面向跨學科教育的“智慧水火箭”創新設計與開發

龔佳欣??鐘柏昌

摘要： 跨學科教育的重要性日益凸顯，水火箭的制作及發射與多個學科密切相關，適合將其設計為跨學科教育項目。本文梳理了水火箭的研究現狀，深入挖掘了水火箭的教育價值，基于傳統水火箭的特點與局限，創新設計與開發了一種面向跨學科教育的低成本“智慧水火箭”，為跨學科教育項目的創新開發提供案例參考與經驗借鑒。

關鍵詞：跨學科主題學習;STEM教育;水火箭;信息科技;設計與開發

學科發展綜合交叉的態勢使得跨學科教育進入人們的視野。人們對跨學科一詞并不陌生，無論是“培養全面發展的人”還是“五育并舉”，其背后都若隱若現跨學科教育的影子。所謂跨學科教育，即通過多個學科概念的融合與學習，形成跨學科大概念，運用跨學科大概念解決單一學科解決不了或無法徹底解決的跨學科問題，在跨學科問題解決的過程中逐步培養學生的跨學科思維，進而促進學生創新能力的發展^[1]。作為一種打破學科界域的教育活動，跨學科教育愈發成為教育改革與發展的焦點。教育部頒布的《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》中頻見跨學科一詞，并在各學科課程中新增跨學科主題學習活動，以加強學科間相互關聯，帶動課程綜合化實施。可以說，跨學科教育已成為新時代課程改革的重要方向和有力抓手。

目前，以STEM教育為典型代表的跨學科實踐活動涌現出了較多優秀的教學項目^[2]。水火箭是一種利用質量比和氣壓作用設計的模型，它制作簡便、探索性強、創造性高，作為物理學科的經典教學案例，能夠從不同角度設計多種教學內容，具有豐富的跨學科教育價值。《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確指出，水火箭適合成為跨學科教育的素材。遺憾的是，目前基于水火箭的教學項目多囿于制作步驟與方法的講解，且其功能設計單一，重復利用率較低，本質上仍屬于體驗式學習活動，未能充分體現實踐創新導向的跨學科教育理念，既不利于學生跨學科思維的形成，又不利于學生創新能力的培養。因此，深入挖掘水火箭的跨學科教育價值，創新設計面向跨學科教育的水火箭項目，具有重要的研究價值。

一、傳統水火箭的研究探索

目前，水火箭的教育研究與實踐主要集中在制作改造與發射探究兩大類上，其目的均為優化水火箭的飛行軌跡，從而使水火箭飛得更高、更遠。制作改造類旨在通過不同的制作材料以及制作方式，讓水火箭獲得盡可能大的發射速度以及盡可能小的空氣阻力;發射探究類聚焦于影響水火箭飛行的因素，并通過多次實驗找到最優的發射方法和發射角度。

制作改造水火箭的研究方向較為多樣。例如，為了增大水火箭的加速度，汪海與學生利用自行車氣門芯嘴以及膠管將兩個可樂瓶串聯起來，自制了一個二級加壓水火箭，發射后，二級箭體與一級箭體間產生了氣壓差，利用氣壓差便可使兩個箭體間的膠管脫落，實現水火箭的二次加速;同時，為水火箭制作了降落傘，利用輕重物體受到不同的空氣阻力，使箭體發射后自然翻轉，從而掉出降落傘^[3]。又如，李江等人在此基礎上，仿照長征三號運載火箭改進制作了多節單體三助推水火箭，在主箭體旁捆綁三個助推器，四個噴水口同時向下噴水，當助推器內的水噴射完后自動脫落，主火箭繼續上升，其射程可達500米;考慮到重力開傘的穩定性較差，其利用延時繼電器實現降落傘的自動開傘^[4]。再如，江濤等人跳出利用物理方法改造水火箭的討論，將水火箭中的水替換為過氧化氫（H₂O₂）溶液，引導學生嘗試加入不同的催化劑，利用催化劑與過氧化氫的反應使箭體內產生大量氣體，觀察內部的壓力變化。實驗發現，利用過氧化氫和碘化鉀（KI）催化劑，能夠極大地提升水火箭的飛行效果^[5]。

