陽能電池和10F的超級電容。

3.調整試飛

當模型制作和設備安裝完成后，首先進行的是手擲滑翔試飛。站在操場11m高的看臺頂端，一名學生水平方向投出飛機，另一人操縱飛機。每一輪飛行后都要調整，如重心、橫側安定和舵量等。手擲滑翔調整滿意后，到操場中央進行反沖動力試飛。操縱員站在幾米外，踩動踏板，飛機尾部急速噴出水柱和白霧，在反沖動力作用下，飛機上天。飛機快要停止加速上升時，由豎直上升改為平飛。實驗過程中，從最初向瓶內加入100mL清水和2個大氣壓開始，慢慢增加到最后的400mL清水和4個大氣壓。在整個操縱過程中，掌握控制好發射、急速上升、改初滑翔的三個步驟是關鍵。發射瞬間初速度很大，飛機非常容易被拉翻，因此，如何操縱推桿讓飛機直線上升并爭取到最大的高度需要多次反復實踐才能實現。

4.試飛數據結論

經過多次試飛，可獲得與前人做水火箭實驗相近的數據：發射角度50度、水占瓶體積的比例為1/3、瓶內為4個大氣壓。這樣的設置，能使得飛機的留空時間最長，約為10秒。四、結語“利用陽光、水、空氣為動力的遙控模型飛機”項目獲得第三十一屆全國青少年科技創新大賽集體項目二等獎；項目成果被多家媒體報道；項目組成員于靖桐、張子涵、李欣受邀參加天津市南開區第三十一屆科技周并進行展示。本教學設計以項目式學習、問題解決為導向，融合物理、技術、工程、數學、美術等多學科知識，激發了學生自主探究、大膽創新的潛能，讓學生實實在在地體驗發現問題、基于問題尋求解決策略、實踐創造應用的過程，體會到想象與現實的差距，品味到成功與失敗的滋味，更認識到團隊協作的意義，對于提升學生的核心素養具有重要作用。

作者:許鵬 李登舉 李保均 單位:天津市天津中學