资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题
第二章 科技人文融合创新专题实践
第三节 航空器
教学设计
教学背景
习近平总书记在全国教育大会上强调，要在党的坚强领导下，全面贯彻党的教育方针，坚持马克思主义指导地位，坚持中国特色社会主义教育发展道路，坚持社会主义办学方向，立足基本国情，遵循教育规律，坚持改革创新，以凝聚人心、完善人格、开发人力、培育人才、造福人民为工作目标，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解常见航空器的种类及发展历程，理解航空器中包含的科技人文融合创新要素。
2.理解空气动力学原理。
3.了解无人机的工作原理及制作要求。
4.设计并制作一个航空模型。了解航空飞行器的原理，及其蕴含的科技人文融合创新的科学、技术、工程、数学等要素。
教学内容分析:
以《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《标准》）为依据，以全面贯彻落实《标准》所倡导的以提高学生的技术素养和创新能力为目标。本模块的核心价值在于多学科知识的综合运用，科技人文融合创新项目的实施以兴趣、问题、活动等为中心，充分结合科学、技术、工程、艺术、数学、社会等学科知识，适当利用信息技术，注意在教学中融入爱国主义教育和革命传统教育，注意与中华优秀传统文化相结合。
学情分析:
学生对通用技术的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关通用技术的知识。
通过本模块的学习，同学们能理解科学、技术、工程、艺术、数学、社会等各学科之间的紧密联系和科技人文融合创新的重要性；初步掌握相关科学原理及其应用、数学知识及其应用、材料及其加工、模型制作及其工艺等基本知识与基本技能，初步形成在具体领域中运用结构与功能、权衡与优化、设计与创新等技术思想与方法的能力，提高设计创新能力；弘扬劳动精神和创新精神；形成系统思维与工程思维，培养团队意识和合作能力，树立投身我国科技创新以及中华民族伟大复兴事业的人生理想。
教学重难点:
了解常见航空器的种类及发展历程，理解航空器中包含的科技人文融合创新要素。
理解空气动力学原理。
了解无人机的工作原理及制作要求。
设计并制作一个航空模型。了解航空飞行器的原理，及其蕴含的科技人文融合创新的科学、技术、工程、数学等要素。
教学策略:
以案例或项目引入，介绍从事科技人文融合创新项目活动的基础条件，工具、材料、图样、工艺、技术参数等技术要素，以及性能需求、生命周期、标杆分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合创新项目活动中的独特作用。以技术与工程问题为牵引，以项目实践为指引，通过设计多种专题实践项目，让同学们经历科技人文融合创新项目活动的全过程。通过这些实践活动，同学们可了解技术与工程项目所蕴含的科学、技术、工程、艺术、数学、社会等因素，并能通过比较、权衡等方法剖析这些因素间的制约关系和通约特性。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题　第二章 科技人文融合创新专题实践　第三节 航空器。
科技人文融合创新项目以活动为牵引，提出并明确需解决的技术与工程问题，提取和分析其中蕴含的科学与数学原理；设计和选用适当工具来收集、记录、分析信息与数据；应用科学、技术、工程和数学知识与方法，系统考虑艺术、社会因素，提出解决问题的综合方案；制作并使用工程模型进行测试、生成数据，解释和预测现象；依据科学证据、技术试验结论，完善解决方案；以科学观点、经验证据、逻辑论证的相关因素，比较和评估同一问题的不同技术解决方案。
