本帖最后由 丹顶鹤 于 2024-10-18 08:58 编辑
三、航空科技教育的任务——寓教于趣&人才培养
航空科技教育的任务,我也用八个字来概括我的认知:寓教于趣、人才培养。结合航空教育自身特点,谈谈自己的认识。
所谓“寓教于趣”,意在航空的神奇与有趣。人类的飞天追求是永恒的。从三次工业革命以来,自轻于空气和重于空气的航空器先后问世,航空就与国计民生密切关联。我们需要持续不断地追求更高、更远、更久、更舒适、更便捷的飞行。
航空航天本身非常有趣。它涉及的科学技术、工具、创造的产品都非常引人入胜。我从事航空业一生,但每次登机时,看到身躯庞大的飞机能将我们载至高天,快速实现点对点旅行,仍感神奇无比。在教授孩子们航空科学技术时,务必让他们感受这种神奇,进而萌生永恒追求的梦想。
关于航空科技教育在“人才培养”中的作用,我认为重要的是,通过小学到初中的持续教育,激发孩子们对航空航天的兴趣,激励他们的创新热情,其中,技能和动手能力至为重要,而知识的积累是持续的过程,需要终生学习。在人才培养中,最应关注的是热情和初始能力的培养。我概括了16个字:“培养兴趣、知晓神奇、积累知识、喜爱动手”。要把这16个字变为丰富的实践,就需要好老师、好环境、好教材、好教具以及好的活动。
利用这个机会,我再次介绍航空航天的根本驱动力,我们这些施教者需要有更广阔的知识背景与视野。
从航空到航天,人类的飞行活动不断扩展边界。20世纪60年代末升空的“先驱者”和“旅行者”等4款深空航天器,已在太空中飞行了数十年。直到最近,旅行者1号与人类永久失联,它已在太空飞行了47年,仍未冲出太阳系。探究浩瀚无垠的宇宙,正是航空航天兴趣和好奇心的来源。我们需要从一个更高更远的视角认识和理解宇宙,包括认识地球和人类自己。
从某种意义上说,航空航天的本质驱动可以概括为六个字:“兴趣、好奇、不甘”。在上帝创造人类的时候,我们无法像鸟儿一样自由翱翔,这就需要摆脱生理限制,研制人造装置,克服星体引力。即使人类借助人造装置实现飞行,生理条件也限制了无法无限制地承受高速飞行。在航空航天中,无法自然地提高速度、加速度和过载能力,必须开发替代方案。
要克服地球的引力,有条件地离开大气层,从稠密的大气层飞向稀薄的高空,直至真空环境,首要任务是提高速度。当速度超过每秒7.9公里时,有条件地摆脱了地球的引力,这是第一宇宙速度,飞行器成为人造卫星。当达到每秒11.2公里的第二宇宙速度时,飞行器成为人造行星。当达到每秒16.7公里的第三宇宙速度时,可以有条件地摆脱太阳的引力,向着遥远的深空飞行。
我们的地球被大气层所包裹,低空有白云缭绕。为了方便研究和工程实践,将1000到1200千米厚的大气层分为五层:对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。位于地表向上100千米高度,有一条看不见的“卡门线”,是钱学森的老师冯·卡门计算得出的轨道运行最低高度,被世界航空航天界认可为航空航天工程分界线。
在当前的航空航天科技活动中,人们通常将接近卡门线的那段高度域称为Near Space,在许多媒体和文献中称临近空间,实际上,称为近太空可能更好些,高度范围覆盖整个中间层,即从50千米到卡门线。从地面到100千米高度是航空的活动范围,且分属各国领空。卡门线之上为自由空间。
在卡门线以上,世界各国释放和布局了大量航天器,主要是各种人造卫星,这也是商业航天的主战场。如200千米高的科学卫星,300到400千米高的空间站,即太空站,以及大约1000千米高的低轨通信卫星等。高度继续增加,直到36,000千米,是地球同步卫星的轨道高度。
航空航天各有特点。无论是轻于空气的航空器,还是重于空气的航空器,都需要有效利用空气,同时又必须克服空气带来的负面影响,如阻力和气动加热等。
而航天之难,集中在需要使用大推力火箭获得高速度,直至宇宙速度,要应对严酷的真空、强辐射的太空环境,要解决极远距离通信以及轨道和姿态控制等难题。
