论文部分内容阅读
本课程并没有给出具体的课程任务目标，而是希望学生在调研过程中产生自己的想法，设计方案并通过各种创客类工具实现方案。在把一个想法变为现实的过程中，会产生大量的问题，如怎样使用现有的技术手段实现某个设计想法和功能，如何通过快速学习来掌握某种技术手段……因此，解决开放性问题的流程更加贴近现实。
一、课程重点
本课程旨在让学生在实现想法的过程中不断解决产生的新问题，学习新知识，尝试使用新的技术手段解决原来解决不了的问题，从而促进学生提高创造能力、批判性思维能力、沟通和协作能力、解决现实问题的能力。
【涉及领域】工程、物理、3D打印、创客、技术
【建议年级】小学高年级至初二年级
【建议时间】130分钟；3D打印相关课程（可選）；创客技术相关课程（可选）
【材料】基础材料：直流电动机（额定电压5V）、电池、电池盒、导线、手工棒、硬纸板、矿泉水瓶、胶带或胶水、热熔胶枪、泡沫塑料；自选材料：可自选材料和加工方式
二、课程任务
以一个5V直流电机作为驱动装置，制造一艘小船。在制造的过程中，学习并使用各种创客类工具，如3D打印机、智能硬件等。
三、课程步骤
1.导入（10分钟）
教师引导学生讨论能想到几种驱动船只前进的方案。例如：划桨；带水轮的，用脚蹬；用长杆子撑船；用纤绳拉；人站在水中往前推；风吹船帆推动船前进；把钟表的发条安在螺旋浆上，用人力上弦，然后使浆转起来；摇橹；岸上装一个滑轮，绳子穿过滑轮，一头系住船头，拉另一头；站在船尾，用力向后跳，用脚的反作用力推动船只；把一个大气球吹足气，绑在船尾，向水面吹气；给螺旋浆安上电动机，然后人站在船上用手摇发电机发电驱动螺旋桨；趴在船上，用手向后划水；在水中边游边推；让船漏水，把水舀起来向后泼；用手拨水，利用水波把船向前推；用橡皮筋给螺旋浆上劲，然后放开让螺旋桨转；把船上的东西一件一件向一个方向投出去，船会向相反的方向运动。
教师可以把学生分成小组，让各组进行讨论，尽可能多地列举驱动船只前进的办法。可以采用合作学习的方式，请各组按照顺序轮流说一种方法。教师将其列在黑板上，不能提出更新答案的小组出局，看哪一组能留到最后。
教师将驱动方式进行分类，如按照做功的方式可以分成直接做功类、反作用力类和冲量转化类，并解释这三类驱动方式。可以向学生出示一系列图片（见图1），请学生识别并归类。
2.宣布任务及评价量规（10分钟）
【宣布任务】各组自选材料，制作一个使用5V电机驱动的小船，达到向前行驶的最低要求。宣布任务后，呈现评价量规（见表1）。
3.信息收集（课余时间完成）
在信息收集阶段，教师应组织学生对现实中船只的功能、结构特点、船体、使用方式、行驶区域等信息进行收集。教师要鼓励学生运用各种信息收集手段收集信息，也可以提供船只分类的资料库供学生参考。
（1）按照船只使用的水域进行分类（远海、近海、内陆河等）；
（2）按照船只用途进行分类（运输、战斗、科探等）；
（3）按照船只运载物品类型进行分类（人、普通货物、特种品、危险品等）；
（4）按照船只能量来源进行分类（核能、水蒸气、电能、非机动等）；
（5）请设想你的分类方式，并按照这个思路进行具体调研。
各组调查后要提交详细的调研报告，作为汇报展示的一部分。
4.头脑风暴和设计方案（40分钟）
各组进行头脑风暴，决定要制作的船只、驱动方式、功能实现方式，并制作设计图纸。这一阶段，教师应对学生进行指导，帮助学生完善设计方案、评估可行性和制作难度，以及解决结构设计、电子设计、驱动和控制设计方案的问题。图2展示的是一些基础的设计方案。
如果学生采用了桨直接入水的驱动方式，怎样设计传动结构才能让桨入水的同时马达不进水，是一个设计上的难点。常见的解决方案有两种，一是采用连杆斜插入水的形式，保证马达吃水线以上，但这样会降低小船驱动效率；二是采用皮带或齿轮等传动方式，改变动力方向（见图3）。
船体可以使用泡沫塑料或者饮料瓶进行制作（见图4）。建议开设了创客课程、有创客实验室的学校结合创客类课程来完成本课程任务。特别是在驱动部分的设计上，可以结合附件1和附件2所述的明轮船和螺旋桨船的知识，使用3D打印机完成螺旋桨部分结构的设计和制作。没有条件的话，可以将塑料片制成合适的形状，按照一定的角度粘在轴上。
5.制造（40分钟）
各组按照设计方案进行制造。
6.展示汇报（30分钟）