桥梁、交通工具、航空器、医疗器械、矿山工程是当今社会生活的重要领域，这些领域里的技术与工程活动，需要跨学科的视野，需要系统的方法论和工程思维，需要综合运用科学、技术、工程、艺术、数学和社会等学科的知识、方法和基本技能。通过典型科技人文融合创新项目的案例分析和团队合作实践，促进团队成员对结构设计、电子控制、编程等技术的掌握及工程实施能力的提高，提升参与社会创新活动的能力。
一、飞行器的发展史
1．认识飞行器
飞行器（flight vehicle）是由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械飞行物。在大气层内飞行的称为航空器，在太空飞行的称为航天器。
飞行器分为五类：航空器、航天器、火箭、导弹和制导武器。
其中航空器包括气球、滑翔机、飞艇、飞机（图2-32）（参见教材P52）、直升机等。
它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。航空器的分类见图2-33（参见教材P52）。
航天器（图2-34）（参见教材P53）包括人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空，然后在引力作用下完成轨道运动。
如今，我国的神舟飞船，载人航天事业成果辉煌——我国是世界上第三个把航天员送入太空的国家，天舟货运飞船为太空站顺利完成任务提供补给，天宫二号空间实验室完成了太空试验，嫦娥工程把飞船发射到月球，等等。
2. 人类飞天梦
人类很早就有像鸟类一样在空中飞行的梦想。在古代，人们就发明了很多飞行器（图2-35）（参见教材P53），如中国自古有孔明灯和风筝传承至今，古希腊有阿尔希塔斯所制造的机械鸽。明朝的万户飞行器也是值得称赞的，它的设计是将几十支火药火箭绑在椅子上，手拿风筝进行飞行的飞行器。世界上最早的飞行器是我国发明的风筝。15世纪，意大利的达·芬奇也曾在草图上设计过飞行器。
1903年12月17日，美国莱特兄弟利用自行设计制作的飞机（图2-36）（参见教材P54），实现人类第一次持续性的、有动力、可操控的飞行，诞生了现代航空器。
3. 航空器的发展
航空器的应用非常广泛，可用于客运、货运、军事，以及农业、渔业、林业、气象、探矿、空中测量和空中摄影等方面。
◆固定翼飞机的发展
20世纪以前，气球飞行成功，飞艇的兴盛与衰退，飞机处于探索时期。
20世纪40年代前，飞机首次试飞成功，第一次世界大战及第二次世界大战军用飞机大量使用，建立民用航空，处于活塞发动机飞机时代。
20世纪40年代至今，首架喷气式飞机诞生，喷气式飞机普遍用于军事、民用，处于喷气式飞机时代。
我国C919大型喷气式客机（图2-37）（参见教材P54），是中国首款按照国际适航标准研制的大型客机，具有自主知识产权，目前已经取得型号合格证和适航证，开设参与世界民航市场的竞争。国产大飞机C919是从“中国制造”到“中国创造”的代表性成果，也是新时代十年我国取得的伟大成就，对增强我国经济实力、科技实力、民族凝聚力、国际影响力具有十分重要的意义。
◆直升机的发展
人类梦想的飞行方式是原地腾空而起，既能自由飞翔又能悬停于空中，并且随意实现定点着陆。但由于直升机技术的复杂性和发动机性能不佳，它的成功飞行比飞机迟了30多年。
20世纪初为直升机发展的探索期，多种试验性机型相继问世。20世纪30年代末，第二次世界大战促使直升机发展，由探索期进入实用期，直升机开始投入生产。20世纪的后半期，直升机应用领域不断扩展，生产数量迅速增加。
◆滑翔机的发展
滑翔机的出现要早于飞机，为飞机的成功研制提供了必要的技术储备。
◆四轴飞行器的发展
