论文部分内容阅读
2013年，荷兰非营利组织“火星一号”曾宣布一个计划，将在全球海选数人前往火星，甚至在那里定居，一旦登陆火星，就无法重返地球。这一组织在两周内收到大约7.8万份移民火星的申请。应征者数量最多的是美国，17324人；其次是中国10241人；英国有3581人。如果说这个旧闻有些幻想色彩，那么从中国脚踏实地的航天计划来看，火星探测计划已经悄悄启动。早在2011年发射的“萤火一号”会是该计划的首颗火星探测器。2016年3月，航天专家叶培建透露，中国准备在2020年发射火星探测器，并于次年登陆火星。
在宏大的火星探索计划中，载人宇宙飞船着陆是非常重要和艰巨的任务。试想，飞行器的运行速度高达每小时29000公里，在接近目标时，速度要放缓，还必须要保证人的安全。这样的事要如何完成呢？对于学生而言，有必要关注这些问题解决的出发点和方向，因为也许有一天，将会由他们踏上火星的红色土地。
一、课程重点
试着讨论宇宙飞船着陆可能要面临的方方面面的问题，就是本课程的核心内容。
【涉及领域】航空技术、物理学、社会学、数学
【建议年级】5年级以上
【建议时间】125分钟
【建议材料】（每组）纸杯1个、毛根5根、手掌大小的硬纸板2块、吸管4根、气球1个、皮筋2个、毛绒球3个、白纸1张、胶带足量、纱线足量（测量用）、剪刀、铅笔
二、课程任务
介绍与宇宙飞船航行和着陆相关的先备知识，检查学生对主要概念的理解。借助身边的材料来制作简单的宇宙飞船着陆的模型，借此来说明和探讨在真正的宇宙飞船着陆火星的时候需要考虑的问题和解决途径，并从中体会太空探索的困难和危险性。
三、课程步骤
1.导入（25分钟）
【第一步】介绍火星。火星（Mars）是太阳系八大行星之一，是太阳系由内往外数的第四颗行星，属于类地行星，直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期均与地球相近，公转一周约为地球公转时间的两倍。火星的重力是地球的2/5，表面积只有地球的1/4，体积只有地球的15%，质量只有地球的11%。在西方称为“战神玛尔斯”，中国则称为“荧惑”。橘红色外表是因为地表的赤铁矿（氧化铁）。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠，会随着季节消长。火星从地球上肉眼可见，比金星、月球和太阳暗，但在大部分时间里比木星亮。2015年9月2日，美国宇航局公布火星勘测轨道飞行器拍摄的火星地表，并用颜色编码的形式展示出来；9月28日，美国航天局宣布，在火星表面发现液态水。
【第二步】引导学生关注宇宙飞船降落会遇到的困难，提示学生，引发探讨和归纳，着陆主要会遇到诸如以下困难或更多：
（1）减速问题；
（2）防止旋转问题（飞行姿态的调整）；
（3）耐摩擦高温问题。
【第三步】教师列举一些需要提前掌握的必要的概念，并简单讲解。以下是各个小组针对挑战性的任务进行头脑风暴时，要理解和应用的一些主要概念：
（1）空气阻力：指空气对运动物体的阻碍力，是运动物体受到空气的弹力而产生的。火星上虽然空气稀薄，但是空气阻力仍不能忽略。
（2）力的平衡：在力学系统里，平衡是指物体受到几个力的作用，仍保持静止状态，或匀速直线运动状态，或绕轴匀速转动的状态，叫做物体处于平衡状态，简称“平衡”。在宇宙飞船着陆时，由于涉及到着陆姿态，连同旋转的状态也必须考虑。
（3）重力：物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。在火星上则主要考虑火星的吸引产生的指向火星核心方向的力，即火星重力，是地球重力的2/5。
（4）减震：减少和吸收震动，通常用于减震的装置都是某种缓冲装置，具有一定的弹性构造。
（5）减速运动：随着时间速度不断减小的运动。火星着陆需要的是宇宙飞船在触及火星表面的刹那，与火星的相对速度越小越好。
【第四步】出示图片，让学生联系刚才教授的概念，并指出重点。出示空气阻力的图片（如图1）。重点在于空气阻力与重力方向相反，使下落速度变缓。
出示力的平衡图片（如图2）。重點在于作用力成对出现，大小相等，方向相反。
出示重力的图片（如图3）。重点在于如果没有重力，要理解所有的事物会漂浮起来，就像宇航员在宇宙飞船里的状态一样。
出示牛顿第一定律的图片（如图4）。牛顿第一定律是指任何物体都会保持匀速直线运动或静止状态，直到不平衡的外力迫使它改变运动状态为止，例如在绝对光滑表面滚动的球。
