面向跨学科教育的“智慧水火箭”创新设计与开发

龚佳欣??钟柏昌

摘要： 跨学科教育的重要性日益凸显，水火箭的制作及发射与多个学科密切相关，适合将其设计为跨学科教育项目。本文梳理了水火箭的研究现状，深入挖掘了水火箭的教育价值，基于传统水火箭的特点与局限，创新设计与开发了一种面向跨学科教育的低成本“智慧水火箭”，为跨学科教育项目的创新开发提供案例参考与经验借鉴。

关键词：跨学科主题学习;STEM教育;水火箭;信息科技;设计与开发

学科发展综合交叉的态势使得跨学科教育进入人们的视野。人们对跨学科一词并不陌生，无论是“培养全面发展的人”还是“五育并举”，其背后都若隐若现跨学科教育的影子。所谓跨学科教育，即通过多个学科概念的融合与学习，形成跨学科大概念，运用跨学科大概念解决单一学科解决不了或无法彻底解决的跨学科问题，在跨学科问题解决的过程中逐步培养学生的跨学科思维，进而促进学生创新能力的发展^[1]。作为一种打破学科界域的教育活动，跨学科教育愈发成为教育改革与发展的焦点。教育部颁布的《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》中频见跨学科一词，并在各学科课程中新增跨学科主题学习活动，以加强学科间相互关联，带动课程综合化实施。可以说，跨学科教育已成为新时代课程改革的重要方向和有力抓手。

目前，以STEM教育为典型代表的跨学科实践活动涌现出了较多优秀的教学项目^[2]。水火箭是一种利用质量比和气压作用设计的模型，它制作简便、探索性强、创造性高，作为物理学科的经典教学案例，能够从不同角度设计多种教学内容，具有丰富的跨学科教育价值。《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出，水火箭适合成为跨学科教育的素材。遗憾的是，目前基于水火箭的教学项目多囿于制作步骤与方法的讲解，且其功能设计单一，重复利用率较低，本质上仍属于体验式学习活动，未能充分体现实践创新导向的跨学科教育理念，既不利于学生跨学科思维的形成，又不利于学生创新能力的培养。因此，深入挖掘水火箭的跨学科教育价值，创新设计面向跨学科教育的水火箭项目，具有重要的研究价值。

一、传统水火箭的研究探索

目前，水火箭的教育研究与实践主要集中在制作改造与发射探究两大类上，其目的均为优化水火箭的飞行轨迹，从而使水火箭飞得更高、更远。制作改造类旨在通过不同的制作材料以及制作方式，让水火箭获得尽可能大的发射速度以及尽可能小的空气阻力;发射探究类聚焦于影响水火箭飞行的因素，并通过多次实验找到最优的发射方法和发射角度。

制作改造水火箭的研究方向较为多样。例如，为了增大水火箭的加速度，汪海与学生利用自行车气门芯嘴以及胶管将两个可乐瓶串联起来，自制了一个二级加压水火箭，发射后，二级箭体与一级箭体间产生了气压差，利用气压差便可使两个箭体间的胶管脱落，实现水火箭的二次加速;同时，为水火箭制作了降落伞，利用轻重物体受到不同的空气阻力，使箭体发射后自然翻转，从而掉出降落伞^[3]。又如，李江等人在此基础上，仿照长征三号运载火箭改进制作了多节单体三助推水火箭，在主箭体旁捆绑三个助推器，四个喷水口同时向下喷水，当助推器内的水喷射完后自动脱落，主火箭继续上升，其射程可达500米;考虑到重力开伞的稳定性较差，其利用延时继电器实现降落伞的自动开伞^[4]。再如，江涛等人跳出利用物理方法改造水火箭的讨论，将水火箭中的水替换为过氧化氢（H₂O₂）溶液，引导学生尝试加入不同的催化剂，利用催化剂与过氧化氢的反应使箭体内产生大量气体，观察内部的压力变化。实验发现，利用过氧化氢和碘化钾（KI）催化剂，能够极大地提升水火箭的飞行效果^[5]。

