限时载运飞行器工程教育
课程体系
学飞机 · 做飞机 · 飞飞机 · 参加比赛
面向中小学生的四阶段航空工程教育课程
面向中小学生的四阶段航空工程教育课程
新疆生产建设兵团航空模型运动协会
秘书长：刘煜灏 项目主管教练：苏教练
二〇二六年八月
〔2026〕兵航协字第04号
一、课程概述
（一）课程定位
本课程以"中国青少年飞行器设计创新大赛（CAADC）"限时载运竞赛项目为真实工程目标，引导中小学生完成从气动设计、三维建模、数字制造到飞行操控、团队竞赛的完整工程链条，是一门以赛促学、做中学的跨学科工程实践课程。
（二）课程理念
不教孩子"记住"知识，而是让孩子在造一架真飞机的过程中"需要"知识——当重心偏了飞机翻跟头，孩子自然会去查为什么会偏；当翼型不对飞机飞不起来，孩子自然会去理解什么是升力。知识不再是考完就忘的死记忆，而是解决真实问题的活工具。
（三）适用对象
- 小学高年级（4~6年级）：10~12岁，以体验和基础认知为主
- 初中阶段（7~9年级）：13~15岁，以设计和制造为主，可参加全国赛
- 高中阶段（10~12年级）：16~18岁，以气动优化和团队竞技为主，冲击奖项
（四）课程总目标
- 知识目标：理解升力/重力/推力/阻力四大飞行力，掌握翼型/迎角/重心等核心概念，了解空气动力学基础
- 技能目标：能用犀牛软件画三维零件图，能用XFLR5做翼型仿真，能操作激光切割机和3D打印机制造零件，能完成切削粘磨调试五道工序，能遥控飞行
- 素养目标：建立工程思维（需求→设计→验证→迭代），培养团队协作能力和抗挫折能力，养成严谨精确的做事习惯
- 竞赛目标：组建校队参加CAADC全国赛，限时载运项目力争进入全国前10名
二、课程结构总览
课程分为四个阶段，共计48课时（可按学校实际情况压缩至32课时或扩展至64课时）：
| 阶段 | 名称 | 课时 | 核心内容 | 成果产出 |
|---|---|---|---|---|
| 第一阶段 | 学飞机 | 12课时 | 飞行原理+气动仿真+三维制图基础 | 翼型仿真报告+零件三维图 |
| 第二阶段 | 做飞机 | 20课时 | 激光切割+3D打印+切削粘磨调试 | 方舟90真机1架 |
| 第三阶段 | 飞飞机 | 10课时 | 模拟器+教练机+真机飞行训练 | 独立完成起降+转弯 |
| 第四阶段 | 参加比赛 | 6课时+集训 | 团队配合+地面周转+实战模拟 | 参加全国CAADC大赛 |
| 合计 | 48课时 | 完整工程教育闭环 | ||
三、第一阶段：学飞机（12课时）
阶段目标
12课时让学生理解飞机为什么能飞，学会用专业软件看到翼型的升力曲线，在犀牛软件中画出第一个零件的三维图。这一阶段从"飞机很酷"到"我知道它为什么能飞"。
第1课：飞机为什么能飞（2课时）
- 四大飞行力：升力（吹纸条实验）、重力（跷跷板类比）、推力（游泳蹬水类比）、阻力（逆风骑车类比）
- 伯努利原理：空气流得快的地方压力小，机翼上面空气流得快→升力
- 迎角概念：机翼抬头角度越大升力越大，但太大会失速
课后任务：回家用纸折一架纸飞机，调整机翼角度观察飞行变化
第2课：认识飞机的结构（2课时）
- 机翼：产生升力的核心，翼展/翼弦/展弦比/翼面积
- 机身：装载货物和设备，货舱尺寸和容积
- 尾翼：平尾控制俯仰、垂尾控制航向，双尾梁+H尾布局
- 动力系统：电机、螺旋桨、电子调速器、电池
- 操控系统：舵机、摇臂、拉杆、遥控器
第3课：翼型——飞机的DNA（2课时）
- 什么是翼型：机翼的截面形状，决定了飞机的性格
- NACA四位数翼型：NACA 4415的含义（弯度4%、弯位置4%、厚度15%）
- 方舟90选型理由：NACA 4415高升力、温和失速、适合低速重载
- XFLR5入门：打开软件 → 导入翼型 → 设置雷诺数 → 看极线图
课后任务：在XFLR5中对比NACA 4415和NACA 0012的极线差异
