基于吸管结构的创意航天器模型设计与搭建

胡静

项目背景

航天知识在普通高中物理、地理、通用技术等学科中均有出现，比如《物理》必修2 中的“万有引力与航天”模块，《地理》必修1“宇宙中的地球”模块研究探讨的是“火星基地应该是什么样子”，《数学》的圆锥曲线部分也多次提到了航天器轨道。但是，由于航天科技涉及很多交叉学科，综合性强、难度大，且受限于师资、资源等条件，中小学课程中与之相关的教学内容较少，主要以科普讲座形式出现，形式单调，难以激发学生的兴趣，偶见的探究性课程又因为航天领域的主题离学生生活和学习很远，同时缺乏在地球环境中验证某个问题解决方案的可行性[1]，导致课题难度过大，很难持续深入开展。针对上述问题和现状，本项目设计开发了基于吸管结构的创意航天器模型设计与搭建，以项目式课程形式开展，以航天知识为背景，以模型设计制作为载体，采用任务驱动方式激发学生兴趣，难度适中，较为适合在中小学开展。

项目简介

本项目带领学生走进航天世界，利用吸管及其连接件完成创意航天模型的结构设计与制作，然后利用Mixly 图形化编程软件实现对Arduino 开发板的控制，完成创意航天器电子功能部分的设计制作。

项目活动设计

任务 1. 航天基础知识调研与学习

航天基础知识学习

学生在学校航天实验室或教室学习、了解航天基本概念、航天器的分类、功能等知识，或者通过参观航天科技馆等场所开展实践学习，并将学习到的知识整理成PPT 或word 文档上交。

航天器草图绘制

学生分组并进行组内分工，调研感兴趣的航天器，比如卫星、导弹、火箭、飞船、深空探测器等，重点了解该航天器的结构组成和工作原理，并在此基础上绘制航天器草图，可以选择已有航天器，也可以自行设计创意航天器。要求：详细绘制出航天器的主要部件，并注明各部件的尺寸和作用，可以手绘，也可用电脑绘制。

任务 2.航天器结构搭建与创意设计

学习航天器结构设计方法

学生通过阅读相关书籍或在网络上查找资料，学习、了解航天器结构设计的基本方法，查找收集航天器图片，重点观察航天器的外形结构；熟悉吸管及其连接件，学习利用吸管及其连接件完成结构搭建，尝试利用吸管完成立方体、锥体、简易火箭模型等的搭建。

分组设计并完成吸管创意航天器结构的设计与搭建

学生按照前期设计绘制的航天器草图，完成吸管创意航天器结构的搭建。要求：尽量还原航天器的真实外形与主要结构部件，可尝试利用锡纸、超轻黏土等材料制作并体现航天器的细节部分，包括航天器有效载荷的实现等。

任务 3.创意航天器电子功能部分的设计制作与调试

学习利用 Mixly 编程软件实现对 Arduino 开发板的控制

学生学习Arduino Uno 开发板的基础知识， 包括开发板基本构成、硬件配置、引脚介绍等，学习如何将Arduino 开发板与电脑连接，并进行程序下载和数据通讯；了解简单电子元器件，比如LED 灯、电阻、杜邦线、面包板等，学习电子电路的基本连接方法；了解Mixly 编程界面及Mixly 各模块的使用方法，初步利用Mixly 图形化编程软件完成创意LED 灯实验。

利用 Arduino板设计并实现航天器的功能

学生根据任务1 中绘制的航天器草图，分析其应具备的基本功能，并拟定小组计划实现的功能；根据计划实现的功能，学习相关电子元器件的功能与使用方法，比如温湿度传感器、太阳能电池、火警传感器、光敏传感器、蜂鸣器、显示屏、超声波传感器、红外传感器、舵机等；利用Arduino 板设计并实现航天器的功能，比如环境温湿度的显示、太阳能电池电量的显示、火警报警功能、LED 灯自动照明功能等；学生将电子元器件及Arduino 控制板，通过合理的布局安放在任务2中完成的吸管航天器模型上，并对航天器模型进行美化处理。

任务 4. 展示、分享与交流

撰写项目报告

学生将整个制作过程与收获整理成项目报告，要求图文并茂，文字表达清楚，内容翔实，包含基础知识介绍、制作过程的文字和图片、活动收获及感想等。

展示、分享、交流、评价

学生以小组为单位展示航天器作品、创意设计理念、制作过程中遇到的问题及收获感受，教师进行点评。本项目采用过程性评价和终结性评价相结合的方式，注重多元评价、过程性评价，便于师生在评价过程中发现不足，及时调整提升。评价参照表1 内容进行。

项目特色

取材简单，适用范围广

本项目经过简单改造可面向不同层次的学生开展，满足更多学生学习航天知识、了解航天科技的需求；课程内容设计合理、取材简单，普通学校实验室即可开展，易实施，可推广。

跨学科，综合性、实践性强

本项目融合了物理、电子、计算机编程等多学科知识与技能，还包含卫星总体设计、载荷设计等专业航天知识，以项目式任务驱动的方式开展，易于激起学生的兴趣和自主學习能动性。

自主性、开放性、发展性强

本项目将航天器设计与电子编程相结合，充分发挥学生的想象力，挖掘学生的创意设计能力，学生可根据自身水平进一步拓展项目的研究深度，开放性、发展性强，使学生在不断接受新知识的同时，培养学习积极性，提升主观能动性，便于在潜移默化中将科学研究的一般思路转化为学习思路。

使用建议

项目适用范围广、开放性强，根据使用对象的层次进行适当调整后，面向小学、初中、高中学生均可开展。面向小学生时，可以航天基础知识和吸管模型制作为主；面向初、高中生时，可按照项目流程完整开展。教师应注意引导学生自主思考，通过做中学、学中做，实现知识到思维的转化，帮助学生建立航天工程实践意识和系统思维，提高学生对航天科技的兴趣。

参考文献

[1] 唐香维，温明男. 航天类 STEM 课程教学设计——以“机械臂捕获失效卫星”为例[J]. 中国科技教育，2021（7）：13-17.