面向跨學(xué)科教育的“智慧水火箭”創(chuàng)新設(shè)計與開發(fā)

龔佳欣??鐘柏昌

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

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科主題學(xué)習(xí);STEM教育;水火箭;信息科技;設(shè)計與開發(fā)

學(xué)科發(fā)展綜合交叉的態(tài)勢使得跨學(xué)科教育進(jìn)入人們的視野。人們對跨學(xué)科一詞并不陌生，無論是“培養(yǎng)全面發(fā)展的人”還是“五育并舉”，其背后都若隱若現(xiàn)跨學(xué)科教育的影子。所謂跨學(xué)科教育，即通過多個學(xué)科概念的融合與學(xué)習(xí)，形成跨學(xué)科大概念，運用跨學(xué)科大概念解決單一學(xué)科解決不了或無法徹底解決的跨學(xué)科問題，在跨學(xué)科問題解決的過程中逐步培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展^[1]。作為一種打破學(xué)科界域的教育活動，跨學(xué)科教育愈發(fā)成為教育改革與發(fā)展的焦點。教育部頒布的《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中頻見跨學(xué)科一詞，并在各學(xué)科課程中新增跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動，以加強學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動課程綜合化實施?？梢哉f，跨學(xué)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(xué)科實踐活動涌現(xiàn)出了較多優(yōu)秀的教學(xué)項目^[2]。水火箭是一種利用質(zhì)量比和氣壓作用設(shè)計的模型，它制作簡便、探索性強、創(chuàng)造性高，作為物理學(xué)科的經(jīng)典教學(xué)案例，能夠從不同角度設(shè)計多種教學(xué)內(nèi)容，具有豐富的跨學(xué)科教育價值。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，水火箭適合成為跨學(xué)科教育的素材。遺憾的是，目前基于水火箭的教學(xué)項目多囿于制作步驟與方法的講解，且其功能設(shè)計單一，重復(fù)利用率較低，本質(zhì)上仍屬于體驗式學(xué)習(xí)活動，未能充分體現(xiàn)實踐創(chuàng)新導(dǎo)向的跨學(xué)科教育理念，既不利于學(xué)生跨學(xué)科思維的形成，又不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，深入挖掘水火箭的跨學(xué)科教育價值，創(chuàng)新設(shè)計面向跨學(xué)科教育的水火箭項目，具有重要的研究價值。

一、傳統(tǒng)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(fā)射探究兩大類上，其目的均為優(yōu)化水火箭的飛行軌跡，從而使水火箭飛得更高、更遠(yuǎn)。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(fā)射速度以及盡可能小的空氣阻力;發(fā)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(yōu)的發(fā)射方法和發(fā)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(xué)生利用自行車氣門芯嘴以及膠管將兩個可樂瓶串聯(lián)起來，自制了一個二級加壓水火箭，發(fā)射后，二級箭體與一級箭體間產(chǎn)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(xiàn)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(fā)射后自然翻轉(zhuǎn)，從而掉出降落傘^[3]。又如，李江等人在此基礎(chǔ)上，仿照長征三號運載火箭改進(jìn)制作了多節(jié)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(dāng)助推器內(nèi)的水噴射完后自動脫落，主火箭繼續(xù)上升，其射程可達(dá)500米;考慮到重力開傘的穩(wěn)定性較差，其利用延時繼電器實現(xiàn)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(dǎo)學(xué)生嘗試加入不同的催化劑，利用催化劑與過氧化氫的反應(yīng)使箭體內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，觀察內(nèi)部的壓力變化。實驗發(fā)現(xiàn)，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(fā)射探究類水火箭的研究較為集中，主要關(guān)注發(fā)射角度、注水質(zhì)量、發(fā)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(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)行理論分析，揭示了水火箭各階段的飛行狀態(tài)及受力關(guān)系^[6]。又如，為了培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與創(chuàng)造能力，祝聲彥將水火箭設(shè)計成通用技術(shù)學(xué)科的教學(xué)項目，讓學(xué)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(fā)學(xué)生的探究意識，引導(dǎo)學(xué)生嘗試水火箭的不同制作方式以及最優(yōu)發(fā)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(jìn)行實驗探究，諸多學(xué)者都對此進(jìn)行了充分的探索，其中不乏較具創(chuàng)意的結(jié)構(gòu)改造與實驗設(shè)計。然而，現(xiàn)有研究多數(shù)仍局限于如何提升水火箭的發(fā)射效果和性能。不可否認(rèn)，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(diào)做中學(xué)的跨學(xué)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(yè)性，使水火箭成為小部分專業(yè)愛好者的研究工具而非教學(xué)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(xiàn)有的特點與局限，創(chuàng)新設(shè)計適合跨學(xué)科教育的水火箭，是水火箭研究價值轉(zhuǎn)向的當(dāng)務(wù)之急。

