STEM项目《降落伞》案例分析

王远广 张桐斌

随着人类科技的发展，各种各样的飞行器和飞行方式实现了人类不同领域的飞行需求，如翼装飞行、跳伞、可回收火箭、各式各样的飞机等。可以预见，在未来人们的高空活动会越来越普及，这些活动都离不开一个至关重要的安全保障——降落伞。由此可见，一款成本低廉、应用范围广泛、安全性高以及足够便携的降落伞很可能成为未来生活的必需品。

项目目标

科学：了解降落伞的发展历史、降落伞的相关故事以及降落伞的有关信息。知道在下落过程中降落伞上的重物受到重力和空气阻力的作用。知道现代降落伞伞面的复杂性以及伞面孔洞的作用。知道影响降落伞下降快慢的因素并学会控制变量法的使用。

技术：各种工具的使用。

工程：根据需求选择不同的材料，绘制降落伞设计图。

数学：确定降落伞面直径大小、伞绳的长度、重物的质量以及伞面孔洞的大小。测量降落伞下降地点的高度。记录降落伞从开始下降到落地的时间。

材料准备

塑料薄膜、绳子、透明胶、剪刀、缝衣针、针筒、重物（灌满水的不同气球）、白布、白纸、气球等。

情境导入

由精彩絕伦的极限运动视频（翼装飞行、低空跳伞）和高空跳伞视频等引入本项目课题。通过视频启发学生对自己所了解的降落伞进行分类（如从外形、材料、用途等方面分类），给出各自的理由。讨论过后，全班一起学习降落伞应用分类及其发展史，激发学生对课程的兴趣，并在设计环节给他们提供多种思考方向。

学生根据视频以及自己对降落伞的理解进行实验，利用手头的材料来探究降落伞的工作原理以及影响降落速度的因素，并完成下列预设的实验方案。

师：请同学猜想，改变哪些因素会影响降落伞下降的快慢？

生：可能是伞面的大小、伞绳的长短、伞面的材料、重物的重量等。

师：好，假如探究伞面的大小对降落伞下降快慢的影响，我们应该控制哪些因素相同、哪些因素不同？

生：相同因素是伞面材料、伞面形状、伞绳长度以及重物的重量，不同因素是伞面大小。

师：这里用到的方法是不是很熟悉，谁能告诉我？

生：控制变量法。

师：非常好，在设计降落伞时要考虑我们所探究的问题，并确定相关数据，如伞面的大小、伞绳的长度、重物的重量等数据。

在学生自主探究的过程中会涉及各类形状的面积计算及应用，如三角形、圆形、方形等。通过三次预设实验，让学生尝试在探索过程中发现影响降落伞滞空时间的核心因素是空气阻力，进而探索影响空气阻力的因素。

项目实施

1.制定项目实施方案

按比例缩小一个成年人的体重，并据此计算出项目所需的其他数据，如伞面积、绳长等。

教师给学生展示降落伞的具体数据，如伞面的形状和大小、伞绳的长度等，让学生以自身体重为参考，按比例缩小所有数据得出项目所需所有数据。在此过程中，学生需要运用到比例尺、面积计算等知识，并且在计算的过程中需要参考和理解现实中真实合理的设计原理。

2.绘制设计图

根据形状不同绘制圆形、八边形、正方形、三角形等伞面，还可以绘制大小不一的伞面，同时标注出使用材料，如白纸、塑料膜和布料等。

学生以按比例缩小的降落伞数据为参考，用工程三视图的方式绘制出设计图，并在设计图上标注出数据、使用材料、拼接方式等。

学生在开始制作前，参考已知数据绘制出各自想象中的成品，工程三视图可以很好地帮助他们把想象中的作品呈现出来。从工程的角度来说，三视图能够直观地展现整个项目的可实施性和预估所需材料总量等。

3.实践制作

了解材料的特性，学习各类工具的使用以保证各个配件的精确度。

开始制作前，学生通过小组探究的形式，总结不同材料的特性以及针对不同材料应该使用的加工工艺，再以同样的形式总结出使用不同工具的注意事项。

根据对材料以及工具的讨论和探究结果，教师引导学生回到自己的设计方案，思考是否需要做调整或者在制作过程中应该注意哪些细节，然后学生开始制作。

4.作品展示

各小组阐述自己的设计理念以及运用的科学依据和计算方法，其他小组提出问题或改进建议。

为完整呈现设计过程，每组需要将自己的设计理念、数据的计算过程、学科的理论依据、工程三视图等内容整理到一起。学生结合作品用简洁明了的语言做介绍，重点突出项目设计的优势和可以进行实际运用的领域。

此过程需要完整展示产品设计的理念、过程及实际意义，考验学生的语言组织和表达能力和艺术性。同时，其他学生以审视的角度倾听，进行质疑或提出建议，提升整体的思考广度和深度。

5.作品完善

在设计制作过程中，学生可能会遇到诸多问题，如圆形伞面如何切割，如何将水灌入气球，工具不合适等，但在大家的共同努力下一一解决，还发现身边的许多材料都可以运用到降落伞的制作中。

测试

学生按照小组进行三轮测试：低空滞空测试（2米高度），高空滞空及稳定性测试（4米高度），折叠状态高空滞空及稳定性测试（4米高度），如上表。

各小组根据自己还有其他组的测试数据，对自己的项目设计进行总结和归纳。通过分析伞面形状和面积、伞绳长度等因素，结合所学知识，完善整个项目的改进方案。

降落伞的制作活动，学生通过探究影响降落伞下降速度的因素，了解并意识到人类通过对产品不断改进以适应不同的需求。学生提出实际的科学问题，综合运用已有知识解释分析问题，探索解决问题的各种方法，从而发展创新意识。学生在活动中体会科学的乐趣，加强相互间的沟通，训练了团队合作，共同完成课程活动。

教学反思

STEM项目活动中，学生会主动思考：这个问题的结果会是怎样的？可能有哪些情况发生？如果出现这样的情况又会是哪些因素的原因？这些问题使得学生思维能力和解决问题能力得到提高。学生需要灵活运用各学科知识，经历科学探究和工程设计的全过程，完成项目学习，提高自身的科学素养，达到事半功倍的效果。