展示汇报包括书面口头展示和实地实验两部分。给各组至少10分钟的展示时间，详细介绍各阶段工作和调研情况，展示船只设计思路、制作过程和船只功能。实地实验时，可以寻找一个湖面或者水池，测试记录船只行驶的速度和稳定性。
附件1：明轮船
明轮船的命名是根据船舶的推进方式而产生。总的来说，在过去，明轮船可以用于战争船舰、商业贸易、客货运输等众多方面。现在，明轮船主要用于商业旅游与历史展览等。根据布置位置，明轮分为舷侧明轮和船尾明轮（见图5）。
明轮是一种局部入水的推进器，装在明轮周围的用来向后划水的叫蹼板。划水产生的反作用力通过转轴作用到船体上，推动舰船前进。根据蹼板在明轮上的安装形式，分为“定蹼式明轮”和“动蹼式明轮”（见图6）。前者构造简单，但效率太低，后者效率较好。
明轮船是靠蒸汽机带动明轮，使桨轮转动，桨轮上叶片拨水，推动船舶前进。相对于后续发展的船舶，它结构笨重、效率低，而且明轮的叶片使用时易损坏。当它在码头上停靠时，与两旁的轮船很容易发生碰撞，既影响自己的安全行驶，也存在着擦伤别的轮船的可能性。另外，如果水草一类的缠绕物绞住明轮的叶片或轴，明轮就有失去转动的可能。正是明轮推进器的缺点，到了19世纪60年代，明轮船被使用螺旋桨的先进蒸汽船淘汰。
附件2：螺旋桨船
螺旋桨船改变了船只由明轮推进的形式，而用螺旋桨代替。经过发展，螺旋桨推进效率越来越高，成为现代船舶的主要推进工具。螺旋桨的分类方式大致有以下几种：按照桨叶数量，螺旋桨有2、3或4个桨叶，甚至更多，一般桨叶数目越多，吸收功率越大；按照构造不同，螺旋桨分为定（桨）距、变距螺旋桨、导管螺旋桨、串列螺旋桨、对转螺旋桨、直叶推进器等；根据船舶安装螺旋桨个数的多少，可以分为单螺旋桨船、双螺旋桨船、三螺旋桨船（见图7），甚至四螺旋桨船。
19世纪60年代以来，船舶趋于大型化，使用大功率的主机后，螺旋桨激振造成的船尾振动、结构损坏、噪声、剥蚀等问题引起各国的重视。螺旋桨激振的根本原因在于螺旋桨叶负荷加重，在船后不均匀尾流中工作时容易产生局部的不稳定空泡，从而导致螺旋桨作用于船体的压力、振幅和相位都不断变化。因此，现代船用螺旋桨设计的关键问题是吸收最小的能量，提供最大的效率，减小船体振动和避免产生不利的空泡……现在，螺旋桨船的发展前景依然很光明。
（责任编辑 张慧籽）
一、课程重点
本课程旨在让学生在实现想法的过程中不断解决产生的新问题，学习新知识，尝试使用新的技术手段解决原来解决不了的问题，从而促进学生提高创造能力、批判性思维能力、沟通和协作能力、解决现实问题的能力。
【涉及领域】工程、物理、3D打印、创客、技术
【建议年级】小学高年级至初二年级
【建议时间】130分钟；3D打印相关课程（可選）；创客技术相关课程（可选）
【材料】基础材料：直流电动机（额定电压5V）、电池、电池盒、导线、手工棒、硬纸板、矿泉水瓶、胶带或胶水、热熔胶枪、泡沫塑料；自选材料：可自选材料和加工方式
二、课程任务
以一个5V直流电机作为驱动装置，制造一艘小船。在制造的过程中，学习并使用各种创客类工具，如3D打印机、智能硬件等。
三、课程步骤
1.导入（10分钟）
教师引导学生讨论能想到几种驱动船只前进的方案。例如：划桨；带水轮的，用脚蹬；用长杆子撑船；用纤绳拉；人站在水中往前推；风吹船帆推动船前进；把钟表的发条安在螺旋浆上，用人力上弦，然后使浆转起来；摇橹；岸上装一个滑轮，绳子穿过滑轮，一头系住船头，拉另一头；站在船尾，用力向后跳，用脚的反作用力推动船只；把一个大气球吹足气，绑在船尾，向水面吹气；给螺旋浆安上电动机，然后人站在船上用手摇发电机发电驱动螺旋桨；趴在船上，用手向后划水；在水中边游边推；让船漏水，把水舀起来向后泼；用手拨水，利用水波把船向前推；用橡皮筋给螺旋浆上劲，然后放开让螺旋桨转；把船上的东西一件一件向一个方向投出去，船会向相反的方向运动。
教师可以把学生分成小组，让各组进行讨论，尽可能多地列举驱动船只前进的办法。可以采用合作学习的方式，请各组按照顺序轮流说一种方法。教师将其列在黑板上，不能提出更新答案的小组出局，看哪一组能留到最后。
教师将驱动方式进行分类，如按照做功的方式可以分成直接做功类、反作用力类和冲量转化类，并解释这三类驱动方式。可以向学生出示一系列图片（见图1），请学生识别并归类。