第4课：雷诺数与升力公式（2课时）
- 雷诺数：流体惯性与粘性的比值，方舟90巡航雷诺数约10万
- 升力公式：L = ½ρV²S·CL，每个符号的含义
- 用公式估算：方舟90在11m/s巡航速度下的升力是否够
- 失速：迎角过大→气流分离→升力骤降，CL曲线的拐点
第5课：XFLR5机翼仿真实操（2课时）
- 3D机翼定义：翼展2240mm、翼弦400mm、翼根/翼尖参数
- LLT升力线理论分析：看展向升力分布
- 读结果：CL-α曲线（升力随迎角变化）、CD-α曲线（阻力）、L/D曲线（升阻比）
- 方舟90的仿真结果：巡航升阻比约16.8、失速迎角约15°
第6课：犀牛三维制图入门（2课时）
- 界面认识：视图操作、坐标系统、图层管理
- 基础命令：画线、画矩形、画圆、挤出实体
- 实操练习：画一个简单的机翼肋片（翼肋）
- 导出DXF：三维图 → 二维展开图 → 激光切割机可读格式
阶段成果：每个学生完成1份翼型极线截图+1个零件三维图
四、第二阶段：做飞机（20课时）
阶段目标
20课时学生亲手制造一架方舟90运输机。从激光切割下料到3D打印定制件，从手工切削粘磨到整机调试，完整经历"切、削、粘、磨、调试"五道工序，最终拿出一架能飞的真飞机。
第7~8课：激光切割下料（4课时）
- 安全培训：激光切割机操作规程、防护要求
- 图纸准备：在犀牛中排列零件 → 导出DXF → 设置切割参数
- 上机切割：机身侧板、隔板、机翼、尾翼、货仓壁板等全部结构零件
- 质量检验：尺寸核对、边缘检查、编号标记
教学要点：尺寸画错0.5mm就装不上——让孩子在真实错误中理解"工程精度"的含义。
第9~10课：3D打印定制件（4课时）
- 定制件清单：电机座×2、舵角×4、连接接头×4、起落架支架×2
- 设计流程：犀牛画图 → 导出STL → 切片软件设置 → 打印
- 打印实操：上料、调平、启动、监控
- 后处理：拆支撑、打磨、试装
教学要点：打印失败重来是常态——培养迭代设计的工程思维。
第11~12课：削——手工修整塑形（4课时）
- 机翼前缘削弧形：从平面到弧面，产生升力的几何基础
- 翼型后缘削薄至1mm：减少阻力，气流顺滑
- 对接面削平：保证粘接强度
- 隔板修整：确保与机身边缘吻合
教学要点：一个机翼前缘削200刀以上——练的是手眼协调和耐心。
第13~15课：粘——结构组装（6课时）
- 组装顺序：机身底板→侧板→隔板→货仓壁板→机翼对接→尾翼→双尾梁
- 粘接工艺：胶量控制（多了重、少了散）、角度控制（差2°全机歪）
- 关键节点：电机座安装（决定推力线）、舵机安装（决定操控精度）、起落架安装（决定起降姿态）
- 布线：舵机线、电源线、信号线走线规划和固定
教学要点：双尾梁要平行、H尾要对称、起落架要垂直——没有量角器，靠眼睛和手感。
第16课：磨——表面处理与气动修形（2课时）
- 接缝磨平：减少寄生阻力
- 翼面磨光滑：保证气流顺滑附着
- 边缘倒角：防止瓦楞纸板分层
第17~18课：调试——让飞机能飞（4课时+课后）
- 重心校核：量重心位置，确保在设计重心范围内（货仓形心=设计重心）
- 舵量调试：副翼/方向舵/升降舵行程设置
- 推力校核：双电机推力对称性检查
- 全系统检查：电池电压、接收机信号、舵机方向确认
- 地面滑行测试：低速滑行检查起落架和方向控制
阶段成果：方舟90真机1架，通过全部调试检查，具备首飞条件。
五、第三阶段：飞飞机（10课时）
阶段目标
10课时学生学会遥控飞行，从模拟器到教练机再到自己造的方舟90，最终能独立完成起飞、巡航、180°转弯和降落。
第19~20课：模拟器训练（4课时）
- 模拟器安装和遥控器配对
- 基础操控：油门控制→方向舵→升降舵→副翼
- 起飞训练：加速→拉杆→离地→爬升
- 降落训练：对准跑道→减速→接地→滑行
- 转弯训练：协调转弯（副翼+方向舵联动）