与制作改造水火箭相比，发射探究类水火箭的研究较为集中，主要关注发射角度、注水质量、发射压力、箭体形状四种影响因素。例如，杨慧迪等人从理论与实验的角度探究了上述四种因素对水火箭飞行距离的影响。他们通过控制变量法，逐一探究各因素影响下水火箭的飞行效果，并对实验数据的处理结果进行理论分析，揭示了水火箭各阶段的飞行状态及受力关系^[6]。又如，为了培养学生的工程思维与创造能力，祝声彦将水火箭设计成通用技术学科的教学项目，让学生自主制作水火箭并探究影响其飞行的因素，并巧妙地利用水火箭打靶试验激发学生的探究意识，引导学生尝试水火箭的不同制作方式以及最优发射方法^[7]。

总的来说，无论是改造水火箭还是对其飞行因素进行实验探究，诸多学者都对此进行了充分的探索，其中不乏较具创意的结构改造与实验设计。然而，现有研究多数仍局限于如何提升水火箭的发射效果和性能。不可否认，这是水火箭研究的一个重要部分，但水火箭作为寓教于乐、强调做中学的跨学科教育素材，其教育价值同样不容忽视。一味追求如何提高水火箭的性能，而不考虑其教育性或令水火箭研究步入歧途。因为过高的成本和专业性，使水火箭成为小部分专业爱好者的研究工具而非教学用具，阻碍了水火箭的普及与推广，淹没了水火箭丰富的教育意义。故分析水火箭现有的特点与局限，创新设计适合跨学科教育的水火箭，是水火箭研究价值转向的当务之急。

二、水火箭的跨学科教育价值

毋庸讳言，水火箭的发射原理与物理学科中力学的内容高度相关，故基于水火箭的跨学科教学项目离不开物理学科知识。然而，正是由于水火箭的发射原理与物理学科关联紧密，导致目前的教学形态常以物理单科为主导，而忽视其他学科在该项目中扮演的角色。有鉴于此，从跨学科教育的角度挖掘创新水火箭的设计，是超越现有教学设计的重要切入点。

基于跨学科视角的水火箭项目，不仅在设计与制作环节需要有机融合科学、技术、工程与数学等学科领域的知识，在发射过程中还将涉及火箭发射原理、液体燃料等物理和化学相关知识。因此，水火箭的制作与发射属于交叉学科范畴，是一种涉及学科更广、适用性更强的跨学科教育，其所涉学科及其教育内容见表1。

三、“智慧水火箭”的创新设计

（一）传统水火箭的设计局限

从教育视角审视传统水火箭的设计，其局限性主要体现在以下三个方面。

1.聚焦物理学科，未能跳出思维定式

提起水火箭，师生间已默认其属于物理领域的内容，制作水火箭的主要目的即为体验力的相互作用等物理知识。学生容易停留于简易水火箭的制作与试射，创造性较低，对物理之外的其他学科知识了解较浅，难以达到最佳的学习效果。在前述研究中，部分研究者已经尝试从水火箭在化学、数学、通用技术等学科的教育价值入手，实践水火箭教学项目并取得一定成果，这无疑是水火箭跨学科教学的良好开端。然而，上述学科与水火箭仍有较强联系，可视为水火箭的传统教育研究范畴，尚未跳出思维定式来探索水火箭结合其他学科的教育潜力。

2.实验探究雷同，缺少垂直高度数据

目前，针对影响水火箭飞行的因素，研究者均只考虑水火箭的水平射程，没有将水火箭的垂直高度纳入实验探究之中，大多数研究所探究的影响因素有限，导致实验过程设计高度雷同。在教学中，基于水火箭开展的比赛几乎都是比较其最远飞行距离，无法比较其发射的最大高度。一方面，水火箭发射高度数据的缺失，必然造成无法有效探究水火箭飞行的部分关键影响因素（如空气阻力等）;另一方面，比较水火箭发射的距离需要较大且空旷的发射场地，部分校园面积较小的中小学校难以开展水火箭教学项目实验。

3.部件回收难度较高，难以稳定准确开伞

在前述研究中，部分研究者为水火箭的主箭体配备了降落伞，却未考虑在空中分离的箭体或助推器的回收需求，在脱离主箭体后，分离的部件下落速度较大，着陆点难以掌控，不利于保护学生的人身安全，亦难以重复利用，不利于控制成本。更深入的问题在于，即使主箭体带有降落伞，但重力开伞装置存在偶然性，降落伞的打开会受到多种因素影响，此种开伞方式稳定性较差，失败率较高;而利用延时继电器的自动开伞装置，虽能极大提高开伞的成功率，但延时开伞的时间无法准确设置，在发射过程中可能出现未达最高处即开伞，或着陆后仍未开伞的情况。

