對(duì)飛行類科學(xué)玩具課程化的研究

1、對(duì)“飛行類科學(xué)玩具”課程化的研究科學(xué)玩具物理教育功能開(kāi)發(fā)與研究系列二駱文洲 浙江省義烏中學(xué) 322000飛行類科學(xué)玩具是科學(xué)玩具中較普遍、也是最為基本的一類玩具。從傳統(tǒng)的紙飛機(jī)、風(fēng)箏到新潮遙控的航空航天比賽模型等，都是飛行類科學(xué)玩具大家族中的成員。圖1譬如，起源于2000年前中國(guó)的如圖1所示的紙飛機(jī)就深受人們的喜愛(ài)，是一種流行至今的娛樂(lè)項(xiàng)目。紙飛機(jī)看似簡(jiǎn)單，但要制作一架飛得久、飛得遠(yuǎn)的紙飛機(jī)并不容易。我校曾經(jīng)組織過(guò)學(xué)生紙飛機(jī)制作和放飛的競(jìng)賽活動(dòng)，紙飛機(jī)的制作不僅要比較各種折法，而且還涉及液體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)等各種知識(shí)，對(duì)這一點(diǎn)，參賽的學(xué)生都深有感觸。英國(guó)倫敦大學(xué)紙飛機(jī)協(xié)會(huì)在“紙飛機(jī)網(wǎng)”上介紹說(shuō)

2、：“那些認(rèn)為制作紙飛機(jī)是很簡(jiǎn)單的事情的人，經(jīng)常被證明是錯(cuò)的，尤其是你想創(chuàng)造一項(xiàng)世界紀(jì)錄，難度就更大了。”圖2如圖2所示，是1400年前我國(guó)發(fā)明的民間玩具竹蜻蜓的示意圖。通常，用一塊13cm×3cm的薄竹片，用小刀把竹片削成一個(gè)兩面交錯(cuò)的斜形葉片，在其中間位置安裝一垂直的細(xì)棒，用手使勁搓動(dòng)后放手，快速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，使玩具竹蜻蜓直竄天空。這種制作簡(jiǎn)單、原理顯然的玩具，對(duì)開(kāi)發(fā)學(xué)生的智慧和潛能，豐富學(xué)生的課余生活，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)方面都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。本文中，筆者想從“飛行類科學(xué)玩具”的課程化方面，談一些具體的做法和體會(huì)。1、優(yōu)化教學(xué)方式，提升教學(xué)效果在 “流體在流動(dòng)時(shí)，流速較大的位置，

3、壓強(qiáng)較小”這一規(guī)律的應(yīng)用教學(xué)中，倘若我們僅僅采用動(dòng)畫(huà)演示與講解的方式進(jìn)行授課，學(xué)生的感受就像在觀看電視中的科普教育片，這將直接導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)的缺失，使得求知欲望可能蕩然無(wú)存。據(jù)說(shuō)，洛克希德公司的創(chuàng)始人之一諾斯羅普就曾用紙飛機(jī)來(lái)做模擬測(cè)試，研究真實(shí)飛機(jī)的飛行原理。相比之下，能達(dá)到更好的教學(xué)效果的做法至少應(yīng)該是這樣的：教師為學(xué)生的科學(xué)探究提供一個(gè)真實(shí)的平臺(tái)，在課前提供材料，放手讓學(xué)生親自動(dòng)手做一個(gè)實(shí)實(shí)在在的機(jī)翼飛起來(lái)。圖3教師可以設(shè)計(jì)這樣一個(gè)問(wèn)題：竹蜻蜒為什么能夠飛起來(lái)呢？讓學(xué)生課后動(dòng)手制作并用舉行看誰(shuí)的竹蜻蜓飛得高的比賽的活動(dòng)來(lái)調(diào)動(dòng)與發(fā)揮學(xué)生積極參與的主動(dòng)性。學(xué)生相互討論后發(fā)現(xiàn)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)越快，

