第二部分 单元教学设计11 新技术应用体验-高中信息技术和通用技术单元教学设计

>> 266 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 单元教学设计 11 新技术应用体验 郝琪  石家庄第二外国语学校 一、单元主题：组装四旋翼无人机项目 新技术体验与探究为高中通用技术选修模块之一，是学生自主选择修习的课程， 面向具有技术学习特别需求的学生。该模块要求可根据学校条件和学生兴趣，选择 如无人机技术、物联网技术、智能控制技术等内容进行项目和任务的教学设计，或 者就某一具体技术产品如水下机器人、无人机等进行项目和任务设计。随着科学技 术的飞速发展，无人机技术近年来得到了广泛的关注。无人机作为一种可以自主飞 行的飞行器，在军事、民用、科学研究等众多领域都有广泛应用。因此，本模块选 取无人机新技术方向，通过学生对无人机新技术及应用进行体验与自主探究活动， 引导学生了解材料科学、电子技术、信息技术、飞行操控等多个跨学科领域知识。 课程标准将本模块划分为新技术发展概述、新技术应用体验、新技术专题探究三个 单元，在学生了解无人机发展历程之后，本单元选择以制作四旋翼无人机作为探究 项目，通过设计开发到应用创新的学习过程，让学生对无人机技术产生亲近感，激 发学生创新创造的热情。   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 267 << 二、单元内容 （一）单元概念 本单元需要学生掌握的概念有多旋翼无人机、无人机飞行控制器（简称飞控）。 （二）单元内容分析 本单元由认识四旋翼无人机、设计四旋翼无人机的制作方案、组装调试四旋翼 无人机、体验四旋翼无人机飞行内容构成，旨在通过组装四旋翼无人机，体验四旋 翼无人机飞行过程，帮助学生了解飞行原理和飞行控制原理等基础知识，激发学生 对航空航天领域的兴趣。 单元内容一为认识四旋翼无人机。教师首先引导学生拆分、组装小鸟飞飞无人 机 F210 各个部件，让学生了解四旋翼无人机三大组成部分及其作用以及各个组件的 相关知识与功能，如电机、螺旋桨、电池等组件的参数的含义，为下一步构思四旋 翼无人机设计方案做铺垫。然后，教师带领学生探究四旋翼无人机的飞行原理，通 过演示四旋翼无人机飞行过程，激发学生探究四旋翼无人机飞行原理的兴趣。教师 引导学生观察组装好的小鸟飞飞无人机 F210，探究升降运动、前后运动等姿态蕴含 的科学知识。 单元内容二为设计四旋翼无人机的制作方案。在认识四旋翼无人机的主要构造 和飞行原理之后，教师指导学生确定所制作的四旋翼无人机的尺寸，之后确定电机、 电子调速器（简称电调）、螺旋桨等部件和相应的参数，以小组为单位撰写一份四旋 翼无人机组装制作清单。 单元内容三为组装调试四旋翼无人机。学生根据自己所设计的方案，开始组装 四旋翼无人机。在组装环节中可能会用到焊接等技术，教师可以进行适时指导教学， 帮助学生完成自己的作品制作。在制作完成后，教师引导学生进行安全试飞，若出 现问题，指导学生解决出现的问题并进行改进。教师带领学生不断试飞、调试、迭 代、完善，使四旋翼无人机成功起飞。 单元内容四为体验四旋翼无人机飞行。各组已经完成自己的作品制作，教师主 要教导学生如何操纵四旋翼无人机。教师引导学生进行四边航线训练、穿越障碍训 >> 268 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 练等，帮助学生熟练掌握四旋翼无人机的操纵方式。 三、单元目标 （一）学业要求 了解四旋翼无人机技术的相关理论、方法和技能；能够明确四旋翼无人机的设 计要求，能够分析设计方案的可行性，并根据设计要求选择合适的材料与工具；具 有初步的工程思维和工匠精神，能完成一个具体产品的制作与装配。 （二）单元素养目标 1. 