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工程教育模式下的创客课程设计

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摘要:深圳某学校航空特色创客项目,拟采用CDIO工程教育模式,根据不同年级中小学生的特点,递进式地开展项目研究,达成“小小飞机设计师”的培养目标。

关键词:创客教育;航空;工程教育模式

引言

教育需要适应社会的发展。国家的“双创”战略旨在培养创新的产业力量,而学校的“创客教育”也是这一战略中的重要组成部分。创客教育以培养未来创客为目标,基于学生的自身兴趣,以项目学习的方式,来培养学生跨学科解决问题的能力、团队协作能力与创新能力。对学生而言,融合了科学研究、技术制作、艺术创作全过程的创客教育,是能够带来完整思维链条的教育形式,也是一种独特而务实的创新人才培养系统。CDIO是本世纪初由麻省理工学院首先发展起来的一种工程教育模式,其含义为构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)、运作(Operate)四个英文单词的缩写,“构思”指明确客户的需求,考虑技术、企业战略与制度等因素,不断改进概念、技术与商业计划;“设计”指制订开发的产品系统所需的各种计划、图纸与算法;“实施”指把设计转变为产品的过程,包括硬件制造、软件编程、测试、检查与验证;“运行”指对产品系统的维护、优化与淘汰等。CDIO模式以产品、生产流程与系统从研发到运行的生命周期为载体,通过系统的产品设计培养学生专业技术知识、个人能力、职业能力、团队协作交流能力,培养在企业与社会环境下对产品系统进行构思、设计、实施、运行的综合能力。深圳某学校的航空特色创客项目拟采用CDIO工程教育模式开展项目研究。以模型飞机为载体,以创意为前提,以改进为衔接,循环递进,达成“小小飞机设计师”的培养目标(见图1)。

1课程总体设计

飞行是人类永恒的梦想,在不同的历史时期,不同年龄段的人都表达了对飞行的追求。航空文化的本质是创新文化与探索文化,飞机则承载着工业时代的重要文化特征。现代飞机设计与制造是一个系统工程,涉及机械、电子、化工、材料、软件等各个学科领域。通过缩微版的飞机设计、制造及试验试飞的全过程,能够学习航空知识,锻炼工程动手能力,更能学习到科研的方法论,体会到航空的精细设计、悉心制作、协同劳动及严苛管理的过程。本项目的课程以工程教育先进模式CDIO为指导,并结合我国《义务教育小学科学课程标准》《义务教育初中科学课程标准》中技术与工程相关内容,将学生的学习时间划分为小学、初中、高中年级三个学段,不同年级的孩子可以尝试完成全流程的模型飞机设计过程。同时,课程设计中的小学、初中、高中三个阶段从知识点、技能以及理解接受力相互连贯,充分体现了STEAM的思想。小学每学期设计了4~5个项目;初中设计2~3个项目;高中设计1个项目。项目衔接了中学教育到大学教育阶段的过渡,强大的导师支援团队以航空专家为依托,提供技术支持。学生在夏令营活动时可以实地考察飞机相关试验,包括大型的风洞试验以及相关的试飞活动,获得真实感受。航空相关项目将组织学生参加全国航空学会、相关航空单位的比赛活动,获奖学生可获后期优先权。按照CDIO的模式,本项目在创客课程中增加了科学、技术、数学以及人文因素,按照工业化的思路及系统的方法进行课程设计:(1)各年级每学期完成一款至多款飞机。四到六年级完成纸飞机模型;软陶飞机模型制作;KT板飞机模型;橡筋动力模型;手抛机模型;木鸟滑翔机模型;莱特兄弟纸木模型。七到八年级完成昆虫动力模型;飞鱼模型;焊接飞机模型;弹射架飞机模型;叶雕飞机;绘制航空画;电容遥控飞机。十到十一年级完成电动遥控飞机;远古飞行器反设计;像真机;轻木飞机结构设计;多旋翼无人机设计;新型飞机设计;地面飞行模拟驾驶。(2)任何一款飞机模型的制作都需要经历五个阶段,即创意、设计、制造、试验与优化。创意阶段需要自己查找资料,可以从古老的飞行器(玛雅、古埃及等);中国另类四大发明(纸鸢、竹蜻蜓、孔明灯、火箭);自然界鸟类飞行、昆虫飞行;莱特兄弟、一战飞机、二战飞机、军机、客机;现代军机、无人机的发展沿革中找到灵感,找到原型机或改进型,这会用到许多图库与原型机资料。设计阶段则是将思路变成图纸的过程,可用模板、手绘以及不同的3D软件。制造阶段可以通过手工、或3D打印或激光方式进行切割;可进行风洞试验,运用数字软件或试飞验证。最后进行性能指标优化(飞行距离、滞空时间);满足某一需求的设计改进;新能源及新材料的应用;飞机的微型化设计。(3)不同年龄段的学生,都需要循序渐进地学习航空知识、航空技术,并在创意激发的过程中系统掌握工程中各种技能。(4)每个阶段只需要一个老师,或者一个老师负责几个阶段。