2.宣布任务及评价量规（10分钟）
【宣布任务】各组自选材料，制作一个使用5V电机驱动的小船，达到向前行驶的最低要求。宣布任务后，呈现评价量规（见表1）。
3.信息收集（课余时间完成）
在信息收集阶段，教师应组织学生对现实中船只的功能、结构特点、船体、使用方式、行驶区域等信息进行收集。教师要鼓励学生运用各种信息收集手段收集信息，也可以提供船只分类的资料库供学生参考。
（1）按照船只使用的水域进行分类（远海、近海、内陆河等）；
（2）按照船只用途进行分类（运输、战斗、科探等）；
（3）按照船只运载物品类型进行分类（人、普通货物、特种品、危险品等）；
（4）按照船只能量来源进行分类（核能、水蒸气、电能、非机动等）；
（5）请设想你的分类方式，并按照这个思路进行具体调研。
各组调查后要提交详细的调研报告，作为汇报展示的一部分。
4.头脑风暴和设计方案（40分钟）
各组进行头脑风暴，决定要制作的船只、驱动方式、功能实现方式，并制作设计图纸。这一阶段，教师应对学生进行指导，帮助学生完善设计方案、评估可行性和制作难度，以及解决结构设计、电子设计、驱动和控制设计方案的问题。图2展示的是一些基础的设计方案。
如果学生采用了桨直接入水的驱动方式，怎样设计传动结构才能让桨入水的同时马达不进水，是一个设计上的难点。常见的解决方案有两种，一是采用连杆斜插入水的形式，保证马达吃水线以上，但这样会降低小船驱动效率；二是采用皮带或齿轮等传动方式，改变动力方向（见图3）。
船体可以使用泡沫塑料或者饮料瓶进行制作（见图4）。建议开设了创客课程、有创客实验室的学校结合创客类课程来完成本课程任务。特别是在驱动部分的设计上，可以结合附件1和附件2所述的明轮船和螺旋桨船的知识，使用3D打印机完成螺旋桨部分结构的设计和制作。没有条件的话，可以将塑料片制成合适的形状，按照一定的角度粘在轴上。
5.制造（40分钟）
各组按照设计方案进行制造。
6.展示汇报（30分钟）
展示汇报包括书面口头展示和实地实验两部分。给各组至少10分钟的展示时间，详细介绍各阶段工作和调研情况，展示船只设计思路、制作过程和船只功能。实地实验时，可以寻找一个湖面或者水池，测试记录船只行驶的速度和稳定性。
附件1：明轮船
明轮船的命名是根据船舶的推进方式而产生。总的来说，在过去，明轮船可以用于战争船舰、商业贸易、客货运输等众多方面。现在，明轮船主要用于商业旅游与历史展览等。根据布置位置，明轮分为舷侧明轮和船尾明轮（见图5）。
明轮是一种局部入水的推进器，装在明轮周围的用来向后划水的叫蹼板。划水产生的反作用力通过转轴作用到船体上，推动舰船前进。根据蹼板在明轮上的安装形式，分为“定蹼式明轮”和“动蹼式明轮”（见图6）。前者构造简单，但效率太低，后者效率较好。
明轮船是靠蒸汽机带动明轮，使桨轮转动，桨轮上叶片拨水，推动船舶前进。相对于后续发展的船舶，它结构笨重、效率低，而且明轮的叶片使用时易损坏。当它在码头上停靠时，与两旁的轮船很容易发生碰撞，既影响自己的安全行驶，也存在着擦伤别的轮船的可能性。另外，如果水草一类的缠绕物绞住明轮的叶片或轴，明轮就有失去转动的可能。正是明轮推进器的缺点，到了19世纪60年代，明轮船被使用螺旋桨的先进蒸汽船淘汰。
附件2：螺旋桨船
螺旋桨船改变了船只由明轮推进的形式，而用螺旋桨代替。经过发展，螺旋桨推进效率越来越高，成为现代船舶的主要推进工具。螺旋桨的分类方式大致有以下几种：按照桨叶数量，螺旋桨有2、3或4个桨叶，甚至更多，一般桨叶数目越多，吸收功率越大；按照构造不同，螺旋桨分为定（桨）距、变距螺旋桨、导管螺旋桨、串列螺旋桨、对转螺旋桨、直叶推进器等；根据船舶安装螺旋桨个数的多少，可以分为单螺旋桨船、双螺旋桨船、三螺旋桨船（见图7），甚至四螺旋桨船。
19世纪60年代以来，船舶趋于大型化，使用大功率的主机后，螺旋桨激振造成的船尾振动、结构损坏、噪声、剥蚀等问题引起各国的重视。螺旋桨激振的根本原因在于螺旋桨叶负荷加重，在船后不均匀尾流中工作时容易产生局部的不稳定空泡，从而导致螺旋桨作用于船体的压力、振幅和相位都不断变化。因此，现代船用螺旋桨设计的关键问题是吸收最小的能量，提供最大的效率，减小船体振动和避免产生不利的空泡……现在，螺旋桨船的发展前景依然很光明。
（责任编辑 张慧籽）