工程思维 熟悉四旋翼无人机的基本组成和飞行原理，能够设计出合理的四旋翼无人机硬 件配置方案，能够熟练掌握制作作品的流程与技术。 2. 物化能力 熟练掌握焊接技术，了解四旋翼无人机各部件的参数含义，能够根据硬件配置， 组装出一架四旋翼无人机。 四、单元教学策略 （一）基于项目的教学策略 本单元采用真实情境下大概念引导大项目的项目教学策略。如图 2-46 所示，按 照目标设定、情境导入、任务引领、活动贯穿、评价量化的顺序开展项目的通用技 术教学活动。   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 269 << 图 2-46  基于项目的教学策略 （二）单元项目教学任务分析 教学任务分析如表 2-75 所示。 表 2-75  教学任务分析表 序  号 内  容 任  务 备  注 1 认识四旋翼无人机 梳理四旋翼无人机的硬件组成 技术意识 探究四旋翼无人机的飞行原理 2 设计四旋翼无人机的 制作方案 材料选择、尺寸选定 工程思维 创新能力 无人机配件选择 方案可行性分析 3 组装调试四旋翼无人机 组装、调试四旋翼无人机 物化能力 4 体验四旋翼无人机飞行 无人机飞行前的检查及阅读飞行注意事项 物化能力 操纵四旋翼无人机飞行 五、课时安排及重点 （一）课时安排 课时安排如表 2-76 所示。 表 2-76  单元课时安排 内  容 项  目 课时安排 1 认识四旋翼无人机基本组成 1 探究四旋翼无人机飞行原理 1 2 设计四旋翼无人机制作方案 1 3 组装四旋翼无人机 1 4 体验四旋翼无人机飞行 1 >> 270 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 （二）教学重点 （1）四旋翼无人机的基本组成以及各部件的参数含义。 （2）依据硬件配置，组装一架四旋翼无人机。 （三）教学难点 四旋翼无人机飞控参数调试。 六、单元评价设计 （一）学业质量 通过本单元的学习，学生能清晰说出四旋翼无人机的各部件名称以及其参数代 表的含义；能熟练组装一架四旋翼无人机，掌握焊接技术；能对组装好的四旋翼无 人机进行参数调试，使其成功飞行。 （二）评价内容 评价内容如表 2-77 所示。 表 2-77  单元评价内容 项  目 学业质量 核心素养 质  量 水  平 认识四旋翼无 人机 能熟悉四旋翼无人机三大组成部分，掌握四旋翼无人机 的飞行原理。 1 技术意识 能了解无人机技术的发展趋势，理解其对现代社会生产 与生活所产生的影响 2 设计四旋翼无 人机的制作方 案 能设计四旋翼无人机的制作方案，能够选择参数合适的 部件 1 工程思维 能对设计方案的可行性进行分析评估，并且进行优化 2   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 271 << 项  目 学业质量 核心素养 质  量 水  平 组装调试四旋 翼无人机 能根据设计方案选择合适的材料与工具，组装完成一架 四旋翼无人机 1 物化能力 能不断地对四旋翼无人机进行调试，最后实现四旋翼无 人机成功起飞 2 体验四旋翼无 人机飞行 熟悉四旋翼无人机的操纵方式，能够熟练操纵其进行简 单的飞行动作 1 物化能力 能操纵四旋翼无人机进行航线飞行，完成特定的任务 2 七、课时教学设计 （一）课时 1  认识四旋翼无人机基本组成 1. 目标设定 （1）技术意识：学生能够主动使用信息检索方法，对无人机技术的发展、应用 进行了解学习。 （2）工程思维：学生能够说出四旋翼无人机各个组件及其作用，如螺旋桨、电 机、电调、电池、陀螺仪、加速计、机架等。 2. 情景导入 随着科技的不断发展，无人机技术逐渐走进了人们的生活，比如学校升旗仪式 航拍、无人机监测交通拥堵情况等。无人机的广泛应用给人们的生活带来诸多方便。 