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[教师也创客]把嫦娥四号改编成科技活动
发布时间:2019-2-23  文章来源:本站原创  网络编辑:admin(管理员)  浏览次数:1088

玉兔二号模型(图片来源:科技学堂) 

嫦娥四号

嫦娥四号的成功发射和着陆吸引了全世界科技爱好者的目光,是2019年开年的一件科技盛事。同时,嫦娥四号的话题性和前沿性也是很好的科技教育主题。我们可以从网络、报纸、电视、杂志等渠道获取到不胜其数的评论和分析材料,足以支持我们把它开展成创客教育或STEM教育活动。但我们首先需要找到一个合适的切入点,才能设计出具有针对性的课程。

我们可以从多个角度思考嫦娥四号与科技教育的关系。火箭起飞前,我们可以用合适的材料设计运载火箭模型(例如《飞行器》课程);飞往月球时,我们可以用创意编程模拟设计地月转移轨道;着陆时,我们可以设计软着陆的方案;着陆后,我们可以设计在月球上行走的模型,或者做出模拟科研仪器工作的智能设计。

科技学堂选取了玉兔二号的行走装置作为主题,设计了科技教育活动。通过积木,搭建出玉兔二号的行走模型,这是一项把前沿科技和科技教育结合起来的活动,在活动中,学生能够认识玉兔二号和月球环境的特点,培养他们的工程思维和国家认同感。

课程通过中国探月工程的科研进展引入,通过大量案例认识人类对月球探索的历史,让学生对科学家刻苦钻研、百折不挠的精神产生出油然而生的敬意,激发起学生对课程学习的兴趣。在完成对人类宏大的探月史的叙述后,我们需要聚焦活动主题,探讨“什么样的轮子适合月球行走”。

对于提出的问题,我们需要有明确的定义,才能让学生正确设计出“适合”行走的作品。在这个阶段,我们通过视频、图片、软件等方法让学生认识月球的真实环境和地球有什么不同。同时,我们还要充分考虑工程的限制条件,例如体积、重量等。

在科研中,设计合理的巡视器行走机构是一项极具挑战性的系统工程,课程中学生可能会说出许多真实而重要的约束条件,但作为科技教育,很多条件是我们无法(或不方便)在课堂中模拟出来的,我们需要对这些约束条件进行简化,只聚焦可用积木实现的几个具体条件。

为了防止学生的目光只局限于玉兔二号的行走机械结构,科技教师可以准备如苏联的月面步行者、美国阿波罗系列的月面考察漫游车(LRV),火星探索的旅居者号、机遇号、好奇号等具有行走机构探测器的图片或模型,甚至还可以准备一些坦克、越野车的图片和模型,通过分析这些行走装置的结构特点,让学生认识到各种方法都有优劣性,没有哪一种办法能应对所有工程任务,所以工程师应该针对具体的工程任务设计出合适的方案。

在明确了工程任务之后,着手设计之前,我们需要和学生一起讨论设计的检验标准。复杂一些的,我们可以通过沙盘等制作模拟月球表面环境,简单一些的,我们可以用积木搭建若干障碍,如果在规定条件下通过障碍测试了,就认为检验成功。检验标准合理与否取决于教师和学生对约束条件的理解。

接下来是设计和检验环节,通过前面内容的铺垫,学生已经对工程任务形成了初步的理解。在这一步,学生需要设计出自己的工程模型并通过检验,加深对工程问题的理解。

在这个例子中,我们以玉兔二号为原型设计了六轮悬挂摇臂的行走机构,这个机构有轮子和腿的特点,能够像轮子一样高效地前进,也能像腿一样跨越障碍物。当然,学生还可以根据其他原型,甚至设计出想象中的模型,只要符合检验标准,我们都应该认为是合理的。

最后是交流分享环节。完成测试任务后,学生们通过交流分享,学会客观地评价其他人的设计,认识到工程设计的答案不止一个,只有最合适的,没有最好的。

洞察号火星探测器

把前沿科技和科技教育结合起来,是一种话题性强、时代性鲜明、学习积极性高的教育方法。在这方面,美国国家航空航天局(NASA)有很多经验值得我们借鉴。

举一个例子。2018年11月27日,NASA发射的洞察号火星探测器成功着陆火星表面,洞察号携带的热流物理性质探测器(HP3)将帮助我们更深入地认识火星内部能量。同一天,美国宇航局喷气推进实验室发布了以洞察号为主题的教学指导方案。 

热流物理性质探测器方案(图片来源:jpl.nasa.gov)

从技术层面上看,这是一个简化版的热流物理性质探测器,它由Arduino(或其他主控板)、温度传感器和输出设备制成,并用射灯模拟火星的光照或地热,将温度传感器插入土壤中,学生通过输出设备监测土壤的温度变化并计算热量的变化速率——这正是洞察号的热流物理性质探测器所做的事。

在教学层面,它与美国《新一代科学教育标准》和《州共同核心标准》的相关内容联系紧密,教案还对教师提供了一些具体的教学建议,帮助科技教师更好地开展课程。


基布尔天平

也许热流物理性质探测器还算比较容易被教师和学生理解的科研设备,而对于一些更抽象的科学概念和科学实验,科研人员可以通过视频等方式提供更直接的技术指导,帮助科技教师将前沿科技融入科技教育,我们用另一个例子说明问题。

2018年11月16日,第26届国际计量大会在法国举行,本届大会将国际单位制中的千克进行重新定义,使用了100多年的国际千克原器正式退休,而改用普朗克单位重新定义千克。从此,质量能够与时间、长度等其他国际单位制联系起来。这项决定也受到了全世界科技媒体的广泛关注。

但对于科技教师而言,这项新闻似乎“过于遥远”。然而,美国国家标准技术研究院(NIST,参与标准制定的组织之一)却设计出以此为主题的科技教育活动。

活动的切入点是制定标准的关键仪器——基布尔天平。基布尔天平是一种庞大而昂贵的尖端科研仪器,能够进行超高精度的质量测量,而NIST根据基布尔天平的原理,用乐高积木搭建能够真正用于测量的基布尔天平,并设计成课堂科学项目。

乐高基布尔天平(图片来源:science news for students)

为了让更多学生认识和了解为什么国际计量大会要重新定义千克的含义,NIST还专门制作了一个生动有趣的视频,视频中2位青少年用幽默的语言讲解乐高搭建基布尔天平的原理,即使教师不准备真正搭建出基布尔天平,也能从视频中学习基布尔天平的原理。

通过上面几个例子,我们希望能为各位科技教师设计相关课程带来一些有益的启示。

(内容来源:中国教育科技)





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