指向科学核心素养的航空航天科技实践活动设计

马云

〔摘    要〕  为提升学生科学素养，弘扬航天精神，本方案以“仰望星空，逐梦航天”为主题，围绕载人航天“火箭发射”“空间站运行”“返回舱降落”三个阶段，设计了“飞得更高——水火箭设计与发射”“太空中的家——空间站相关创意设计”“稳稳地降落——降落伞设计与制作”三个科技实践项目，让学生以自主学习、实验探究、工程设计与物化的方式去构思、设计、探究、制作、迭代，体验工程设计师的工作流程，讓学生了解航天知识，培养学生科学思维，提高学生科学探究能力、技术与工程能力，发展创新能力，感受不畏险阻、勇攀高峰的航天精神。

〔关键词〕  小学科学；科学素养；航空航天；科技实践

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  01    043-045

一、活动背景

自20世纪70年代起，我国航空航天事业迅猛发展，尤其是近20年来，“神舟”“天宫”“嫦娥”“天问”“羲和”等航天器承载着我国人民自古以来对星空的向往，凝聚着当代科技工作者的智慧和汗水，在万众瞩目中成功发射，将国人探索宇宙的脚步延展到月球、火星。神舟逐梦、嫦娥探月、祝融探火、天问问天这些举世瞩目的成就，使载人航天成为我国耀眼的名片，令世界仰望。

二、活动概述

本活动方案参照2022年版小学科学课程标准，以发展学生科学核心素养为核心，以“仰望星辰，逐梦航天”为主题，围绕载人航天“火箭发射”“空间站运行”“返回舱降落”三个阶段，设计了一系列科技实践活动。

准备阶段，以科技讲座、观影等形式普及航天相关知识并激发学生兴趣和责任感。实施阶段，通过“飞得更高”“设计太空中的家”“稳稳地降落”三个以学生为主体的主题活动，具体包括单体水火箭、多级助推水火箭设计与制作、基于Arduino开源硬件创意设计、降落伞的设计与制作等实践项目，让学生以自主学习、实验探究、工程设计与物化的方式，去构思、设计、探究、制作和迭代，体验工程设计师的工作流程。

学生在实验探究中提高设计并实践探究方案的能力，在设计与制作中发展工程设计能力和物化能力，在目标完成中发展创新能力，感受不畏险阻、勇攀高峰的航天精神，全面提升科学素养。

三、活动目标

科学观念：掌握水火箭发射和降落伞减速的相关科学原理，了解水火箭和降落伞的基本结构和制作方法；了解航空航天基础知识和近现代我国航空航天大事记。

科学思维：比较全面地分析问题的各种影响因素；基于交流情境提出观点，建立证据与观点之间的联系；运用重组思维、发散思维等思维方式，进行初步的创意设计。

探究实践：从实物的结构、功能出发，提出可探究的科学问题；制订比较完备的探究计划，设计控制变量的实验方案；根据问题情境需要，定义简单的工程问题，具有初步的构思、设计、实施、验证与改进能力。

科学态度：抱有好奇心；以事实为依据提出自己的观点，不盲从；乐于合作，勇于创新。

四、活动对象

本活动面向5～6年级学生。

五、活动过程

（一）准备阶段

制定活动方案；与学校领导、家长沟通；召开活动动员会，做好活动前培训，帮助学生熟悉活动进程，了解活动意义和注意事项；邀请专家，准备材料和器材、场地。

（二）实施阶段

活动1：航空航天知识普及与构建

通过特色课程、主题讲座、观影和学生自主学习，对学生进行航空航天相关知识普及和科技探究方法的构建；利用年级科学特色课程时间，科技辅导员结合相关科普视频普及航空航天相关知识；举办专家科普讲座，邀请科技模型和科技活动专家，指导学生学习基础模型制作技巧和科学探究方法；进行科普观影。

活动2：“飞得更高——水火箭设计与发射”

素材准备：矿泉水瓶若干、安全剪刀（ 美工刀） 、直尺、胶塞、双面胶、热熔胶、彩色卡纸、订书机、水火箭发射器等。

资料准备：水火箭原理资料卡、水火箭基本结构示意图。

提出问题：“生活中水火箭是如何飞向天空的？”引发学生思考。

自主学习：学生在确定需要解决的问题之后，通过阅读资料、观看制作视频，了解水火箭的发射原理——反冲作用，以及水火箭的基本结构和基础制作步骤，提高学生收集、提取信息的能力。

方案设计：小组合作，根据可选材料进行设计，绘制水火箭设计图并填写所需材料清单，培养学生的工程思维和物化能力。教师发挥指导和监督作用，进行巡视与差别化指导，和学生共同讨论设计思路和注意事项，必要时提供一个有效设计案例，避免学生盲目设计。

制作与发射：小组分工协作制作水火箭，在操场进行水火箭试射，体验反冲作用在水火箭发射中的应用，发展学生的实践能力和团队意识。

“飞得更高——水火箭飞行高度影响因素探究与模型优化”

提出猜想：在水火箭试射的基础上思考“哪些因素影响水火箭的飞行高度”，培养学生全面地分析问题的各种影响因素的科学思维能力。

实验探究：采用控制变量的思想进行实验设计，分别探究可能的影响因素（水量、水火箭的封闭性、箭翼尺寸规格等）与飞行高度的关系；各组完成探究报告，并进行组间分享与交流。

模型优化：提出“飞得更高”这一目标，激发学生的团队意识和责任意识；各小组在探究结果的基础上合作改进原设计，绘制水火箭改进示意图，并对水火箭进行改进。

成果展示：进行“飞行高度挑战赛”，由前三名的队伍对水火箭设计进行经验分享。

部分结论：水量并不是越多越好，1/3左右为佳，水量过多，会因瓶内压力下降过快而使反冲作用减小，同时出现“余水”，不利于水火箭飞行。箭翼尺寸外形要保持一致，分布要均匀，保障重心在水火箭的几何中心上。