课堂上启动一架无人机，让学生现场感受无人机飞行操纵表演。 在了解了无人机分类的相关知识后，学生已猜出这架无人机是四旋翼无人机。 教师带领学生拆分这架四旋翼无人机（小鸟飞飞无人机 F210），探究四旋翼无人机 是如何实现起飞的，又是如何实现运动姿态变化的。 3. 任务引领 认识四旋翼无人机的基本结构组成及飞行原理。 续  表 >> 272 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 4. 活动贯穿 活动 1 ：探究四旋翼无人机的组成（拆分小鸟飞飞无人机 F210）。 学生将拆分后的四旋翼无人机零件按照形状进行分类，为后续组装提供便利。 引导学生观察四旋翼无人机的组件构成，小组讨论并利用网络查找不认识的组件， 掌握其形状、名称。 活动 2 ：了解四旋翼无人机的基本组件构成及功能。 教师讲解四旋翼无人机的三大组成部分，即机架、动力系统与飞控系统，引导 学生将活动 1 中认识的无人机各部件填写到表 2-78 中对应的分类中。 表 2-78  四旋翼无人机基本组成探究任务单 组  成 部  件 参数含义 作  用 机架 机身 尺寸 450，单位 mm，该数字代表对角电 机位置之间的距离 其他部件的安装基础起落架 保护网 动力系统 电机 提供足够的推力 电调 电池 螺旋桨 飞控系统 加速度传感器 产生升力 陀螺仪 气压传感器 电磁传感器 …… 活动 3 ：探究四旋翼无人机结构模式。 一般情况下，根据四旋翼无人机上马达分布的相对位置，四旋翼无人机结构模 式可分为如表 2-79 所示的两种。   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 273 << 表 2-79  四旋翼无人机的机构模式 模  式 结  构 优  点 “X 字” 控制灵活，稳定性好 “十”字 控制原理比较简单明了，调试容易， 飞行稳定 活动 4 ：分享交流汇报。 请优秀小组与其他小组进行交流汇报，教师补充相关知识点，并对优秀小组的 合作学习优秀之处进行针对性点评，供其他小组进行学习。 5. 量化评价 本节课的评价内容主要是学生是否了解四旋翼无人机的三大部件及其功能，是 否了解四旋翼无人机的飞行原理。量化评价表如表 2-80 所示。 表 2-80  量化评价表 实践项目 评价标准 评价方式 自评 互评 师评 活动 1 能够有序地将四旋翼无人机的部件分类排放整齐 能够借助网络主动探究四旋翼无人机的基本构成 活动 2 借助网络学习，能够整理出四旋翼无人机基本组成表 清晰地说出四旋翼无人机的三大部件以及各个部件的功能 活动 3 知晓四旋翼无人机的结构模式 了解不同结构模式的优缺点 小组学习 能够积极配合小组其他成员完成活动任务 能够与同组小伙伴分享交流习得知识 等级标准 ：A 优秀 ；B 良好 ；C 合格 ；D 待改进 >> 274 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 （二）课时2  探究四旋翼无人机的飞行原理 1. 目标设定 （1）工程思维。能够解释飞行器螺旋桨的飞行原理；能够说明四旋翼无人机运 动姿态变化的原理。 （2）物化能力。能够制作一款简易的螺旋桨。 2. 情景导入 教师通过展示无人机飞行的图片引入本节课。教师首先带领学生观察不同型号 的四旋翼无人机图片，结合“四旋翼无人机”的名称引导学生观察无人机的旋翼部 分，并通过查找相关资料，总结出四旋翼无人机的飞行原理。 3. 任务引领 探究四旋翼无人机的飞行原理。 4. 活动贯穿 活动 1 ：制作简易螺旋桨。 【材料选择】目前多旋翼无人机螺旋桨所使用的材料通常有塑料、碳纤维、木质 等。这些材质的螺旋桨从用途和效率上看各有优点和缺点，如表 2-81 所示。 