2航空科技知识配套设计

针对小学、初中、高中三个学习阶段,本项目对相应的配套航空科技知识进行了配套设计,这些课程以及航空知识点循序渐进地设计进了不同年级学生的项目中,共分为六个部分:(1)真实童话———航空故事集锦。从飞天神话到莱特兄弟,从水上飞机到航空母舰、最快的飞机、航程最远的飞机等28个故事,让小学生从故事中学习到航空知识。(2)炫酷机器———航空知识入门。讲述飞机的结构、种类与用途,穿插一些鲜为人知的历史故事,让小学生能感受到航空器种类的繁多以及对人类生活的巨大改变。(3)飞翔奥秘———航空百科问答。飞机有倒挡吗?飞机在天上飞是如何知道方向的?是起飞危险还是降落危险?飞行员叔叔要经历那些体能训练?飞机上的电从那里来的?许多航空问题,在这里为学生一一解答。(4)放飞梦想———制作航空模型。系统全面地告诉学生如何制作航空模型,从纸飞机到遥控固定翼飞机,以及各类模型的竞赛规则。飞机模型是走向航空科技大门的敲门砖,只有亲身参与才能体会到飞行的奥妙与无穷乐趣。(5)探索蓝天———航空技术基础。介绍伯努利定理、风洞及风洞试验、各类飞行仪表及工作原理、飞机的各大系统等一些基础技术知识。飞机是综合的系统工程,需要方方面面的协作才能成功。(6)驾驭神鹰———飞机技术基础。讲解与飞机驾驶相关的内容,包括航空气象、地面设施与空中交通管理系统、航空生理及航空心理、地面模拟飞行与飞行体验等。

3航空模型制作实践课程设计

根据不同年龄段学生的特点,小学以纸、KT板为主,动力为手掷或橡筋;初中以木制、金属焊接、3D打印为主,动力为电容/锂电池、昆虫;高中以遥控飞机模型及反设计为主。根据学生不同的年龄段递次开展知识学习和技能提升(见表1)。在理论与实践课程以外,学生还能够在假期利用一个特定的时间参与仿古飞行器设计、深圳号无人机设计、未来航天器设计、场景模型设计、复合材料设计制作、飞行模拟器动感座椅设计、微型涡喷发动机设计以及莱特兄弟风洞设计等方向的研究,以更好地提升科技素养与能力。参与本项目培育的学生,在“创新杯”全国未来飞行器设计大赛(中国航空学会)、“飞航杯”全国未来飞行器设计大赛(中国宇航学会)、其他设计院所、航空企业主办的设计大赛等全国性赛事,以及外观设计与发明专利申请、航空院校自主招生、私人飞机驾照的获取等方面,都将有所收获。

4结语

创客教育课程通过有针对性的理论与实践课程,能够将学生培养成为富有创造力的“创客”,而将CDIO工程教育模式的构思、设计、实施、运作等流程融入创客教育,通过航空模型科研模式中的创意、设计、制造、试验及优化等阶段渐次提升,也能够帮助学生在接受培育期间,清楚地了解到工程项目的研究方法,在知识与技能、过程与方法及情感态度与价值观等方面都得到锻炼和提升,有助于青少年学生未来成为有创造力的人才。

参考文献

[1]沈海军,孙延波,李汉东.微小飞机设计与制作渐进教程[M]北京:北京航空航天大学出版社,2019.

[2]贾玉红,马文来.青少年航空教育系列图书[M]北京:北京航空航天大学出版社,2014.

[3]王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考[J].中国高教研究,2009(5):86-87.

作者:李汉东 罗灿 钱学文 单位:深圳市博尔创意文化发展有限公司

工程教育模式下的创客课程设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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