航空与航天的产业特点不同,前者通常是大批量生产,后者多为小批量甚至单件生产。大多数航天器是一次性的,除非是载人或必须返回的返回舱需要回到地面,而所有航空器都是从地面起飞并返回地面。因此,我将其形容为:顶天立地是航空,诗与远方是航天。这不是政治释义,而是各自科技特点的表述。
我们回到“人才培养”这个话题。目前,国家在大力推动创新人才的培养。那么,什么是创新人才?我以为,其最重要的两个特质是:像科学家一样思考,像工程师一样行动。这是一种形象的描述,可能不完全精准。像科学家一样思考的核心是科学逻辑;像工程师一样行动的核心是工程思维。在英语中分别是“Logic of Science”和“Engineering Thinking”。要培养创新型人才,需要努力从小培养孩子的科学逻辑和工程思维。
科学逻辑的目标是解释真实存在的世界,而工程思维的目标是创造前所未有的“世界”——这里的“世界”可以小至一个小产品,大至一项浩繁复杂的工程。科学逻辑强调自由思想、好奇心、无功利性,识别、推理和验证。工程技术人员需要从科学中探索可能性。
还以地球及其大气层为例,这是客观存在的。地球的自转和公转也是客观存在的,月亮围绕地球转动,形成潮汐现象。这是基于科学逻辑的认知。如果现代人缺乏足够的科学知识,就无法建树科学逻辑。在航空航天领域,有许多相关的科学知识需要掌握,诸如地形、洋流和高空环流的影响、无线电信号的传输特性、气温在大气层的垂直分布、极光和电离现象的发生及其影响等。
而工程思维则通过构造、约束和选择来创造新世界。构造指的是从无到有的创意和设计;小到一个与众不同的茶杯,不仅要有实用价值,还要能提供良好的用户体验,甚至像艺术品一样美观,赏心悦目。任何设计都受到约束,包含社会效益、科学伦理、成本和材料的可用性等。然后,才能做出选择,寻找最优解决方案。这些思维模式并不深奥,时时处处体现在我们的生活与工作中。对于孩子们的教育,需要能动地引入有利于建树工程思维的方法与工具,有些工具还要与实际工程中的工具相一致。这是我对创新人才特质的一些理解。
在讨论学校科技教育的形式时,以赛生趣、以赛促学,是一个适应多领域的好方法。而航空科技教育中以航模和无人机为载体进行的赛事,更具科技性和趣味性。一个好的赛事,需考虑赛事要素、赛事情境和赛事设计等三方面。赛事要素有有四个:知识、技能、工具和团队。虽然表面上是一个人参与比赛,但后台一定有一个团队支持。要帮助孩子们从小就建立团队和协同合作的理念。
关于赛事情境,可按三个层阶考虑,即兴趣激发、应用牵引和系统解决问题。可以按照“持续进步、进阶提升、面向应用”的方针,去设计赛事。这是一个动态的、不断变化的思考方式,可根据这个逻辑来策划和设计赛事。作为一线教师,你们有这份责任,同时你们也有丰富的实践经验。
我认为,在小学阶段,主要是激发兴趣和掌握基本技能。基本技能包括手工制作,当然是一些相对容易实现的航模和低端无人机的制作;还有操控技能,既包括个人的操控,也包括团队的合作操控。可以设计和开展有趣的竞技比赛,如竞速、穿越,避障等,还可以开展空中影像摄取竞赛,使用无人机获取高清晰度的俯瞰照片和录像。现在,随着计算机技术的普及,小学生就开始学习编程,可以把无人机编程挑战作为基本赛事。
到了初中阶段,需要逐步加强应用导向,让学生理解和应用知识在各种生活场景中的实际价值,如应急救援、监测巡检、农林植保、物流运送等。这些真实的应用场景,有些甚至在小学阶段就接触到,而初中阶段可以围绕这些场景设计一些赛事,以竞赛为趣、以竞赛促学,培养理解应用,和把知识、技能应用于多样社会生活场景中的能力。
进入高中阶段后,提升的重点是针对特定问题,提出解决方案。以编程为例,小学阶段就有按初级要求开展的编程挑战,而高中阶段可以进行创意编程。比如,针对交通拥堵问题,通过观察交通情况,建立流量统计与流量匹配的数学模型,把无人机用于观察、监控、调整等任务环节,从而解决这一问题,这需要综合运用相关知识和无人机技术等。还可对于军事应用,进行专题探索等。
相信在各位老师和科研机构、创新公司、大学和商业机构等的共同努力下,以无人机为载体的赛事活动,一定能够设计好、开展好,成为航空科技教育中最诱人、最活跃的组成部分。 |