四轴飞行器是微型飞行器的一种，也称无人机。最初是由航空模型爱好者自发制作，香港科技大学的汪滔自主研发了飞行控制器后，使得无人机实现了智能化和便利操控，成为向大众普及的技术及娱乐产品；汪滔的无人机走向了世界，成为全球畅销的中国技术产品。无人机现正广泛应用于航拍、监控、救援、植物保护，也用于娱乐、快递等行业。
思考
（1）你认为无人机在军事和国民经济建设中有哪些用途？
（2）从对社会产生更大价值方面考虑，无人机还可进行哪些功能改进？
二、航空器的飞行原理
案例
设计并制作竹蜻蜓。分别制作两个不同翼型曲面的竹蜻蜓（即两个不同的翼型弯曲度或弯曲弧面；也可以一个是平面翼型，一个是弯曲弧面翼型）（图2-38）（参见教材P55）。然后，用同样的力旋转竹蜻蜓，观察两个不同翼型的竹蜻蜓的飞行情况、升力大小。
思考
（1）为什么两个不同翼型曲面的竹蜻蜓升力会不一样？
（2）竹蜻蜓的升力大小与什么有关？
（一）伯努利原理
流速越快，流体产生的压强就越小（图2-39）（参见教材P56）。
（二）航空器升空原理
1. 固定翼飞行原理
在飞机的机翼上方空气流速较快，空气对飞机向下的压强P2 较小，压力也较小；在飞机的机翼下方空气流速较慢，空气对飞机向上的压强P1 较大，压力也较大。
飞机就是靠空气对飞机机翼向上和向下的压力差升空的（图2-40）（参见教材P56）。
飞机的机翼通过前端上表面凸起和后端的缩窄来分流空气，使机翼上表面空气流速高于机翼下表面空气流速而产生压强差（图2-41）（参见教材P56）。
2. 航空器飞行原理
◆空气中运动的物体
当空气和物体迎面相对时，该物体四周的气流形态取决于物体本身的形态和流动速度，一道稳定的气流可汇成一组连续、流畅、几乎平行的线条，这种线条称为流线。因此，人们称某些物体呈现流线型即表明它的形状可以使周围的空气很平滑地流过（图2-42）（参见教材P57）。
◆空气动力学的应用
空气动力学在飞行器设计上的实际应用（图2-43）（参见教材P57），其主要研究空气动力的两个分力（升力和阻力）及其受到的影响。
物体在空气中运动的线路称作相对风。气体动力在相对风的方向垂直产生的分力就是升力，而与相对风平行但反方向运动的分力就是阻力，即试图将物体向后拉，阻碍其前进的力。阻力部分来自升力，部分源于物体形状和表面摩擦力。
形状对称的物体如按照对称轴对准相对风而水平运动时，就不会有升力，仅有部分阻力。如对称轴与相对风呈现一定的角度，就会同时产生升力和阻力，共同构成合力（图2-44）（参见教材P57）。
一个飞行器按照三根轴可以有三种自由运动——侧向、纵向及垂直（图2-45）（参见教材P57），而运动也分为移动和转动，所以飞行器运动会有6个自由度。
飞行器在侧向轴上转动就称为俯仰；飞行器沿着垂直轴的转动称作偏航，右转偏航就是正向偏航；飞行器于纵向轴的转动即为侧滚。
3. 无人机的飞行原理
旋翼无人机之所以能飞，是因为旋翼旋转后会产生升力，如竹蜻蜓。
当四旋翼无人机的4个螺旋桨的升力之和等于飞机总重量时，飞机的升力与重力相平衡，飞机就可以悬停在空中了。
根据牛顿第三定律，旋翼在旋转的同时，也会向电机施加一个反作用力（反扭矩），促使电机向反方向旋转，这也是现在的直升机都会带一个“小尾巴”的原因，即在水平方向上施加一个力，去抵消这种反作用力，才能保持直升机机身的稳定。
而四旋翼飞行器上，它的螺旋桨也会产生这样的力，所以为了避免旋翼机自旋，四旋翼飞机的4个螺旋桨中，相邻的两个螺旋桨旋转方向是相反的。
如图2-46（参见教材P58）所示，三角形红箭头表示飞机的机头朝向，螺旋桨M 1 、M 3 为逆时针旋转，螺旋桨M 2 、M 4为顺时针旋转。
当四旋翼飞机飞行时，M 2 、M 4 产生的逆时针反作用力（反扭矩）和M 1 、M 3 产生的顺时针反作用力（反扭矩）相抵消，飞机机身就可以保持稳定，不会自转了。
多轴飞机的前后左右飞行或是旋转飞行，也都是靠多个螺旋桨的转速控制来实现的。