（二）“智慧水火箭”的创新亮点

面对上述问题，破局的关键在于水火箭发射高度的获取。若能结合其他学科的知识与技术，准确记录水火箭的发射高度，同时针对降落伞开伞方式进行优化，则传统水火箭面临的问题便可迎刃而解，同时也能够为水火箭拓展新的研究空间。遵循上述创新设计思路，面向跨学科教育的“智慧水火箭”创新设计应运而生，其主要具有以下特点。

1.结合信息科技，利用传感器获取高度

想要获取水火箭的发射高度，对于传统水火箭来说并无太好的办法，往往只能通过目测大致判断，误差较大。信息科技学科能够引导学生利用信息技术工具，深度融合物理世界与数字世界，利用信息科技获取与处理信息，从而创造性地解决问题。为了获得水火箭的发射高度，师生可以结合信息科技学科中涉及的传感器知识与技术，在“智慧水火箭”上搭载传感器模块，利用水火箭飞行过程中的气压、温度、海拔高度等状态变化，获得水火箭的发射高度。这不仅是水火箭在信息科技学科中教育价值的拓展，也是对传统水火箭设计的创造性革新。

2.记录实时高度，为实验提供数据支撑

水火箭探究实验设计雷同的重要原因之一是，无法探究水火箭发射过程中飞行高度的变化，仅能从有限的角度分析水火箭的飞行状态。为更准确地探究水火箭飞行的影响因素，在前述利用传感器模块为水火箭提供飞行高度数据的基础上，学生可以将传感器测量得到的水火箭飞行的实时高度记录下来，利用数据存储模块或其他技术手段将信息保存起来。待水火箭发射完成后，结合其他容易测量与获得的飞行数据，教师引导学生进行数据的综合处理，为水火箭的飞行因素探究提供更加全面翔实的数据支撑，填补了水火箭研究重要观察维度的数据空白，增强了水火箭研究结论的科学性。

3.优化降落方式，下降过程中自动开伞

传统水火箭降落时往往速度较大，容易造成危险。重力开伞方式与延时开伞方式虽然一定程度上减缓了水火箭的降落速度，却牺牲了水火箭的发射性能。重力开伞方式在箭头内放置重物，增加了水火箭的质量;延时开伞方式为了不影响水火箭的上升轨迹，往往在降落后期才开伞，此时水火箭下降速度较大且离地面较近，降落伞起到的作用微乎其微。优化方案是在水火箭下降过程前中期自动打开降落伞，不仅不影响水火箭的发射，还能够极大地减缓水火箭的降落速度，使着陆点可控。这既能保障学生安全，又能保护水火箭完好无损，减少经费投入。

四、“智慧水火箭”的迭代开发

（一）从水火箭到“智慧水火箭”

综合上述分析，结合传统水火箭的基本结构，“智慧水火箭”的具体开发方案如图1所示。基于开发方案，图2梳理了“智慧水火箭”的发射全过程。

1.结构创新

区别于传统水火箭的一体化设计，“智慧水火箭”将箭体一分为二，分为动力舱与设备舱。动力舱借鉴传统水火箭的结构设计，与箭尾相连通，主要用来存储“智慧水火箭”的发射用水。动力舱需要保证水火箭发射所需的密闭环境与承压要求。其下部还附有四个尾翼，用于保持“智慧水火箭”的飞行稳定性。

设备舱用来存放“智慧水火箭”所需的功能组件，且不能与动力舱连通，一方面保持动力舱的气密性，另一方面避免功能组件被水沾湿损坏。设备舱还需设置部分开口，便于传感器与其他组件工作。为有效利用箭头的空间，将降落伞置于箭头内部，此举出于两方面的考虑：一是若降落伞置于设备舱内，可能出现伞绳钩挂传感器的情况;二是若专门为降落伞设计空间存放，则“智慧水火箭”体积需要增大，降低了水火箭的性能。

2.功能实现

图3为“智慧水火箭”功能组件连接示意图。与传统水火箭相比，“智慧水火箭”搭载了高度测量模块、数据记录模块和舵机等功能组件，能够实现对水火箭高度数据的获取与记录，同时在下降过程中能够控制降落伞自动打开。整套组件通过Arduino UNO控制板与锂电池实现控制与供电，高度测量模块采用BMP388气压式高度传感器，可以根据不同高度气压的变化计算出当前水火箭所处的海拔高度，精度较高。数据记录模块则将传感器每隔一定时间测量到的数据记录下来，便于发射后进行数据处理与分析。