提出任务：“实际火箭发射为了获得理想高度，采用了火箭助推器，我们尝试为水火箭加装助推器，突破单体水火箭瓶颈，再创新高！”培养学生勇于探索、大胆创新的科学精神。

自主学习：通过阅读相关资料学习水火箭助推器工作原理——连通器原理。了解助推器的一种可行的制作方法：准备两个相同的饮料瓶，将饮料瓶瓶底剪掉，用热水烫一下切口，然后将两个切开瓶底的瓶子粘住，即可得到一个助推器，为学生进行有效设计提供支撑。讨论可行的助推器与主体的脱离方式：重力、速度差等。

设计与制作：小组合作自选材料设计并制作助推器，助推器选材、数量、与主体的连接方式可自选，完成助推器设计单，提高学生的物化能力，培养学生敢于尝试、勇于创新的科学精神。

成果展示与交流：制作成功的小组进行助推水火箭的试射，并分享设计思路和制作过程中遇到的技术困难与解决方法，让学生获得成就感，发展攻坚克难的航天精神。

活动3：“太空中的家”

“太空中的家——夜空中最亮的星”摄影活动

信息检索：专业网站查询。天宫一号可见过境信息，通过中国科学院紫金山天文台官方网站提前发布，可以网站查询省会城市可见过境预告，包括开始、结束及最高点的时间、方位、仰角等观测信息。手机App搜集。微信是当下普及率非常高的通信App，可通过微信小程序天文通，及时查询天宫一号可见过境信息，引导学生有意识地搜集、记录相关数据。

观测与摄影：学生结合过境信息和实际天气状况，采用合适视角对天宫一号进行观测，记录天宫一号在天空中移动的轨迹，指导学生多角度拍摄不同天气状况、不同时间的天宫一号过境影像，或拍摄当地地标、自己与天宫一号的合影，用影像记录“天空中最亮的那颗星”。

“太空中的家——空间站相关创意设计”

提出创意：“空间站中已经有了完备的维生系统，宇航员在其中工作生活非常安全，也较为舒适，但是太空环境和地球差异巨大，宇航员叔叔阿姨会遇到哪些不方便的小问题呢？”引导学生发现问题，提供解决问题的工程技术方案，提高学生发现问题、综合运用相关技术创新性地解决问题的能力。

制作空间站防碰撞预警装置。空间站中宇航员和所有物品处于失重状态，稍有不慎就可能发生意外碰撞。通过在衣服后背处上添加超声波传感器，搭配Arduino主板（扩展板），自动检测后背与其他人或物体的距离，当超过阈值时报警提示用户及时远离。

“日升日落”氛围灯光设计。空间站中没有日升日落，而人体生物钟与自然节律存在密切关联，长期处于全明或全暗的环境不利于身心健康。针对这种情况，通过开源硬件自主设计空间站灯光系统，根据地球一昼夜光强变化特点，自动改变并控制空间站内照度。

在完成两个基础创意的基础上，可以通过加一加等方法，进行自主研发，添加多种执行器，完善功能，提升用户体验，并进行外观设计，将传统文化、航天精神等反映在设计的作品上。

活动4：稳稳地降落——降落伞设计与制作”

材料准备：多种不同布料，如棉布、麻布、尼龙布等，编织绳，安全剪刀，直尺，签字笔等。资料准备：降落伞结构资料。

明确需求：为返回舱安全着陆设计降落伞，实现有效减速、平稳落地的目的。

自主学习：在教师引导下聚焦并搜集有关降落伞结构、功能，以及伞面材质、大小、形状，伞绳多少、长度对降落伞下降影响的资料。

提出挑战任务：设计并制作一顶可携带200克左右重物且能够平稳下降的降落伞，要求下落的时间长且可以在2米左右高空安全释放、打开并安全降落在指定的区域内。

讨论与探究：小组成员围绕“平稳”和“减速”讨论设计降落伞的关键问题，如选材、伞面形状、伞绳数量与长度等，在给出建议的同时说明依据，培养学生根据理论依据进行分析和决策的能力。聚焦組内有争议的影响因素，设计对比实验进行探究并记录结果，对数据进行分析，培养学生设计探究活动的能力和实践能力。

设计与制作：根据讨论和探究所达成的共识，自主选材并绘制设计草图，进行尺寸标注。小组成员分工协作制作降落伞，关注伞绳和伞面的连接方式。

成果展示与改进：实物功能测评，以降落时长和降落位置评价降落伞功能。

六、成果总结与展示阶段

模型制作：学生在整个科技实践过程中要经历多个阶段性成果展示比赛，教师要不断地给学生建议和指导，并对表现突出的学生进行表彰和宣传。

研究汇报：组织学生及时进行总结，撰写活动报告。

科技论文：结合收集的资料和探究的具体问题，指导学生撰写科技创新论文或科技实践活动报告，择优推荐参加各级科技大赛。

在学校一年一度的科技节模型展中设立航空航天专区进行模型实物展示，优秀小组在相关主题科技报告中向学校师生进行展示交流，并利用微博、微信等自媒体扩大宣传。

参考文献

[1]李江，覃敏杰，周素梅.三助推捆绑水火箭制作与创新[J].中国现代教育装备，2019（22）：39-41.

[2]刘徽，杨佳欣，徐玲玲，等.什么样的失败才是成功之母？：有效失败视角下的STEM教学设计研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2020（6）：43-69.

[3]祝声彦.基于通用技术项目教学的水火箭项目开发与实施[J].中国教育技术装备，2020（12）：38-40