◆垂直升降
4个螺旋桨同时加速旋转，升力加大，飞机就会上升；4个螺旋桨同时降低转速，飞机也就下降了。
◆原地旋转（表2-3，图2-47）（参见教材P58）
M1、M3两个电机均逆时针旋转，转速降低；M2 、M4 两个电机均顺时针旋转，转速增加。由于反扭矩影响，飞机就会产生逆时针方向的旋转。
◆水平移动
◇前进（图2-48）（参见教材P59）与后退（表2-4）
表2-4 前进与后退时螺旋桨转向与转速的情况
当四旋翼飞行器需要按照三角箭头方向前进时，M 3 、M 4 电机螺旋桨会提高转速，同时M 1 、M 2 电机螺旋桨降低转速，由于飞机后部的升力大于飞机前部，飞机的姿态会向前倾斜。
倾斜时的侧面平视如图2-49（参见教材P59）所示，这时螺旋桨产生的升力除了在竖直方向上抵消飞行器重力外，还在水平方向上有一个分力，这个分力就让飞行器有了水
平方向上的加速度，飞行器也因此能向前飞行。
相反，当M 1 、M 2 电机加速，M 3 、M 4 电机减速时，飞行器就会向后倾斜，从而向后飞行。
◇向右飞行与向左飞行（表2-5）
当M 1 、M 4 电机加速，M 2 、M 3 电机减速时，飞机向左倾斜，从而向左飞行；当M 2 、M 3电机加速，M 1 、M 4 电机减速时，飞机向右倾斜，从而向右飞行。
思考
如果要四旋翼飞行器做原地翻滚一周，如何控制4个电机的旋转来实现呢？
三、航空器的设计与制作
1. 制作泡沫模型飞机
设计制作泡沫模型飞机（图2-50）（参见教材P60），分别调试飞机机翼上的副翼及水平尾翼、垂直尾翼的不同角度，以观察、体验飞机的飞行姿态。
认识模型飞机的部件（图2-51）（参见教材P60），按照要求制作模型飞机。
（1）制作步骤：机身—主翼台—尾翼台—尾钩—主机翼—水平尾翼—垂直尾翼—螺旋桨—美化贴纸—动力橡筋。
（2）检查调试。
（3）试飞复调。
（4）飞行观察并体验。
思考
小颜和同学们一起动手成功地制作了模型飞机，从中他不仅学会了制作飞行器，也掌握了控制飞行器飞行的技巧。于是，小颜向大家提问：
（1）飞机的上升和下降与飞机的哪部分有关？
（2）飞机的左转弯和右转弯又与飞机的哪部分有关？
（3）机翼的作用是什么？副翼又起什么作用？
2. 设计制作无人机
小颜学会了制作固定翼模型飞机，当他看到更具现代科技感的无人机后，很想尝试制作一架无人机。学校内建有小花园，花园的鱼池中养了许多鱼，若能设计一架能定时向鱼池投放鱼食的无人机，不就可以免去人工每天喂鱼的麻烦了吗？于是，小颜和同学们开始了研究，他们找来相关材料，准备动手设计与制作无人机。
（1）设计制作吊舱。按图2-52（参见教材P61）所示图纸设计好吊舱，并把吊舱装到无人机上（图2-53）（参见教材P61）
（2）遥控舵机控制吊舱开关安装（图2-54）（参见教材P61）。
（3）无人机在飞行中打开吊舱试验（图2-55）（参见教材P62）。
思考
（1）小颜和同学们的创新设计，实现了无人机在飞行中控制吊舱的打开，完成投放鱼饵的任务，这对你有什么启发？
（2）你能否也设计一个与无人机相关的创新项目？
四、创新设计与拓展实践
在了解无人机的飞行原理，学会使用无人机的基础上，利用无人机的特点进行创新实践活动。如何开发无人机执行专项任务，以替代人们的出行监控、高空作业、宣传等？例如，利用无人机的开发模块功能，编程控制，使无人机进行自动定点任务作业；利用无人机的悬停功能，设计实现悬挂宣传条幅，释放救援装置、器材等。
1. 单机飞行控制设计
让无人机自动在空中画一个正方形，然后降落。在计算机上编写程序，设计自动飞行路线及完成任务（图2-56）（参见教材P63）。
无人机在空中先鸣叫提示后，开始画一个正方形，完成后，关闭声音，然后降落
2. 多机编队的基本方法