與制作改造水火箭相比，發射探究類水火箭的研究較為集中，主要關注發射角度、注水質量、發射壓力、箭體形狀四種影響因素。例如，楊慧迪等人從理論與實驗的角度探究了上述四種因素對水火箭飛行距離的影響。他們通過控制變量法，逐一探究各因素影響下水火箭的飛行效果，并對實驗數據的處理結果進行理論分析，揭示了水火箭各階段的飛行狀態及受力關系^[6]。又如，為了培養學生的工程思維與創造能力，祝聲彥將水火箭設計成通用技術學科的教學項目，讓學生自主制作水火箭并探究影響其飛行的因素，并巧妙地利用水火箭打靶試驗激發學生的探究意識，引導學生嘗試水火箭的不同制作方式以及最優發射方法^[7]。

總的來說，無論是改造水火箭還是對其飛行因素進行實驗探究，諸多學者都對此進行了充分的探索，其中不乏較具創意的結構改造與實驗設計。然而，現有研究多數仍局限于如何提升水火箭的發射效果和性能。不可否認，這是水火箭研究的一個重要部分，但水火箭作為寓教于樂、強調做中學的跨學科教育素材，其教育價值同樣不容忽視。一味追求如何提高水火箭的性能，而不考慮其教育性或令水火箭研究步入歧途。因為過高的成本和專業性，使水火箭成為小部分專業愛好者的研究工具而非教學用具，阻礙了水火箭的普及與推廣，淹沒了水火箭豐富的教育意義。故分析水火箭現有的特點與局限，創新設計適合跨學科教育的水火箭，是水火箭研究價值轉向的當務之急。

二、水火箭的跨學科教育價值

毋庸諱言，水火箭的發射原理與物理學科中力學的內容高度相關，故基于水火箭的跨學科教學項目離不開物理學科知識。然而，正是由于水火箭的發射原理與物理學科關聯緊密，導致目前的教學形態常以物理單科為主導，而忽視其他學科在該項目中扮演的角色。有鑒于此，從跨學科教育的角度挖掘創新水火箭的設計，是超越現有教學設計的重要切入點。

基于跨學科視角的水火箭項目，不僅在設計與制作環節需要有機融合科學、技術、工程與數學等學科領域的知識，在發射過程中還將涉及火箭發射原理、液體燃料等物理和化學相關知識。因此，水火箭的制作與發射屬于交叉學科范疇，是一種涉及學科更廣、適用性更強的跨學科教育，其所涉學科及其教育內容見表1。

三、“智慧水火箭”的創新設計

（一）傳統水火箭的設計局限

從教育視角審視傳統水火箭的設計，其局限性主要體現在以下三個方面。

1.聚焦物理學科，未能跳出思維定式

提起水火箭，師生間已默認其屬于物理領域的內容，制作水火箭的主要目的即為體驗力的相互作用等物理知識。學生容易停留于簡易水火箭的制作與試射，創造性較低，對物理之外的其他學科知識了解較淺，難以達到最佳的學習效果。在前述研究中，部分研究者已經嘗試從水火箭在化學、數學、通用技術等學科的教育價值入手，實踐水火箭教學項目并取得一定成果，這無疑是水火箭跨學科教學的良好開端。然而，上述學科與水火箭仍有較強聯系，可視為水火箭的傳統教育研究范疇，尚未跳出思維定式來探索水火箭結合其他學科的教育潛力。

2.實驗探究雷同，缺少垂直高度數據

目前，針對影響水火箭飛行的因素，研究者均只考慮水火箭的水平射程，沒有將水火箭的垂直高度納入實驗探究之中，大多數研究所探究的影響因素有限，導致實驗過程設計高度雷同。在教學中，基于水火箭開展的比賽幾乎都是比較其最遠飛行距離，無法比較其發射的最大高度。一方面，水火箭發射高度數據的缺失，必然造成無法有效探究水火箭飛行的部分關鍵影響因素（如空氣阻力等）;另一方面，比較水火箭發射的距離需要較大且空曠的發射場地，部分校園面積較小的中小學校難以開展水火箭教學項目實驗。