4、受到向上的升力越大。因此，問(wèn)題的關(guān)鍵就在于如何制作一對(duì)符合流體力學(xué)的竹片。圖3，表示的是葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍空氣的流線分布，葉片橫截面的形狀上下不對(duì)稱，葉片上方的流線密而流速大，下方的流線疏而流速小，由伯努利方程可知，葉片上方壓強(qiáng)小，下方的壓強(qiáng)大。這樣空氣給葉片一個(gè)向上的作用力，當(dāng)此力大于葉片所受的重力和空氣阻力時(shí)，葉片就向上飛出去了。事后，同學(xué)們自然而然地總結(jié)出葉片上方要凸出、下方要平整這一關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然，通過(guò)這樣的教學(xué)，學(xué)生不僅理解了流體力學(xué)的基本知識(shí)，也領(lǐng)悟了流體力學(xué)所揭示的科學(xué)道理。有些學(xué)生在研究總結(jié)中這樣寫(xiě)道：簡(jiǎn)單的制作，深刻的原理，讓我體會(huì)到物理的魅力，體會(huì)到學(xué)習(xí)知識(shí)的樂(lè)趣。2、探索紙飛

5、機(jī)的飛行性能，提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)記得有一堂物理課，課前，班上許多學(xué)生在教室內(nèi)玩紙飛機(jī)。我順便問(wèn)了一句：哪位同學(xué)的紙飛機(jī)飛得最久又最遠(yuǎn)呢？一下子，同學(xué)們熱情高漲，爭(zhēng)先恐后地展示自己的飛機(jī)，但表演的結(jié)果卻是成績(jī)不穩(wěn)定。此時(shí)，一部分同學(xué)自告奮勇地對(duì)我說(shuō)，他們想成立一個(gè)研究小組，要憑借自己的力量探究紙飛機(jī)飛行性能與那些因素有關(guān)這一課題。我當(dāng)即表示支持，并樂(lè)意做這個(gè)課題組的指導(dǎo)老師，學(xué)生們探究的熱情也一下子調(diào)動(dòng)起來(lái)了。在課題組活動(dòng)中，大家很快確定了研究方向：1.首先探尋各種紙飛機(jī)的折法，找到一種飛得久、飛得遠(yuǎn)的紙飛機(jī)。2.確定一種紙飛機(jī)，研究其飛行的距離、飛行時(shí)間分別與發(fā)射的角度、機(jī)翼角度、機(jī)翼的大小、

6、機(jī)身前后的輕重等關(guān)系。通過(guò)上網(wǎng)查找資料等方式，學(xué)生們掌握了百余種紙飛機(jī)的折法。最后學(xué)生們選擇了他們最喜愛(ài)的、也是最傳統(tǒng)的如圖4所示的紙飛機(jī)為研究飛行時(shí)間和距離的對(duì)象。這架紙飛機(jī)的制作方法為：將A4紙長(zhǎng)邊方向?qū)φ酆蟠蜷_(kāi)，在寬邊方向上選取好兩角對(duì)準(zhǔn)中間線折線，再重復(fù)一次后，沿著中間線反折并反復(fù)先前二角對(duì)折動(dòng)作再折一次，打開(kāi)后就算完成了。圖4圖5接下來(lái)就是如何研究“紙飛機(jī)機(jī)翼角度和飛行時(shí)間的關(guān)系”了。學(xué)生把紙飛機(jī)的機(jī)翼形狀做成和機(jī)身垂直、上揚(yáng)、下降三種。在多次重復(fù)射出并記錄每次的飛行時(shí)間后，列出每次測(cè)量的柱狀圖和全部測(cè)量平均值的柱狀圖，其中左柱表示垂直，中柱表示上揚(yáng)，右柱表示下降，如圖5和圖6。圖6

7、仔細(xì)分析上面兩圖，發(fā)現(xiàn)各種情況的飛行時(shí)間差別很?。灰詸C(jī)翼下降射出的紙飛機(jī)比機(jī)翼和機(jī)身垂直、機(jī)翼上揚(yáng)射出的紙飛機(jī)飛行的時(shí)間更久。通過(guò)此類研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，增加了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的科研意識(shí)。3、變革紙飛機(jī)，在玩中學(xué)、學(xué)中玩圖7在紙飛機(jī)的研究中，師生們都感覺(jué)雖然紙飛機(jī)的內(nèi)涵非常豐富，但有一很大的缺點(diǎn)：玩紙飛機(jī)時(shí)其形狀沒(méi)法改變。這一問(wèn)題引起了師生間的熱烈討論，討論后大家形成了一個(gè)共識(shí)：能否利用最簡(jiǎn)單的方式改進(jìn)紙飛機(jī)做成具有動(dòng)感的飛行類玩具呢？于是，學(xué)生間形成不同的小組，有的查資料、有的調(diào)查市場(chǎng)、有的尋找器材。最后，比較有代表性的成果是“會(huì)飛的小鳥(niǎo)”，如圖7所示。它利用一

