——浅谈研究性学习在纸飞机科技活动中的初探

　　摘 要：研究性学习是一种自主性、探索性的学习方式，学生从实际生活中选择研究主题，利用近似于科学研究的方法，综合运用所学知识，亲身实践，从而获得经验和结论，并解决问题。将研究性学习融入到中小学纸飞机科技活动中，不仅能有效提升纸飞机的科技竞技水平，还能使学生养成良好的科学态度与科学精神，提高学生分析问题、解决问题的能力。
　　关键词：研究性学习；纸飞机
　　研究性学习是指学生在教师指导下，从自身生活和社会生活中选择和确定研究主题，以类似科学研究的方法，主动地获取知识，应用知识，解决问题的学习活动。近些年来纸飞机科技活动在我市中小学广泛开展，它集益智、创新、竞技、健身于一体，且成本低廉，成为了一个非常适宜开展的科普教育资源平台。将研究性学习融入到纸飞机的制作和放飞科技活动中，不仅能有效提升纸飞机的科技竞技水平，也能在活动中有效提升学生的科学素养，树立良好的科学态度与科学意识，提高了学生用科学的方法分析问题、解决问题的能力。
　　一、 确定研究主题：如何让纸飞机飞得更远
　　余姚市中小学生纸飞机比赛有一个项目是直线距离。比赛规则是：用一张A4纸，只用折叠的方法，制作一架翼展大于4厘米，有明显固定翼飞机形状，有明确可以辨认机头的纸飞机，在宽度约十米的室内场地进行放飞，比较飞机飞行的直线距离。
　　为了参加纸飞机比赛，学校发动了一批对纸飞机活动感兴趣的同学，组建了纸飞机运动队。在讲解完纸飞机竞技规程后，同学们都跃跃欲试。大家先是按照自己的设计和折法制作纸飞机，然后在田径场上进行比试。有的同学飞机机翼较大，飞行距离远近不一，方向偏离也很大；有的同学飞机机翼较小，飞行距离较远，但也就10米多。显然，这样的水平在竞赛时是没有竞争优势的。如何让纸飞机飞得更远，同时又保证较好的方向稳定性：这成为了我们思考和研究的主题。
　　有哪些因素会影响纸飞机的飞行距离呢？
　　同学们提出了许多可能会影响纸飞机飞行距离的因素：纸飞机的折法（机型）；同一架纸飞机，不同的同学放飞，成绩也会有差异；放飞的姿势；放飞时手的力度……
　　二、 方案设计与实施：纸飞机直线飞行距离的影响因素研究
　　1、 研究机型对纸飞机直线飞行距离的影响
　　变量控制：同一人用同样较小的力度，同样的放飞角度（约15度）原地进行放飞。
　　（图片中从左到右分别是：A、B、C、D四种机型）












　　数据分析：A与B机型比较得出，尖头结构的机型直线飞行距离明显更远；A、B机型在较小放飞力度情况下距离明显高于C、D机型。
　　讨论交流：在飞行过程中，纸飞机与空气发生摩擦，平头结构比尖头结构受到的空气阻力更大，飞机降速更明显。由于A、B机型的机翼更宽，表面积更大，受到的空气升力也更大，因此滑翔效果更好，在较小放飞力度下飞行距离相比较C、D机型更远。
　　得出结论：尖锐的机头结构呈流线型，能有效减少空气阻力，提高纸飞机直线飞行的性能。用较小的放飞力度也能飞出较远的距离，前提是飞机的滑翔性能要好。
　　2、 研究不同机型的纸飞机在不同放飞力度下的飞行状态
　　变量控制：放飞出手角度基本一致




　　现象分析：B机型机翼大，在较小的力度放飞时，滑翔性能好，但加大力度后，发现飞行效果变差，力度最大时，直接竖直上飞然后直接坠落，方向更是无法保证；C、D机型虽然总体上滑翔性能没那么好，但方向一直很稳定，且随着放飞力度的加大，滑翔性能开始逐渐趋好。
　　讨论交流：在较大放飞力度下，B机型较宽的机翼受空气作用力较大，纸质机翼容易发生大幅度变形，从而使飞机丧失了平衡，飞行极不稳定。C、D机型由于机翼窄，面积小且质地较硬（纸张经折叠层数多），不易发生变形，因此空气对机翼的作用力不足以改变飞机的飞行姿态，方向非常安定。由于力度的加大，飞机初速度快了，空气对机翼的升力也有所增加，从而实现了一定的滑翔。
　　得出结论：宽翼纸飞机在较小力度下，飞行距离尚可，但要继续提高飞行距离，难度很大。窄翼纸飞机，在加大放飞力度情况下，由于初速度的提高和滑翔性能的改善，飞行距离会更远。
　　3、 研究放飞力度对不同机型的纸飞机直线飞行距离的影响
　　变量控制：放飞出手角度基本一致