表 2-81  螺旋桨制作材料优缺点对比 材  料 优  点 缺  点 碳纤维 材质轻而强度高，既耐腐蚀又耐潮湿，既耐 高温又耐低温 与塑料材质相比，成本高 塑料 材质相对较重，性价比高 木质 耐磨、耐潮、强度高 较重，且制作工艺复杂，成品率低 制作螺旋桨的木材一般有桦木、榉木、色木或柞木等，其中最常用的是桦木。 因此，本节课选择桦木作为制作材料，让学生体验螺旋桨的制作工艺。 【知识拓展】螺旋桨的叶数非常好理解，就是指螺旋桨桨叶的个数。常见的螺旋 桨有 2 叶桨、3 叶桨、4 叶桨、5 叶桨（图 2-47）。对于不同叶数的桨来说，为了达 到静平衡和动平衡，每个桨叶之间的夹角都是相同的，而且长度、宽度都相同。   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 275 << 图 2-47  不同叶数的螺旋桨 【制作过程】所需材料有雪糕棍、小木棍、砂纸、美工刀、笔、尺子、胶水、手 电钻。制作过程如表 2-82 所示。 表 2-82  简易螺旋桨制作过程 制作过程 1. 用美工刀把雪糕棍从中间切成两段 2. 切好后，在雪糕棍上画出螺旋桨的形状 3. 画好后把多余的地方削掉，然后用砂纸打磨光滑 4. 准备一根小木棍，在小木棍一端切出两道相互倾斜的口子 5. 把两个半根雪糕棍插到小木棍斜槽内，然后用胶水粘牢 【试飞体验】试飞制作好的螺旋桨，思考螺旋桨的两个叶片为什么相互倾斜？螺 旋桨为什么能够向上飞行？ 叶片斜面的作用：叶片的斜面起关键作用，当转动小木棍使得叶片旋转起来的 时候，旋转的叶片将空气向下推，形成一股强风，而空气也给飞行器一股向上的反 作用力，使其能够向上运动。 活动 2 ：探究四旋翼无人机的工作原理。 四旋翼无人机是一种能够垂直起降的飞行器，系统一般采用模块化设计，利用 陀螺仪、加速度传感器、磁罗盘传感器、气压传感器、GPS 等采集回来的信息进行 姿态检测和控制，采用无刷电机作为动力引擎，并通过电调进行转速控制，从而实 现稳定飞行功能。 引导学生以 X 字模式的无人机（小鸟飞飞无人机 F210）为例探究四旋翼无人机 的飞行原理。 为什么相邻的两个旋翼的转向是相反的？ 相邻两旋翼转向相反，产生的升力相等，反转扭矩的作用刚好抵消，从而防止 无人机自旋。 >> 276 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 四旋翼无人机是如何实现运动姿态的变化的？ 控制两对旋翼的转速即可实现对无人机各种运动姿态的控制，如图 2-48 所示。 下降 左移 左转 前进上升 右移 右转 后退 （a）升降控制 （b）俯仰角控制 （d）航向角控制（c）横滚角控制 旋翼低速转动 旋翼高速转动 图 2-48  四旋翼无人机飞行原理 教师引导学生看图 2-48，填写表 2-83。 表 2-83  X 字飞行模式飞行状态表 欧拉角 飞行方向 M1 M2 M3 M4 升降 上升 加速 加速 加速 加速 下降 减速 减速 减速 减速 俯仰角 前飞 减速 减速 不变 （或减速） 不变 （或减速） 后飞 翻滚角 左飞 右飞 航向角 左旋转 右旋转 注：M 为电机缩写。 5. 量化评价 本节课的主要评价内容为学生是否能够通过制作简易螺旋桨来探究四旋翼无人   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 277 << 机的飞行原理，并能够分析出四旋翼无人机垂直运动、前后运动、左右运动的飞行 原理。 （三）课时3  设计四旋翼无人机制作方案 1. 目标设定 工程思维。能够合理设计四旋翼无人机的硬件配置方案；能够选择合适的组装 四旋翼无人机所需材料；能够对设计方案的可行性进行分析。 2. 情境导入 学生对四旋翼无人机已有所了解，本节课让学生感受一下无人机飞行的魅力。 学生是否能够组装一架属于自己的无人机？