（1）试验器件：计算机1台，性能优良的无人机若干架，路由器1个，Marker（标识卡）若干个。
（2）实验步骤。
● Wi-Fi连接
将计算机、路由器和无人机之间相互连接；计算机需要安装跟Python相关的计算机环境。
设置路由器的Wi-Fi账号和密码。
且每一架无人机都“记住”它要连接的路由器的账号和密码，对无人机进行一定的配置。
● 摆放小marker
在本次编队任务中，是使用jump指令来控制无人机的运动。
例如：jump 50 40 30 60 0 m1 m2
指令的解释：现在地面上有两个marker，一个是marker m1，另一个是marker m2，现在初始的条件是无人机在视野内能看到marker m1的情况下飞行。当指令开始执行时，无人机首先会飞到marker m1的正上方，接着，无人机会以60 cm/s的速度飞往marker m1坐标系下的坐标点（50，40，30），当无人机飞往（50，40，30）这个坐标后，会用摄像头去找marker2，找到marker 2之后，它会移动到m2的正上方，并与marker m2的“火箭头”呈0度的夹角。
综上，在本次编队任务中，如果决定使用4个marker和4架无人机进行编队，则挑选4个marker的ID分别为1、2、3、4，并让这4个marker排列成一个矩形，方向呈顺时针方向，如图2-57（参见教材P64）所示。
● 摆放无人机
将4架无人机通过程序进行编号，分别为1、2、3、4。然后就可以将无人机按照编号分别放在marker m1、marker m2、markerm3和marker m4上，飞机的正前方与marker的火箭头的方向要一致。
● 运行程序
通过Python可以在计算机运行多机编队的程序，4架无人机完成一次简单的多机编队任务如图2-58（参见教材P65）所示。
当程序运行时，计算机首先会通过路由器寻找无人机，实际上只要无人机一连上路由器，计算机就可以立刻找到这架无人机，所以计算机实际上是在等待4架无人机都连上路由器。
当找到4架无人机的时候，每一架无人机都会向计算机发送反馈信号。计算机会收集并记录收到反馈信号的数量，一旦满足数量要求，计算机就会启动正式的编队指令了。
无人机首先会进行所有无人机电量的检测，如果其中一架无人机的电量不满足要求，程序就会自动退出。
探究实践
在手机APP上完成编写程序（图2-59）（参见教材P65），设计无人机自动飞行路线及任务。
在手机APP上编程，让无人机在空中做一次水平的正方形飞行，然后降落。
思考
利用编程实现自动控制无人机，可以完成什么任务？还可以如何创新设计？
课后作业
习 题
小颜和同学们接到学校的任务，学校要举行运动会，要求配合运动会入场式，在运动场上用无人机悬挂宣传条幅，并沿操场水平飞行一圈，再沿运动场的对角交叉飞行1次。
然后，无人机飞至主席台前，鸣笛并释放彩纸。请你帮助小颜和同学们完成任务，设计控制无人机的程序及机电装置。
①起飞指令 ②运动控制指令第1步（1号无人机从marker m1的正方“跳”到marker m2的正上方，依次执行）
③运动控制指令第2步（对程序中marker的ID进行调整）
④运动控制指令第3步和第4步（每一次对所有无人机进行控制之后所需完成的一个同步命令）
⑤降落指令（对无人机发送land指令，就可以让无人机全部降落）
板书设计
第二章 科技人文融合创新专题实践
第三节 航空器
一、飞行器的发展史
二、航空器的飞行原理
三、航空器的设计与制作
四、创新设计与拓展实践
通用技术
选择性必修10：科技人文融合创新专题
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：徐 明
本册副主编：李鲋瑞 刘海峰
广东教育出版社
广东科技出版社

展开更多......

收起↑