出示减震器的图片（如图5）。减震器用来吸收机械中或其他结构中产生的震动或脉冲。试想苹果从树上掉落，大多数在落地时会撞伤，因为缺少缓冲。
2.宣布任务和评价量规，小组准备（10分钟）
宣布任务。假设已经选好火星着陆点，任务是设计一个宇宙飞船，实现安全着陆。宇宙飞船模型用杯子替代，杯子内部的三个绒球玩具代表宇航员。要求观察现有模型的着陆情况。然后，用工程设计的思路，使用有限的材料制作和改装“宇宙飞船”，让它能够安全着陆，保证“宇航员”的安全。在测试过程中，尝试用不同的方法改进着陆过程。要求如下：
（1）用有限的素材和胶带设计、改进“宇宙飞船”，材料越少越好；
（2）不允许将“宇航员”密封于纸杯内；
（3）纱线只能用于测算高度。
3.任务的执行（40分钟）
由于任务具有一定难度，教师应当监督学生完整地完成“工程设计循环”并适时提问，包括：
（1）头脑风暴：设计和建造模型。可提问：
——当你起跳时，你会弯曲后背和膝盖，用于承受部分能量，使下落更缓慢。这对你们有什么启发？
——为了让着陆缓慢，运用所给材料，你能设计哪种类型的减震器？
——如何才能保证飞船下落却不翻倒？
（2）初步测试。可适时提问或提示：
——列出设计模型使用的材料，计算目前的总花费。想一想是否有不必要的花费？
——将纱线拉直，以便测算高度，宇宙飞船从指定高度下落，测试五次，然后在纸上记录数据。你们的目标高度是多少？
——在较高地方释放你们设计的“宇宙飞船”时，如何让它尽量与地面垂直？
（3）评估与重新设计。教师视情况提问：
——哪些设计是有效的，哪些需要改善？
——是否出现了下落过程中翻倒？释放宇宙飞船时是否水平？杯子内部重力分布是否均匀？是否要考虑宇宙飞船底部面积？
——“宇航员”（绒球玩具）是否飞出“宇宙飞船”（纸杯）？是否该增加柔软的铺垫物或者改变减震器的数量？是否该减少弹簧（毛根所做的弹簧）的弹力？如何办到？
（4）最终测试。教师提问：
——你们小组最新的设计是否又用到了新材料？是否放弃了某些材料？
——你们的设计是否还能进行材料精简？
（5）正式比赛。赛前要求各小组至少在最终测试时测试了五次并记录数据，包括材料数量、高度和成功与否，并在展示环节进行说明。
4.总结与反思（20分钟）
在总结阶段，请学生反思以下问题：
（1）除了减震装置，哪些组想到了使用降落伞？使用降落伞有什么难点？在真正登陆火星时，使用降落伞到底好不好？为什么？
（2）大家认为，哪些材料是必要的？为什么？
（3）哪个小组做的最好？为什么？
（4）拓展思考：真正登陆火星时，需要使用火箭减速和变向。分析需要几个火箭，分别要安装在哪里。
（责任编辑 郭向和）
在宏大的火星探索计划中，载人宇宙飞船着陆是非常重要和艰巨的任务。试想，飞行器的运行速度高达每小时29000公里，在接近目标时，速度要放缓，还必须要保证人的安全。这样的事要如何完成呢？对于学生而言，有必要关注这些问题解决的出发点和方向，因为也许有一天，将会由他们踏上火星的红色土地。
一、课程重点
试着讨论宇宙飞船着陆可能要面临的方方面面的问题，就是本课程的核心内容。
【涉及领域】航空技术、物理学、社会学、数学
【建议年级】5年级以上
【建议时间】125分钟
【建议材料】（每组）纸杯1个、毛根5根、手掌大小的硬纸板2块、吸管4根、气球1个、皮筋2个、毛绒球3个、白纸1张、胶带足量、纱线足量（测量用）、剪刀、铅笔
二、课程任务
介绍与宇宙飞船航行和着陆相关的先备知识，检查学生对主要概念的理解。借助身边的材料来制作简单的宇宙飞船着陆的模型，借此来说明和探讨在真正的宇宙飞船着陆火星的时候需要考虑的问题和解决途径，并从中体会太空探索的困难和危险性。
三、课程步骤
1.导入（25分钟）
【第一步】介绍火星。火星（Mars）是太阳系八大行星之一，是太阳系由内往外数的第四颗行星，属于类地行星，直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期均与地球相近，公转一周约为地球公转时间的两倍。火星的重力是地球的2/5，表面积只有地球的1/4，体积只有地球的15%，质量只有地球的11%。在西方称为“战神玛尔斯”，中国则称为“荧惑”。橘红色外表是因为地表的赤铁矿（氧化铁）。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠，会随着季节消长。火星从地球上肉眼可见，比金星、月球和太阳暗，但在大部分时间里比木星亮。2015年9月2日，美国宇航局公布火星勘测轨道飞行器拍摄的火星地表，并用颜色编码的形式展示出来；9月28日，美国航天局宣布，在火星表面发现液态水。