过关标准：模拟器连续3次完成"起飞→巡航→转弯→降落"无坠机
第21~23课：教练机实操（6课时）
- 教练机使用：先飞容易飞的飞机，建立手感
- 起飞实操：手掷/滑跑起飞，教练辅助
- 空中操控：巡航航向保持、转弯、高度控制
- 降落实操：进近角度、接地速度、滑跑减速
- 应急处理：失速改出、方向偏移修正
第24课：方舟90首飞（2课时+课后）
- 首飞前检查：重心、舵量、电量、结构完整性
- 首飞：教练辅助起飞→巡航→转弯→降落
- 飞行后检查：结构完整性、舵机状态、电池温度
- 问题记录：偏航/滚转/俯仰趋势，用于后续调整
教学要点：当学生亲手造的飞机第一次离地——那一瞬间，他会记住一辈子。
六、第四阶段：参加比赛（6课时+集训）
阶段目标
6课时+集训组建竞赛团队，飞行员/装填手/调度员三人配合，完成6分钟三趟穿梭运输循环，参加全国CAADC大赛。
第25课：竞赛规则精讲（2课时）
- 规则详解：80m跑道、6分钟、三趟循环、90块/趟、5400分满分
- 航线解析：正中装货/起降、两端±40m空中180°折返、不落地
- 评分规则：载运块数×10×2轮，地面周转时间决定成绩
- 犯规与扣分：超时、偏出跑道、空中触地等
第26课：地面周转训练（2课时）
- 散装倒仓手法：倒2/3→抖实→补倒→抹平，10~15秒完成
- 填充率控制：85%以上方块不滑动
- 卸货流程：开舱→倾倒→清空→复位
- 三人配合：飞行员到位→装填手倒货→调度员报时
第27课：航线飞行训练（2课时）
- 起飞→爬升→巡航40m→180°转弯→巡航80m→180°转弯→降落
- 满载操控：4.5kg全机重量下的转弯和航向控制
- 时间分配：每个循环约90秒，三循环270秒，地面周转约90秒
第28课：全流程实战模拟（2课时）
- 6分钟计时：三趟完整循环
- 故障应对：电机失效、舵机卡死、货舱堵塞等预案
- 成绩记录：运了多少块、用了多少时间
- 复盘分析：哪个环节慢了、哪个动作失误了
阶段成果：团队完成至少1次6分钟全流程模拟，成绩稳定在4000分以上，具备参赛条件。
集训阶段：赛前强化（赛前4~6周，每周2~3次）
- 专项强化：薄弱环节集中突破
- 模拟赛：按正式比赛流程进行，教练计时评分
- 心理调适：比赛心态、应变能力
- 设备备份：备用飞机、备用电池、备用工具
七、课程评价体系
（一）学生评价（过程性+结果性）
| 评价维度 | 评价指标 | 权重 | 评价方式 |
|---|---|---|---|
| 知识掌握 | 飞行原理、翼型、气动概念测试 | 20% | 课堂问答+小测验 |
| 软件操作 | 犀牛画图、XFLR5仿真独立完成 | 15% | 实操作品评审 |
| 制造工艺 | 切削粘磨调试五道工序完成质量 | 25% | 实物质量评定 |
| 飞行技能 | 起飞/巡航/转弯/降落独立完成 | 20% | 飞行实操考核 |
| 团队协作 | 地面周转配合、竞赛角色执行 | 10% | 模拟赛观察 |
| 工程素养 | 严谨态度、抗挫折、迭代改进 | 10% | 过程观察记录 |
（二）课程评价
- 学生满意度问卷（课程结束后）
- 技能达成率统计（各阶段过关人数/总人数）
- 竞赛成绩（参加CAADC的最终成绩排名）
- 学校反馈（科技教师、班主任、校领导评价）
八、设备与材料清单
（一）核心设备（一次性投入，3~5年摊销）
| 设备 | 规格 | 单价（元） | 数量 | 小计（元） |
|---|---|---|---|---|
| 激光切割机 | CO2 60W，幅面600×400mm | 12,000~15,000 | 1台 | 12,000~15,000 |
| 3D打印机 | FDM双喷头，300×300×300mm | 5,000~6,000 | 1台 | 5,000~6,000 |
| 遥控模拟器 | 含遥控器+软件 | 300~500 | 1套 | 300~500 |