　　数据分析：加大放飞力度后，B机型飞行距离没有增大反而减少，C、D机型飞行距离都随放飞力度的增大而增大了。特别是机翼更窄的D机型，飞行距离比较可观，在比赛中有一定的竞争力。
　　讨论交流：实验数据证实了之前同学们的推测：滑翔效果好的宽翼纸飞机未必是最佳的直线距离机型，窄翼纸飞机虽然滑翔性能弱，但可以通过加大放飞力度来弥补，并且有改善成绩的空间（持续加大放飞力度，这也是为什么创下纸飞机直线距离世界纪录69.14米的“苏珊”飞机是由橄榄球运动员放飞的原因）。D机型比C机型在同样条件下飞行距离更远，推测可能是它的滑翔性能更好。
　　得出结论：对最初的四种机型进行研究实验后，发现不同机型的纸飞机性能是有差异的，不仅要考虑滑翔性能，更要考虑方向的稳定性（比赛时只有两次飞行的机会）。
　　有了实验数据的支持，我们初步确定了D机型作为直线距离比赛的首选机型。
　　接下去，我们要做的就是对D机型进行进一步的研究并改进，以期获得更好的飞行效果。
　　在之前的C机型和D机型的比较中，有同学推测两者的滑翔性能有差异，但是D机型的机翼比C机型更窄，看似有些矛盾。经过同学们收集和查阅相关资料，发现机身和机翼的尺寸比例也会影响滑翔性能。C机型机翼采用对折法，单侧机翼与机身宽度比是1：1；而D机型制作机翼时不是用对折法，单侧机翼是2.5厘米，机身只有1厘米，单侧机翼与机身宽度比是2.5：1，也就是说机翼相比机身更宽一些。
　　4、 研究纸飞机机翼（单侧）机身宽度比例对直线飞行距离的影响
　　变量控制：D机型，放飞力度和出手角度基本一致






　　数据分析：机翼机身宽度比例不同，滑翔性能有差异，直线飞行距离也有影响。
　　得出结论：当机翼机身宽度比为 1.92  时，直线飞行距离最远。
　　在飞行过程的后半段即飞机下落过程中，同学们发现有的飞机快速下坠，有的飞机缓慢地平缓地下落，觉得快速下坠的应该是机头偏重，重心位置太靠近机头。于是提出纸飞机飞行距离应该还与重心位置有关系。对此，我们也进行了后续的实验。
　　那如何改变重心位置，控制重心前后移动呢？增加配重，这违背了比赛的规则，显然不可行。经过大家的一致探讨，我们在折叠纸飞机时，通过控制将制作过程中往机尾翻折的长度不同（如图二中所示距离），来调整整体飞机的重心，往后翻折少，重心靠前；往后翻折多，重心就后移。同时，保持其他制作时的变量都一样，放飞时的因素也控制成基本一致。
　　D机型的前三步的折法示意：





　　5、 研究纸飞机重心位置对直线飞行距离的影响
　　变量控制：D机型，根据机翼机身比1.92确定机翼折痕线，放飞方式全部一致






　　分析数据，得出结论：纸飞机的重心位置对直线飞行距离有影响。该机型折叠时，这组实验中顶点距离底边5厘米最佳。
　　当然上述的这些实验只能初步地确定一个大概的理想范围，要想得到更佳的效果，我们还需要在相应范围内设置多组实验，确定更精细的数据。此外，我们仅对这四种机型做了个初步的研究，纸飞机的折法千变万化，什么样的机型是性能最好的，这还有待所有的纸飞机爱好者进行研究。除了这些，同学们在后续的纸飞机的制作和放飞实践中，还发现许许多多的因素都会影响最后的飞行距离，如选择的纸张规格（普通A4打印纸是70g/m2，彩色A4卡纸是80g/m2）、制作的精确度、纸张的挺刮度的保持、压折痕的工具的选择等制作细节，放飞时出手角度、是否助跑、手持部位、力量和动作训练、空气的湿度等。同学们也尝试着用科学的方法去进行分析和探究，从而获得最好的效果。
　　三、纸飞机的研究性学习效果初现
　　正是基于同学们的这些研究和实验，获得了宝贵的数据，再加上同学们平时认真的有意识的训练，取得了不错的成效。2017年我校首次派运动员参加余姚市中小学生纸飞机比赛，王磊同学在直线距离项目中飞出了35米的距离，同年又参加了宁波市的纸飞机挑战赛，6位同学参加了直线距离项目，获得了4个二等奖和2个三等奖，团体赛也获得了宁波市中学组第四名的好成绩。2018年我校又在该项目上获得了余姚市纸飞机比赛团体第二名。纸飞机研究学习成效显著。
　　四、结束语
　　小小纸折飞机，承载了孩子们儿时太多的梦想。貌似简单的纸飞机，原来还可以这样玩，一点都不是想象的那么简单。将研究性学习融入到纸飞机科技活动中，不仅能有效提升纸飞机运动的竞技水平，让孩子们收获成功的喜悦，还在这实践和活动当中，玩出科技元素的味儿来，既培养了孩子们的动手操作能力，强健了体魄，也激发了孩子们科学意识的火花，尝试着学会用科学的方法去思考问题，分析问题并解决问题。提升孩子们的科学素养和综合素质，这应该就是所有像纸飞机这样的科技活动的最大初衷吧！
　　参考文献：
　　[1]解润滢.空气动力学在折叠纸飞机性能优化中的应用.科技经济导刊 2018，26（4）
　　[2]周恒，张涵信.空气动力学的新问题.中国科学：物理学力学天文学，2015，45（10）
　　[3]王冈，曹振国，航空模型的原理与制作.北京：北京科学技术出版社，1998.
　　[4]张肇丰.试论研究性学习.课程.教材.教法，2000（6）：42-45.