8、根扭轉(zhuǎn)的橡皮筋帶動(dòng)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)小鳥(niǎo)翅膀上下振動(dòng)，小鳥(niǎo)的翅膀振動(dòng)便可獲得空氣動(dòng)力而是小鳥(niǎo)前進(jìn)。實(shí)踐表明，小鳥(niǎo)雖然沒(méi)有像紙飛機(jī)那樣有比較遠(yuǎn)的飛行，但趣味性卻強(qiáng)多了?，F(xiàn)在，許多同學(xué)仍置身于小鳥(niǎo)的改進(jìn)中，想讓小鳥(niǎo)飛得更高、更遠(yuǎn)。同學(xué)們?cè)谟懻撆c摸索的過(guò)程中提出了了幾種比較典型的改進(jìn)措施：1.減輕機(jī)身結(jié)構(gòu)重量，采用輕質(zhì)材料的同時(shí)舍去冗余的材料。2.增強(qiáng)橡皮筋的彈性，以獲得更大的動(dòng)力。3.合理設(shè)置機(jī)翼面積、傾角等。4.注意投放時(shí)的角度和力度。參與過(guò)改進(jìn)的學(xué)生都說(shuō)，在活動(dòng)中，不僅學(xué)習(xí)了空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、材料等知識(shí)，而且體會(huì)到了發(fā)明創(chuàng)造的樂(lè)趣，在經(jīng)歷多次失敗與成功中體驗(yàn)到了成功的喜悅，在動(dòng)手

9、設(shè)計(jì)和制作中鍛煉了動(dòng)手能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。4、創(chuàng)設(shè)學(xué)生自我探究平臺(tái)，深刻領(lǐng)會(huì)物理規(guī)律的內(nèi)涵在圓周運(yùn)動(dòng)的教學(xué)中，得出向心力公式是一個(gè)難點(diǎn)。雖然可用純理論推導(dǎo)出向心力公式，但顯得枯燥乏味。如果選用向心力演示儀通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行探究，學(xué)生的參與度又太低，學(xué)生的興趣也就無(wú)從談起了。為此，我利用電動(dòng)飛鴿來(lái)“探究向心力的大小”。如圖8，用細(xì)線將電動(dòng)飛鴿懸掛起來(lái)，拉動(dòng)開(kāi)關(guān)，飛鴿的翅膀便上下?lián)潋v起來(lái)，稍微推動(dòng)一下，飛鴿就會(huì)一圈一圈地轉(zhuǎn)動(dòng)。物理量的測(cè)量的方法：圖8Lr激光筆塑料透明尺m:電動(dòng)飛鴿的質(zhì)量，用配重進(jìn)行改變，用天平進(jìn)行測(cè)量；：用秒表記錄飛行30圈的總時(shí)間t，然后算出周期T=t/30，再由=2

10、/T求得；r:采用投影法，用激光筆將飛鴿的影子豎直投射到塑料透明尺上，便可讀得影子到懸點(diǎn)的間距r。這樣的探究活動(dòng)，可以在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生獨(dú)立地完成探究的過(guò)程。學(xué)生普遍反映，通過(guò)自己動(dòng)手，不僅深深領(lǐng)會(huì)了控制變量法的精髓，而且也提高了動(dòng)手能力，并且會(huì)動(dòng)腦去想如何更好、更準(zhǔn)確去完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在學(xué)生情趣高漲的探究過(guò)程中，教師可趁勢(shì)提出這樣一個(gè)課后思考題：飛鴿飛得越快也飛得越高嗎？課后作業(yè)反饋中發(fā)現(xiàn)，許多小組的同學(xué)在討論分析和自學(xué)相關(guān)知識(shí)后解決了這一問(wèn)題：在徑向上，由于，即。由于v增大，且sin和tan在0900內(nèi)是單調(diào)遞增函數(shù)，故也增大。實(shí)踐表明，對(duì)科學(xué)玩具進(jìn)行教學(xué)開(kāi)發(fā)方面的系列化研究，不僅可以把學(xué)