| 教练机 | 轻量训练用遥控飞机 | 300~500 | 2架 | 600~1,000 |
| 工具箱 | 美工刀/砂纸/胶枪/焊接工具等 | 500 | 1套 | 500 |
| 设备合计 | 18,400~23,000 | |||
（二）单架飞机造价（每架约3,500元）
| 类别 | 项目 | 规格 | 金额（元） |
|---|---|---|---|
| 结构 | 瓦楞纸板 | 3mm双瓦楞，2张 | 60 |
| 结构 | 棉线/碳杆加强 | 1套 | 20 |
| 动力 | 无刷电机2216 | 2台 | 120 |
| 动力 | 电子调速器30A | 2个 | 100 |
| 动力 | 螺旋桨 | 1045桨×4 | 20 |
| 动力 | 锂电池3S 5000mAh | 2块 | 160 |
| 操控 | 舵机9g | 4个 | 60 |
| 操控 | 接收机+遥控器 | 6通道 | 200 |
| 3D打印 | PLA线材 | 1卷 | 80 |
| 竞赛 | EVA方块 | 90块 | 45 |
| 耗材 | 热熔胶/CA胶/胶带等 | 1套 | 80 |
| 其他 | 电线/插头/热缩管等 | 1套 | 135 |
| 单架合计 | 3,500 | ||
九、师资配置
| 角色 | 人员 | 职责 | 投入 |
|---|---|---|---|
| 主管教练 | 苏教练 | 课程设计、核心教学、飞行训练、竞赛指挥 | 全程 |
| 助理教练 | 协会指派 | 制造工艺指导、安全监督、设备维护 | 制造阶段 |
| 学校教师 | 学校科技教师 | 组织管理、日常答疑、安全监督 | 全程 |
十、安全规程
安全是底线，任何时候不得妥协。
- 激光切割机：操作时佩戴护目镜，禁止打开机盖运行，课后断电
- 3D打印机：高温部件禁止触碰，运转时不得离人
- 美工刀：使用刀刃保护套，削切方向远离身体，课后收刀入箱
- 热熔胶枪：高温警告，禁止触碰枪嘴，使用专用支架
- 电池：锂电池禁止短路、过充、物理损伤，充电时有人值守
- 飞行训练：划定飞行区域和观众区域，飞行时非操控人员退至安全线外，备急救包
- 应急预案：每次实操课至少1名教师持急救包在场，最近医院路线提前确认
十一、实施建议
（一）给局方的建议
- 将本课程列为兵团青少年科技体育特色课程，发文推荐至兵团系统各中小学
- 协调3~5所试点学校，2026年秋季学期启动
- 给予专项资金支持设备采购和竞赛差旅
- 协调飞行训练场地（学校操场或体育场馆）
（二）给学校的建议
- 将课程纳入校本课程或课后服务时间，每周安排2课时
- 安排1名科技教师全程参与，接受协会师资培训
- 提供普通教室用于理论课和制造课，提供操场用于飞行训练
- 选拔6~10名对科学和飞行有热情的学生组成校队
- 预留竞赛参赛经费（含报名费、差旅费、材料补充费）
十二、预期成果
| 维度 | 第一学年 | 第二学年 | 第三学年 |
|---|---|---|---|
| 覆盖学校 | 3~5所 | 8~10所 | 15+所 |
| 覆盖学生 | 60~80人 | 200+人 | 500+人 |
| 制造飞机 | 3~5架 | 10+架 | 25+架 |
| 竞赛成绩 | 组队参赛 | 全国前15 | 全国前10 |
| 师资培养 | 3~5名 | 10+名 | 20+名 |
三年愿景：形成"兵团青少年航空工程教育"特色品牌，建立可复制、可推广的STEM教育兵团模式，为新疆低空经济产业培养具有工程素养的后备人才。
新疆生产建设兵团航空模型运动协会
秘书长：刘煜灏 项目主管教练：苏教练
二〇二六年八月二十二日
附件：36篇系统化设计文档目录、方舟90技术参数表、各阶段教学PPT模板
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