3.部件回收難度較高，難以穩定準確開傘

在前述研究中，部分研究者為水火箭的主箭體配備了降落傘，卻未考慮在空中分離的箭體或助推器的回收需求，在脫離主箭體后，分離的部件下落速度較大，著陸點難以掌控，不利于保護學生的人身安全，亦難以重復利用，不利于控制成本。更深入的問題在于，即使主箭體帶有降落傘，但重力開傘裝置存在偶然性，降落傘的打開會受到多種因素影響，此種開傘方式穩定性較差，失敗率較高;而利用延時繼電器的自動開傘裝置，雖能極大提高開傘的成功率，但延時開傘的時間無法準確設置，在發射過程中可能出現未達最高處即開傘，或著陸后仍未開傘的情況。

（二）“智慧水火箭”的創新亮點

面對上述問題，破局的關鍵在于水火箭發射高度的獲取。若能結合其他學科的知識與技術，準確記錄水火箭的發射高度，同時針對降落傘開傘方式進行優化，則傳統水火箭面臨的問題便可迎刃而解，同時也能夠為水火箭拓展新的研究空間。遵循上述創新設計思路，面向跨學科教育的“智慧水火箭”創新設計應運而生，其主要具有以下特點。

1.結合信息科技，利用傳感器獲取高度

想要獲取水火箭的發射高度，對于傳統水火箭來說并無太好的辦法，往往只能通過目測大致判斷，誤差較大。信息科技學科能夠引導學生利用信息技術工具，深度融合物理世界與數字世界，利用信息科技獲取與處理信息，從而創造性地解決問題。為了獲得水火箭的發射高度，師生可以結合信息科技學科中涉及的傳感器知識與技術，在“智慧水火箭”上搭載傳感器模塊，利用水火箭飛行過程中的氣壓、溫度、海拔高度等狀態變化，獲得水火箭的發射高度。這不僅是水火箭在信息科技學科中教育價值的拓展，也是對傳統水火箭設計的創造性革新。

2.記錄實時高度，為實驗提供數據支撐

水火箭探究實驗設計雷同的重要原因之一是，無法探究水火箭發射過程中飛行高度的變化，僅能從有限的角度分析水火箭的飛行狀態。為更準確地探究水火箭飛行的影響因素，在前述利用傳感器模塊為水火箭提供飛行高度數據的基礎上，學生可以將傳感器測量得到的水火箭飛行的實時高度記錄下來，利用數據存儲模塊或其他技術手段將信息保存起來。待水火箭發射完成后，結合其他容易測量與獲得的飛行數據，教師引導學生進行數據的綜合處理，為水火箭的飛行因素探究提供更加全面翔實的數據支撐，填補了水火箭研究重要觀察維度的數據空白，增強了水火箭研究結論的科學性。

3.優化降落方式，下降過程中自動開傘

傳統水火箭降落時往往速度較大，容易造成危險。重力開傘方式與延時開傘方式雖然一定程度上減緩了水火箭的降落速度，卻犧牲了水火箭的發射性能。重力開傘方式在箭頭內放置重物，增加了水火箭的質量;延時開傘方式為了不影響水火箭的上升軌跡，往往在降落后期才開傘，此時水火箭下降速度較大且離地面較近，降落傘起到的作用微乎其微。優化方案是在水火箭下降過程前中期自動打開降落傘，不僅不影響水火箭的發射，還能夠極大地減緩水火箭的降落速度，使著陸點可控。這既能保障學生安全，又能保護水火箭完好無損，減少經費投入。

四、“智慧水火箭”的迭代開發

（一）從水火箭到“智慧水火箭”

綜合上述分析，結合傳統水火箭的基本結構，“智慧水火箭”的具體開發方案如圖1所示。基于開發方案，圖2梳理了“智慧水火箭”的發射全過程。

1.結構創新

區別于傳統水火箭的一體化設計，“智慧水火箭”將箭體一分為二，分為動力艙與設備艙。動力艙借鑒傳統水火箭的結構設計，與箭尾相連通，主要用來存儲“智慧水火箭”的發射用水。動力艙需要保證水火箭發射所需的密閉環境與承壓要求。其下部還附有四個尾翼，用于保持“智慧水火箭”的飛行穩定性。

設備艙用來存放“智慧水火箭”所需的功能組件，且不能與動力艙連通，一方面保持動力艙的氣密性，另一方面避免功能組件被水沾濕損壞。設備艙還需設置部分開口，便于傳感器與其他組件工作。為有效利用箭頭的空間，將降落傘置于箭頭內部，此舉出于兩方面的考慮：一是若降落傘置于設備艙內，可能出現傘繩鉤掛傳感器的情況;二是若專門為降落傘設計空間存放，則“智慧水火箭”體積需要增大，降低了水火箭的性能。

