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专题 航天类STEM课程教学设计——以“机械臂捕获失效卫星”为例
发布时间:2022-08-08 06:55:05 来源:dafabet大发黄金版 作者:大发dafa888官方登录网址
  原标题:专题 航天类STEM课程教学设计——以“机械臂捕获失效卫星”为例  航天类STEM课程的开发...

  原标题:专题 航天类STEM课程教学设计——以“机械臂捕获失效卫星”为例

  航天类STEM课程的开发与实施,旨在激发学生探索浩瀚宇宙的精神与责任担当,是培养未来航天领域创新人才的重要举措。如何将复杂的航天领域问题转化为学生可探究、可验证的STEM课题,则是STEM课程教学设计的关键所在。

  本实践案例在整个课程体系中的位置如图1。大主题背景是“太空垃圾清理”,聚焦到的单元主题是“用机械臂方式清理地球周围的失效卫星”。单元主题对应的挑战性任务可以分为6个子任务。本案例选取了“实施抓捕”这个子任务,并详细介绍了如何将以工程设计为导向的项目式学习用于这个子任务的教学设计。

  教学方式以工程设计为导向的项目式学习为主,以帮助学生在解决问题的思维能力上获得深度提升。学生将在每个项目模块经历以下思维过程(图2)。

  项目主题要能够吸引学生,既具有趣味性,又具有真实性和拓展性。如何设置情境,使项目主题与学生已有的知识和体验产生联系,成为了关键。

  随着人类对外太空的探索活动逐渐增加,每年都有大量太空发射任务,以满足通信、气象监测及空间站维护等需求。但同时,人类活动对空间环境也产生了持续深远的影响,太空中残留的失效卫星、火箭末级、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁。2020年9月23日,国际空间站为避免和太空碎片的碰撞,不得不进行机动变轨和暂时转移舱内工作人员。仅在今年,国际空间站就曾3次机动变轨躲避太空碎片。随着地球周围的空间越来越拥挤,避免和太空垃圾碰撞的策略将越来越普遍。有超过50万块环绕地球运行的太空垃圾被跟踪。它们环绕的速度高至7.8千米/秒,1块小的碎片就能对卫星或航天器造成损坏。但是卫星的控制员不可能避免所有可能的碰撞,因为需要消耗很多时间和燃料,而且有的太空垃圾没有记录在数据库里,未被跟踪。

  通过上面的情境,引导学生发现太空环境存在的问题,启发学生提出“太空垃圾清理”的项目主题,这样学生更有参与感和积极性。但是“太空垃圾清理”这个探究主题对于学生来说,还是太宽泛。学生很可能会提问:“太空”空间尺度很大,具体要研究哪个区域?“垃圾”的种类和尺寸也各不相同,具体要研究哪种垃圾?提问的过程,正是聚焦项目主题的过程,从而让宽泛、不可深入探究的主题变得可以深入探究。

  本单元主题“以机械臂方式捕获地球周围的失效卫星”是“太空垃圾清理”这个大主题下的一个部分。前期学生已经了解了太空垃圾的现状和特征,并对清理太空垃圾的各种方法进行了文献调研。本单元聚焦如何用机械臂捕获失效的卫星(图3)。

  首先,因为目前一些国家已开始尝试将机械臂运用到太空垃圾捕获领域,机械臂技术相对其他技术较成熟。其次,因为目前环绕地球的6 000颗卫星中有约60%是失效卫星。失效卫星相对于其他太空碎片体积更大,更容易被识别,且失效卫星一旦发生碰撞,能衍生出数千块太空碎片。因此,失效卫星的捕获是当务之急。但是失效卫星往往处于高速旋转状态,对其测量、抓捕和抓捕后系统的稳定控制等关键技术仍待研究和解决。

  挑战性任务是基于项目情境提出来的,与情境有明确关联。项目情境一般以项目任务书的形式发布给学生。

  面对地球周围空间越来越拥堵的问题,太空垃圾的清理对航天事业的发展将越来越重要。你能想出一个用机械臂方式清理地球周围的失效卫星的安全、可操控、时间和成本合理的好办法吗?

  对于每一项子任务,都可以采取以工程设计为导向的项目式学习流程。以“实施抓捕”这项子任务为例,挑战性任务是“你能基于特定的机械臂,结合太空的实际环境,设计一个安全、可操控的抓捕地球周围的失效卫星的方案吗?”具体教学流程如下(图5)。

  让学生操控机械臂,体验在光滑地面上模拟太空中抓捕旋转的失效卫星模型的过程和技术难点,并且让学生将抓捕过程中体验到的技术难点与机械臂、失效卫星对应的特点记下来。让学生将实践体验中遇到的具体问题写出来,以便学生有针对性地解决问题。

  引导学生回顾太空环境和失效卫星的特点,并结合模拟实验中体验到的技术难点,提炼出解决实际问题的关键所在。然后引导学生进行概念建构,用头脑风暴从不同的角度思考可能的解决办法。

  接下来让学生调查研究已经存在的解决办法。这个过程需要整合不同的信息资源。

  根据调查研究和头脑风暴的结果,设计一种解决方案。方案设计好后,可以根据方案,利用实验室提供的器材构建模型原型,并测试模型原型,以验证方案的可行性。也可以通过追问理论依据和逻辑推理,验证方案理论的正确性。这个过程会持续、循环,直到他们得到一个满意的答案或解决方案。

  项目成果既可以是一个实物模型,也可以是一个解决方案的展示。公开展示其项目成果将有效促进讨论和学习社区的形成,提高学生在项目式学习中的积极性,同时也有助促成高质量的产出。

  高质量的成果离不开全面、深入的评价与修改。在项目式学习中,学生需要学会如何给予和接受同伴建设性的意见,并基于其改善项目的进度和产品。学生需要学习使用评估量表(表格可登陆网站在原文中查看)、评估模型等评估反馈工具,并学习正式反馈和评论的技巧。

  学生和教师都应该在项目的整个进程中,不断反思学习的内容、学习的方法和学习的目的。

  然后,教师向学生展示我们国家科研院所目前“用机械臂捕获失效卫星”实验的装置图和动态视频,从而让学生体会到他们的研究方案和科学家目前采取的实际方案相契合。让学生体会到他们的研究是有意义和价值的。最后,以嫦娥五号用机械臂首次实现月壤采样并返回的新闻结尾,从而进一步激发学生对航天领域的探索热情和责任担当精神。