教师带领学生看看组装一架四旋翼无人 机都需要完成哪些工作。 3. 任务引领 设计四旋翼无人机制作方案。 4. 活动贯穿 活动 1 ：思考电机、电调和螺旋桨的参数匹配。 电机、电调和螺旋桨参数匹配对应表如表 2-84 所示。 表 2-84  电机、电调和螺旋桨参数匹配对应表 电机 /kV 值 螺旋桨 /in 电调 800 ～ 1 000 10 ～ 11 电调的输出电流必须大于电 机的最大电流，且最好高于 5 A 1 000 ～ 1 200 9 ～ 10 1 200 ～ 1 800 8 ～ 9 1 800 ～ 2 200 7 ～ 8 2 200 ～ 2 500 6 ～ 7 2 500 ～ 2 600 5 ～ 6 注：1 in ≈ 2.54 cm 活动 2 ：填写四旋翼无人机基本组成及机架尺寸。 四旋翼无人机硬件组装清单如表 2-85 所示。 >> 278 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 表 2-85  四旋翼无人机硬件组装清单 硬  件 个  数 参数要求 说  明 机架 1 X字形，常见的机架尺寸有250 mm、350 mm、450 mm、650 mm等。 建议初学者选择尺寸较大的机架，飞行起来会更稳 无刷电机 4 与机架自重匹配 无刷电调 4 与电机参数匹配 螺旋桨 4 与机架、电机参数匹配即可，1 对正桨，1 对反桨 保护壳 1 与机架尺寸匹配即可 飞控 1 APM 等 遥控器 1 2.4 G 电池 1 2s-6s LipO 接收机 1 S.BUS 2.4G 活动 3 ：计算电池的续航时间。 例题：假设有一架穿越机，其安装的电池的容量为 2 200 mAh，经测量可知该穿 越机重量为 500 g，且采用的是 MT 2204 KV 2300 电机，安装的是 5045 螺旋桨，请 根据题目所给信息计算出电池可提供的续航时间。（考虑到电池内阻及变压放电，设 修正系数 α 为 0.8。） 活动 4 ：四旋翼无人机制作硬件清单分享交流。 5. 量化评价 本节课主要针对学生制作的组装四旋翼无人机硬件清单进行同伴评价和教师 点评。 （四）课时4  组装四旋翼无人机 1. 目标设定 （1）工程思维。在组装过程中，能够发现问题、分析问题、解决问题。 （2）物化能力。能够组装一架四旋翼无人机，并对其进行迭代调试，直至成功 起飞。   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 279 << 2. 情境导入 学生已制定好四旋翼无人机硬件清单，教师接下来引导学生组装无人机。 3. 任务引领 组装四旋翼无人机。 4. 活动贯穿 四旋翼无人机的组装过程比较烦琐，学生在此过程中可能会遇到很多困难，教 师需要及时引导学生解决这些难题，不断激发他们探索的兴趣。 组装过程中需要注意以下几个问题。 （1）安装电机。将 4 个电机安装到机架轴壁上。每一个电机的底座上都有 4 个 螺钉孔，螺钉可由机架轴壁穿过，固定在电机的螺钉孔中。需要注意螺钉不要太长， 以免螺钉在伸入电机内部时损坏其中的线圈。 （2）电调与电机接线。这里讨论无刷电调和无刷电机的接线方法，方法很简单， 只需将电调的 3 根输出线与电机的 3 根输入线相接。如果需要改变电机的转动方向， 可将任意两根电源线反接。通常情况下，并不是将电调与电机的线直接固定焊接在 一起，而是将两端采用插头（香蕉头）的方式连接在一起，方便重新插拔。 （3）动力电池与供电系统。动力电池是无人机的电源，所有电力都来源于动力 电池，包括电调等。 （4）其他设备，如无线电高速数据传输、接收机等，建议用扎带或胶带将其与 机架固定好，以免在飞行过程中出现危险。 具体组装步骤如表 2-86 所示、 表 2-86  四旋翼无人机组装步骤 步  骤 说  明 准备好机架 了解各部件在机架上的安装位置 安装电机 把 4 个电机安装到机架上。