自动开伞装置主要由舵机和两条皮筋组成。将两条皮筋其中一端固定于箭头，正面皮筋另一端勾住舵机的摆臂;背面皮筋另一端固定于设备舱。两条皮筋从两侧分别拉住箭头使其处于平衡状态，当控制板检测到高度传感器所测量的高度相较于上一次测量高度降低后，即向舵机发送信号，舵机转动摆臂，正面皮筋被释放，背面皮筋仍然紧绷，从而拉动箭头向后侧倾斜，降落伞飞出并打开。

（二）“智慧水火箭”的迭代改进

1.“智慧水火箭”初始版本

根据详细的开发方案，研究团队利用环保低成本材料制作完成了“智慧水火箭”的初始版本（如图4a）。初始版本整体采用两个1.25 L饮料瓶拼接而成。在设备舱与箭头部分使用隔板隔开降落伞与各功能组件。如图4b所示，控制板竖直置于设备舱内，其开关按钮刚好通过小孔露出，便于启动功能组件。高度传感器固定于设备舱外部，舵机摆臂从设备舱垂直伸出勾住正面皮筋。设备舱内还放置有OBLOQ物联网模块与微型锂电池。物联网模块可视作数据记录模块，其可以直接将获取的高度数据发送到服务器终端，登录后便可查看。降落伞采用垃圾袋制作，伞面平铺后为圆形，伞面周边均匀固定数根棉线作为伞绳。

初始版本制作完成后，研究团队利用空旷场地检验飞行效果。在竖直试射过程中，发现效果并不理想。首先是飞行高度不够。如图5所示，物联网模块反馈的数据显示，在发射过程中，水火箭的海拔高度变化为11米左右。其次是降落伞打开滞后且受到影响。一方面，“智慧水火箭”记录数据及判断是否开伞的时间间隔为0.8秒，间隔过长导致水火箭在两次判断之间已经下降了较大高度;另一方面，由于物联网发送消息的电流会干扰控制开伞的舵机，导致舵机无法即时收回摆臂，在试射过程中出现了降落时降落伞未打开的情况。最后是降落伞减速能力不足。受限于垃圾袋的尺寸，圆形降落伞的直径受限，导致降落伞的受力面积较小，减速效果不佳。

2.“智慧水火箭”最终版本

针对初始版本发射时遇到的问题，项目研究团队逐步寻找解决方案并迭代改进，经过多次优化形成了“智慧水火箭”的最终版本（如图6）。相比于初始版本，最终版本进行了以下四方面改进。

第一，将1.25 L饮料瓶更换为2 L饮料瓶。饮料瓶容积增大，水火箭动力增大，同时控制板能够横置其中，缩小了设备舱高度，有效提升了水火箭的发射高度。

第二，将测量间隔缩小至0.5秒，同时将判断下落的高度差减小至0.8米。经过多次测试后，将测量间隔与下降高度差调整到较为合适的范围，缩小了判断时间及误差。

第三，将数据记录模块由原先的物联网模块更换成EEPROM数据存储模块。此举消除了物联网反馈信号对舵机的干扰，发射后将主控板连接电脑，便可直接显示或导出飞行数据，较为方便。

第四，将圆形降落伞更换为长方形降落伞。长方形降落伞能够更加有效地利用垃圾袋形状，增大降落伞的受力面积，有效减小水火箭的降落速度。

研究团队又对“智慧水火箭”最终版本进行了发射实验。如图7所示，改进后的“智慧水火箭”发射高度达43米。同时高度测量模块数据记录准确，能明显看出水火箭各阶段的飞行状态，为后续研究提供可靠依据。

基于此分析，“智慧水火箭”可以成为一种较为完善、富有教育价值的跨学科教育素材，围绕“智慧水火箭”的特点能够设计丰富的跨学科教学项目。以下，以笔者团队提出的逆向工程教学模式为例^[8]，简述“智慧水火箭”教学项目的基本教学流程。首先，教师事先准备好水火箭的相关资料或制作好简易水火箭，供学生试射，让学生感知水火箭的发射过程与原理。其次，教师引导学生探索简易水火箭存在的缺陷，例如无法准确测量飞行高度等问题，鼓励学生仔细观察水火箭的结构，综合考虑可行性与创新性，设计解决方案，利用身边材料自主制作水火箭并测试，根据测试结果不断迭代改进。最后，教师还需要对学生的作品进行评价，可以组织学生进行水火箭高度竞赛，同时利用发射数据探究水火箭飞行的影响因素，让学生在玩中学、做中学、赛中学，不断提高学生的创新能力与跨学科实践能力。若条件允许，在教学项目开展过程中，还可适当增加水火箭在语文、美术等方面的教学内容，引导学生鉴赏相关诗词或对自己制作的水火箭进行美化，培养学生的爱国主义精神与审美能力。