2.功能實現

圖3為“智慧水火箭”功能組件連接示意圖。與傳統水火箭相比，“智慧水火箭”搭載了高度測量模塊、數據記錄模塊和舵機等功能組件，能夠實現對水火箭高度數據的獲取與記錄，同時在下降過程中能夠控制降落傘自動打開。整套組件通過Arduino UNO控制板與鋰電池實現控制與供電，高度測量模塊采用BMP388氣壓式高度傳感器，可以根據不同高度氣壓的變化計算出當前水火箭所處的海拔高度，精度較高。數據記錄模塊則將傳感器每隔一定時間測量到的數據記錄下來，便于發射后進行數據處理與分析。

自動開傘裝置主要由舵機和兩條皮筋組成。將兩條皮筋其中一端固定于箭頭，正面皮筋另一端勾住舵機的擺臂;背面皮筋另一端固定于設備艙。兩條皮筋從兩側分別拉住箭頭使其處于平衡狀態，當控制板檢測到高度傳感器所測量的高度相較于上一次測量高度降低后，即向舵機發送信號，舵機轉動擺臂，正面皮筋被釋放，背面皮筋仍然緊繃，從而拉動箭頭向后側傾斜，降落傘飛出并打開。

（二）“智慧水火箭”的迭代改進

1.“智慧水火箭”初始版本

根據詳細的開發方案，研究團隊利用環保低成本材料制作完成了“智慧水火箭”的初始版本（如圖4a）。初始版本整體采用兩個1.25 L飲料瓶拼接而成。在設備艙與箭頭部分使用隔板隔開降落傘與各功能組件。如圖4b所示，控制板豎直置于設備艙內，其開關按鈕剛好通過小孔露出，便于啟動功能組件。高度傳感器固定于設備艙外部，舵機擺臂從設備艙垂直伸出勾住正面皮筋。設備艙內還放置有OBLOQ物聯網模塊與微型鋰電池。物聯網模塊可視作數據記錄模塊，其可以直接將獲取的高度數據發送到服務器終端，登錄后便可查看。降落傘采用垃圾袋制作，傘面平鋪后為圓形，傘面周邊均勻固定數根棉線作為傘繩。

初始版本制作完成后，研究團隊利用空曠場地檢驗飛行效果。在豎直試射過程中，發現效果并不理想。首先是飛行高度不夠。如圖5所示，物聯網模塊反饋的數據顯示，在發射過程中，水火箭的海拔高度變化為11米左右。其次是降落傘打開滯后且受到影響。一方面，“智慧水火箭”記錄數據及判斷是否開傘的時間間隔為0.8秒，間隔過長導致水火箭在兩次判斷之間已經下降了較大高度;另一方面，由于物聯網發送消息的電流會干擾控制開傘的舵機，導致舵機無法即時收回擺臂，在試射過程中出現了降落時降落傘未打開的情況。最后是降落傘減速能力不足。受限于垃圾袋的尺寸，圓形降落傘的直徑受限，導致降落傘的受力面積較小，減速效果不佳。

2.“智慧水火箭”最終版本

針對初始版本發射時遇到的問題，項目研究團隊逐步尋找解決方案并迭代改進，經過多次優化形成了“智慧水火箭”的最終版本（如圖6）。相比于初始版本，最終版本進行了以下四方面改進。

第一，將1.25 L飲料瓶更換為2 L飲料瓶。飲料瓶容積增大，水火箭動力增大，同時控制板能夠橫置其中，縮小了設備艙高度，有效提升了水火箭的發射高度。

第二，將測量間隔縮小至0.5秒，同時將判斷下落的高度差減小至0.8米。經過多次測試后，將測量間隔與下降高度差調整到較為合適的范圍，縮小了判斷時間及誤差。

第三，將數據記錄模塊由原先的物聯網模塊更換成EEPROM數據存儲模塊。此舉消除了物聯網反饋信號對舵機的干擾，發射后將主控板連接電腦，便可直接顯示或導出飛行數據，較為方便。