【第二步】引导学生关注宇宙飞船降落会遇到的困难，提示学生，引发探讨和归纳，着陆主要会遇到诸如以下困难或更多：
（1）减速问题；
（2）防止旋转问题（飞行姿态的调整）；
（3）耐摩擦高温问题。
【第三步】教师列举一些需要提前掌握的必要的概念，并简单讲解。以下是各个小组针对挑战性的任务进行头脑风暴时，要理解和应用的一些主要概念：
（1）空气阻力：指空气对运动物体的阻碍力，是运动物体受到空气的弹力而产生的。火星上虽然空气稀薄，但是空气阻力仍不能忽略。
（2）力的平衡：在力学系统里，平衡是指物体受到几个力的作用，仍保持静止状态，或匀速直线运动状态，或绕轴匀速转动的状态，叫做物体处于平衡状态，简称“平衡”。在宇宙飞船着陆时，由于涉及到着陆姿态，连同旋转的状态也必须考虑。
（3）重力：物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。在火星上则主要考虑火星的吸引产生的指向火星核心方向的力，即火星重力，是地球重力的2/5。
（4）减震：减少和吸收震动，通常用于减震的装置都是某种缓冲装置，具有一定的弹性构造。
（5）减速运动：随着时间速度不断减小的运动。火星着陆需要的是宇宙飞船在触及火星表面的刹那，与火星的相对速度越小越好。
【第四步】出示图片，让学生联系刚才教授的概念，并指出重点。出示空气阻力的图片（如图1）。重点在于空气阻力与重力方向相反，使下落速度变缓。
出示力的平衡图片（如图2）。重點在于作用力成对出现，大小相等，方向相反。
出示重力的图片（如图3）。重点在于如果没有重力，要理解所有的事物会漂浮起来，就像宇航员在宇宙飞船里的状态一样。
出示牛顿第一定律的图片（如图4）。牛顿第一定律是指任何物体都会保持匀速直线运动或静止状态，直到不平衡的外力迫使它改变运动状态为止，例如在绝对光滑表面滚动的球。
出示减震器的图片（如图5）。减震器用来吸收机械中或其他结构中产生的震动或脉冲。试想苹果从树上掉落，大多数在落地时会撞伤，因为缺少缓冲。
2.宣布任务和评价量规，小组准备（10分钟）
宣布任务。假设已经选好火星着陆点，任务是设计一个宇宙飞船，实现安全着陆。宇宙飞船模型用杯子替代，杯子内部的三个绒球玩具代表宇航员。要求观察现有模型的着陆情况。然后，用工程设计的思路，使用有限的材料制作和改装“宇宙飞船”，让它能够安全着陆，保证“宇航员”的安全。在测试过程中，尝试用不同的方法改进着陆过程。要求如下：
（1）用有限的素材和胶带设计、改进“宇宙飞船”，材料越少越好；
（2）不允许将“宇航员”密封于纸杯内；
（3）纱线只能用于测算高度。
3.任务的执行（40分钟）
由于任务具有一定难度，教师应当监督学生完整地完成“工程设计循环”并适时提问，包括：
（1）头脑风暴：设计和建造模型。可提问：
——当你起跳时，你会弯曲后背和膝盖，用于承受部分能量，使下落更缓慢。这对你们有什么启发？
——为了让着陆缓慢，运用所给材料，你能设计哪种类型的减震器？
——如何才能保证飞船下落却不翻倒？
（2）初步测试。可适时提问或提示：
——列出设计模型使用的材料，计算目前的总花费。想一想是否有不必要的花费？
——将纱线拉直，以便测算高度，宇宙飞船从指定高度下落，测试五次，然后在纸上记录数据。你们的目标高度是多少？
——在较高地方释放你们设计的“宇宙飞船”时，如何让它尽量与地面垂直？
（3）评估与重新设计。教师视情况提问：
——哪些设计是有效的，哪些需要改善？
——是否出现了下落过程中翻倒？释放宇宙飞船时是否水平？杯子内部重力分布是否均匀？是否要考虑宇宙飞船底部面积？
——“宇航员”（绒球玩具）是否飞出“宇宙飞船”（纸杯）？是否该增加柔软的铺垫物或者改变减震器的数量？是否该减少弹簧（毛根所做的弹簧）的弹力？如何办到？
（4）最终测试。教师提问：
——你们小组最新的设计是否又用到了新材料？是否放弃了某些材料？
——你们的设计是否还能进行材料精简？
（5）正式比赛。赛前要求各小组至少在最终测试时测试了五次并记录数据，包括材料数量、高度和成功与否，并在展示环节进行说明。
4.总结与反思（20分钟）
在总结阶段，请学生反思以下问题：
（1）除了减震装置，哪些组想到了使用降落伞？使用降落伞有什么难点？在真正登陆火星时，使用降落伞到底好不好？为什么？
（2）大家认为，哪些材料是必要的？为什么？
（3）哪个小组做的最好？为什么？
（4）拓展思考：真正登陆火星时，需要使用火箭减速和变向。分析需要几个火箭，分别要安装在哪里。
（责任编辑 郭向和）