五、总结与启示

目前，中小学较为缺乏趣味性与挑战性兼具的跨学科教学项目，同时部分STEM课程成本较高，教学活动开展难度大。本文从中小学实际教学需求出发，聚焦跨学科教育领域，设计了一种可记录高度的低成本“智慧水火箭”。其一方面使知识显性化，拓宽了水火箭探究实验的数据维度;另一方面实现了信息科技与其他学科的深度融合，挖掘了水火箭结合信息科技的跨学科教育价值。“智慧水火箭”是跨学科教学项目开发的鲜活案例，同时其设计与开发的过程也为后续跨学科教学项目提供了参考与借鉴。研究团队形成以下建议。

（一）选择合适的跨学科教育素材

跨学科教育的最终目的即通过跨学科教学项目的开展，促进学生将理论与实践相联系，进而提升学生的跨学科创新能力。要使学生想学、乐学，则教育素材必须能够激发学生的兴趣，让学生在玩中学。只有充分利用学生的学习积极性，寓教于乐，才能达到良好效果。因此，在选择跨学科教育素材时应尽可能面向真实情境，选择学生常见的、感兴趣的，以及与其生活学习密切相关的问题情境展开。

（二）挖掘项目跨学科教育价值

跨学科教育的特点在于融合多学科的知识概念，使学生能够将界限分明的不同学科的知识与技术整合起来，内化成统一整体，学以致用解决生活中的问题。在开发跨学科教学项目时，不能机械地将各学科知识简单叠加，而需要深入挖掘项目在各个学科中的教育价值，结合项目实际情况创新设计跨学科教学项目。

（三）注重有效开展跨学科教育实践

在开发跨学科教学项目时，还需考虑其能否有效地开展跨学科教育实践。首先，要考虑项目实践的难易程度，不要高不可攀，亦不要唾手可得。其次，要考虑项目的教学成本，项目所需的制作材料及零部件应尽可能容易获得且造价较低，最好能重复利用。最后，跨学科教育实践的重要价值不仅在于使学生能够掌握跨学科概念，更重要的是让学生在跨学科学习过程中形成解决问题的思维方式和创新能力。

整体而言，“智慧水火箭”基于水火箭这一跨学科教育素材，利用信息科技为水火箭赋予“智慧”，适合作为中小学操作性强且低成本的跨学科教学项目展开实践，是跨学科教学项目创新设计与开发的有效尝试。

注：本文系2022年广东省学位与研究生教育改革研究重点项目“硕士生跨学科创新能力培养的4C教学模式研究”的研究成果。

参考文献

[1] 钟柏昌，刘晓凡.跨学科创新能力培养的学理机制与模式重构[J].中国远程教育，2021（10）：29-38.

[2] 莫莉姣，陈岚鑫，钟柏昌.人工智能+STEM教育如何实现——以“智能分类垃圾桶”教学项目为例[J].中小学数字化教学，2021（11）：26-31.

[3] 汪海.二级加压水火箭的制作方法[J].物理实验，2012（6）： 23-25.

[4] 李江，覃敏杰，周素梅.三助推捆绑水火箭制作与创新[J].中国现代教育装备，2019（22）：39-41.

[5] 江涛，林春城，谢浩源，等.传统型水火箭的化学创新设计[J].广东第二师范学院报，2017（5）：102-105.

[6] 杨慧迪，牛亮.从实验与理论的双重角度浅析影响水火箭飞行距离的因素[J].物理教师，2014（12）：48-50.

[7] 祝声彦.基于通用技术项目教学的水火箭项目开发与实施[J].中国教育技术装备，2020（12）：38-40.

[8] 康斯雅，钟柏昌.机器人教育中结构创新型教学模式的案例设计与实施[J].课程教学研究，2020（1）：75-81.

（作者龚佳欣系华南师范大学教育信息技术学院硕士研究生;钟柏昌系华南师范大学教育信息技术学院教授、博士生导师，本文通信作者）