第四，將圓形降落傘更換為長方形降落傘。長方形降落傘能夠更加有效地利用垃圾袋形狀，增大降落傘的受力面積，有效減小水火箭的降落速度。

研究團隊又對“智慧水火箭”最終版本進行了發射實驗。如圖7所示，改進后的“智慧水火箭”發射高度達43米。同時高度測量模塊數據記錄準確，能明顯看出水火箭各階段的飛行狀態，為后續研究提供可靠依據。

基于此分析，“智慧水火箭”可以成為一種較為完善、富有教育價值的跨學科教育素材，圍繞“智慧水火箭”的特點能夠設計豐富的跨學科教學項目。以下，以筆者團隊提出的逆向工程教學模式為例^[8]，簡述“智慧水火箭”教學項目的基本教學流程。首先，教師事先準備好水火箭的相關資料或制作好簡易水火箭，供學生試射，讓學生感知水火箭的發射過程與原理。其次，教師引導學生探索簡易水火箭存在的缺陷，例如無法準確測量飛行高度等問題，鼓勵學生仔細觀察水火箭的結構，綜合考慮可行性與創新性，設計解決方案，利用身邊材料自主制作水火箭并測試，根據測試結果不斷迭代改進。最后，教師還需要對學生的作品進行評價，可以組織學生進行水火箭高度競賽，同時利用發射數據探究水火箭飛行的影響因素，讓學生在玩中學、做中學、賽中學，不斷提高學生的創新能力與跨學科實踐能力。若條件允許，在教學項目開展過程中，還可適當增加水火箭在語文、美術等方面的教學內容，引導學生鑒賞相關詩詞或對自己制作的水火箭進行美化，培養學生的愛國主義精神與審美能力。

五、總結與啟示

目前，中小學較為缺乏趣味性與挑戰性兼具的跨學科教學項目，同時部分STEM課程成本較高，教學活動開展難度大。本文從中小學實際教學需求出發，聚焦跨學科教育領域，設計了一種可記錄高度的低成本“智慧水火箭”。其一方面使知識顯性化，拓寬了水火箭探究實驗的數據維度;另一方面實現了信息科技與其他學科的深度融合，挖掘了水火箭結合信息科技的跨學科教育價值。“智慧水火箭”是跨學科教學項目開發的鮮活案例，同時其設計與開發的過程也為后續跨學科教學項目提供了參考與借鑒。研究團隊形成以下建議。

（一）選擇合適的跨學科教育素材

跨學科教育的最終目的即通過跨學科教學項目的開展，促進學生將理論與實踐相聯系，進而提升學生的跨學科創新能力。要使學生想學、樂學，則教育素材必須能夠激發學生的興趣，讓學生在玩中學。只有充分利用學生的學習積極性，寓教于樂，才能達到良好效果。因此，在選擇跨學科教育素材時應盡可能面向真實情境，選擇學生常見的、感興趣的，以及與其生活學習密切相關的問題情境展開。

（二）挖掘項目跨學科教育價值

跨學科教育的特點在于融合多學科的知識概念，使學生能夠將界限分明的不同學科的知識與技術整合起來，內化成統一整體，學以致用解決生活中的問題。在開發跨學科教學項目時，不能機械地將各學科知識簡單疊加，而需要深入挖掘項目在各個學科中的教育價值，結合項目實際情況創新設計跨學科教學項目。

（三）注重有效開展跨學科教育實踐

在開發跨學科教學項目時，還需考慮其能否有效地開展跨學科教育實踐。首先，要考慮項目實踐的難易程度，不要高不可攀，亦不要唾手可得。其次，要考慮項目的教學成本，項目所需的制作材料及零部件應盡可能容易獲得且造價較低，最好能重復利用。最后，跨學科教育實踐的重要價值不僅在于使學生能夠掌握跨學科概念，更重要的是讓學生在跨學科學習過程中形成解決問題的思維方式和創新能力。

整體而言，“智慧水火箭”基于水火箭這一跨學科教育素材，利用信息科技為水火箭賦予“智慧”，適合作為中小學操作性強且低成本的跨學科教學項目展開實踐，是跨學科教學項目創新設計與開發的有效嘗試。

注：本文系2022年廣東省學位與研究生教育改革研究重點項目“碩士生跨學科創新能力培養的4C教學模式研究”的研究成果。

參考文獻

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（作者龔佳欣系華南師范大學教育信息技術學院碩士研究生;鐘柏昌系華南師范大學教育信息技術學院教授、博士生導師，本文通信作者）