固定好后，需要用手稍加用力摇动电机，检 查是否将电机固定牢固 安装电调 电调一般安装在机架的机臂上，每个机臂安装一个电调并固定好，电调 输出端的 3 根粗线与无刷电机的 3 根线连接好 安装飞控 飞控安装在机架的中心位置，安装飞控时必须注意安装方向。一般飞控 上都有一个指示箭头，该箭头指向飞控的正前方 安装电池 电池安装在机架中间的电池夹上，并一起插入机身中固定，电调输入端 的 2 根粗线与电池连接好 >> 280 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 步  骤 说  明 安装遥控接收器 把遥控接收器安装在机架的适当位置上并固定，遥控接收器与飞控连接 地面站调试 在飞控对应的地面站里调试好电机、电调等参数 遥控器对码 按照遥控器说明进行对码并进行相关设定 飞行测试 当所有工作完成后，进行飞行测试。这一步非常关键，但也有危险 调试过程中可以将遇到的问题记录到表 2-87 中。 表 2-87  飞行测试记录 序  号 飞行情况 出现问题 第一次试飞 第二次试飞 第三次试飞 5. 量化评价 本节课的评价内容主要是学生能否组装一架四旋翼无人机，并进行调试，直至 成功起飞，以及在组装过程中能否善于发现问题并解决问题。 （五）课时5  体验四旋翼无人机飞行 1. 目标设定 （1）技术意识。在试飞之前检查四旋翼无人机的各个部件是否正确，熟悉试飞 过程中的安全注意事项。 （2）工程思维。了解发射器与接收器对码，能够知道遥控器控制无人机的方法。 2. 情境导入 上一节课，学生已经组装好四旋翼无人机，这节课就让它起飞吧！ 3. 任务引领 体验四旋翼无人机飞行。 续  表   第二部分  通用技术   单元教学设计 11  新技术应用体验　 281 << 4. 活动贯穿 作为一名无人机操控新手，学生必须先接受基本飞行训练。基本飞行训练包括 起飞（升高）训练、降落训练、定高移动训练、方向控制训练和返航降落训练。 活动 1 ：起飞训练。 操控之前需要找准无人机机头和机尾的位置，然后将无人机机头对准前方，机 尾对准飞手。 确定无人机方位之后，再了解一下遥控器（以美国手遥控器为例），如图 2-49、 图 2-50 所示。 图 2-49  左摇杆                         图 2-50  右摇杆 活动 2 ：定高移动训练。 定高移动训练步骤如下。 第一步，无人机起飞，缓慢推动油门至 50%，保持无人机处于悬停状态。 第二步，操纵方向舵，练习移动无人机左右位置。当方向舵向右推动时，无人 机向右偏航运动，反向操作，无人机向左偏航运动。 第三步，操纵前进后退杆，练习移动无人机前后位置。 第四步，把无人机移动到起飞点上空，完成定高移动练习。 活动 3 ：返航降落训练。 返航降落训练步骤如下。 第一步，控制无人机进入返航点 25 cm 内。 第二步，缓慢降低油门，将无人机降落在停机坪上。 5. 量化评价 本节课的评价内容主要是学生是否能够安全地试飞无人机，在飞行过程中是否 具有安全意识。 >> 282 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 八、反思提升 本单元通过设置“组装调试一架四旋翼无人机”项目，带领学生学习四旋翼无 人机技术。本单元采用核心素养导向的项目式教学法，通过目标设定、情境导入、 任务引领、活动贯穿、量化评价教学环节，引导学生在完成项目过程中去发现问题、 解决问题，增强学生的技术意识、物化能力、创新意识等学科核心素养。由于组装 调试一架四旋翼无人机难度较大，需要用到物理、数学等多学科知识，因此本单元 在设置活动时遵循由易到难、螺旋式上升原则，同时在活动过程中提供任务探究单、 指导说明书等脚手架，鼓励学生自主探究、深度学习。