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[追踪]第一届全国科创项目式学习方案征集活动案例:设计思维指导下的项目化课程设计——热风帆船设计与制作

文_杜道都/台州市科技馆

2023-04/总第325期

阅读数7

以学生熟悉的帆船形象导入,直观感受帆船造型美和其中蕴含的工程原理,激发学生制作模型的兴趣和对帆船设计的思考。本项目基于设计思维特征开展课程设计,以“热风帆船的设计与制作”为主题,通过提出问题、集思广益、设计方案、制作调试、探究实验、演进发展6个步骤,进行教学活动。在过程中引领学生感受精心设计、精工制作的乐趣,在调试中引导其主动发现问题并运用创新性思维解决问题,发展其思维能力,并理解工程设计与技术研发的重重困难。最后通过溯源材料发展史,引领学生领略科学家风范,感悟科学家精神,感受增材制造新技术的魅力,增强对祖国现代科技水平的自豪感。 

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图1 帆船结构


项目分析

本次活动贯彻设计思维的理念,将复杂的设计问题解构成学生易懂的几个步骤,用模型迭代设计法将学生在整个学习过程中的创新性想法具象化,并在迭代升级过程中充分发挥学生的创造力和想象力。鼓励学生积极交流和讨论,增强表达能力和分析能力;引导学生通过实验探究提升发现问题和解决问题的能力;引领学生在关注科技发展中收获新知识、新思想,领略科学家风范、感悟科学家精神。

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图2 天像导航——卫温访台


项目适用年级

本项目适用于小学5年级以上学段,适用于课堂或课外活动等场景。


项目实施

阶段1:认识帆船 

以悉尼歌剧院等帆船形象建筑为导入,引出“帆船”话题,学生通过阅读资料了解中国四大名船,小组讨论归纳帆船的结构和动力来源,以此引起学生的好奇心,激发学生的探索欲望,引导学生自主探究帆船的结构、功能、动力系统。体验展品“卫温访台”感知风对帆船航行的影响,再通过模拟实验,观察蜡烛产生热空气让风轮转动起来,结合生活实例归纳风形成的原因。引导学生探索孔明灯升空的奥秘,思考利用热风推动帆船前进的可能性。

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图3 热风帆船模型

阶段2:热风帆船的设计与制作

通过设计研讨会和展品体验完成前期调研, 组织学生对热风帆船构造、作用及设计进行头脑风暴。教师指导学生解构帆船模型并绘制平面设计图,让学生深入理解平面图与立体模型的转化关系,鼓励学生自主完成设计方案和模型。通过视频并按照图纸裁剪实物,利用“下、侧、翻、调”四步法弯折出帆和舵,指导学生完成帆船制作,进行3轮竞速赛。以赛代评完成帆船的调试和评估,观察实验现象,对比分析结构对帆船行进的影响,为探究改进帆船提供研究方向。

阶段3:探究帆船前行方向与速度的影响因素

通过比赛中帆船的实际试航,发现帆船设计缺陷并针对缺陷提出假设,设计实验方案,分析实验结果,探究帆的大小、角度与帆船前进速度的关系。根据实验结果验证假设,改进帆船结构并调整实验方案,反复测试帆船性能,优化设计。通过一系列探究过程,培养学生推测、设计与验证,以及改进设计方案等能力,发展科学思维,体验技术研发过程。最后,学习“蛟龙号”总设计师徐芑南的故事,体会科技工作者研发之路的艰辛,感悟科学家精神。同时,组织学生分享设计过程中的所学所得,启迪学生延伸思考成为一名工程设计师需要具备的素养。

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图4 帆船设计图

阶段4: 新材料、新技术、新设计

材料是人类社会发展的物质基础,也是人类社会文明的重要标志,学生通过阅读“材料时代”文本(摘自《迷人的材料》),了解帆船发展历程中出现的新技术与新材料,理解材料对人类文明进步的重大意义:文明时代就是材料时代。然后通过视频了解3D打印技术,利用韦恩图比较3D打印技术与传统制作技术的区别,学会3D建模设计并制作帆船模型,体验增材制造技术带来的新变革,从而实现从帆船的角度领悟工业设计的核心是对材料与技术的认知、改造和创新。


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