二、水火箭的跨學(xué)科教育價值

毋庸諱言，水火箭的發(fā)射原理與物理學(xué)科中力學(xué)的內(nèi)容高度相關(guān)，故基于水火箭的跨學(xué)科教學(xué)項目離不開物理學(xué)科知識。然而，正是由于水火箭的發(fā)射原理與物理學(xué)科關(guān)聯(lián)緊密，導(dǎo)致目前的教學(xué)形態(tài)常以物理單科為主導(dǎo)，而忽視其他學(xué)科在該項目中扮演的角色。有鑒于此，從跨學(xué)科教育的角度挖掘創(chuàng)新水火箭的設(shè)計，是超越現(xiàn)有教學(xué)設(shè)計的重要切入點。

基于跨學(xué)科視角的水火箭項目，不僅在設(shè)計與制作環(huán)節(jié)需要有機融合科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的知識，在發(fā)射過程中還將涉及火箭發(fā)射原理、液體燃料等物理和化學(xué)相關(guān)知識。因此，水火箭的制作與發(fā)射屬于交叉學(xué)科范疇，是一種涉及學(xué)科更廣、適用性更強的跨學(xué)科教育，其所涉學(xué)科及其教育內(nèi)容見表1。

三、“智慧水火箭”的創(chuàng)新設(shè)計

（一）傳統(tǒng)水火箭的設(shè)計局限

從教育視角審視傳統(tǒng)水火箭的設(shè)計，其局限性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

1.聚焦物理學(xué)科，未能跳出思維定式

提起水火箭，師生間已默認(rèn)其屬于物理領(lǐng)域的內(nèi)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(xué)生容易停留于簡易水火箭的制作與試射，創(chuàng)造性較低，對物理之外的其他學(xué)科知識了解較淺，難以達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。在前述研究中，部分研究者已經(jīng)嘗試從水火箭在化學(xué)、數(shù)學(xué)、通用技術(shù)等學(xué)科的教育價值入手，實踐水火箭教學(xué)項目并取得一定成果，這無疑是水火箭跨學(xué)科教學(xué)的良好開端。然而，上述學(xué)科與水火箭仍有較強聯(lián)系，可視為水火箭的傳統(tǒng)教育研究范疇，尚未跳出思維定式來探索水火箭結(jié)合其他學(xué)科的教育潛力。

2.實驗探究雷同，缺少垂直高度數(shù)據(jù)

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(shù)研究所探究的影響因素有限，導(dǎo)致實驗過程設(shè)計高度雷同。在教學(xué)中，基于水火箭開展的比賽幾乎都是比較其最遠(yuǎn)飛行距離，無法比較其發(fā)射的最大高度。一方面，水火箭發(fā)射高度數(shù)據(jù)的缺失，必然造成無法有效探究水火箭飛行的部分關(guān)鍵影響因素（如空氣阻力等）;另一方面，比較水火箭發(fā)射的距離需要較大且空曠的發(fā)射場地，部分校園面積較小的中小學(xué)校難以開展水火箭教學(xué)項目實驗。

3.部件回收難度較高，難以穩(wěn)定準(zhǔn)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(hù)學(xué)生的人身安全，亦難以重復(fù)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(wěn)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(zhǔn)確設(shè)置，在發(fā)射過程中可能出現(xiàn)未達(dá)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(chuàng)新亮點

面對上述問題，破局的關(guān)鍵在于水火箭發(fā)射高度的獲取。若能結(jié)合其他學(xué)科的知識與技術(shù)，準(zhǔn)確記錄水火箭的發(fā)射高度，同時針對降落傘開傘方式進(jìn)行優(yōu)化，則傳統(tǒng)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(chuàng)新設(shè)計思路，面向跨學(xué)科教育的“智慧水火箭”創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)運而生，其主要具有以下特點。

1.結(jié)合信息科技，利用傳感器獲取高度

想要獲取水火箭的發(fā)射高度，對于傳統(tǒng)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(xué)科能夠引導(dǎo)學(xué)生利用信息技術(shù)工具，深度融合物理世界與數(shù)字世界，利用信息科技獲取與處理信息，從而創(chuàng)造性地解決問題。為了獲得水火箭的發(fā)射高度，師生可以結(jié)合信息科技學(xué)科中涉及的傳感器知識與技術(shù)，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(tài)變化，獲得水火箭的發(fā)射高度。這不僅是水火箭在信息科技學(xué)科中教育價值的拓展，也是對傳統(tǒng)水火箭設(shè)計的創(chuàng)造性革新。

2.記錄實時高度，為實驗提供數(shù)據(jù)支撐

水火箭探究實驗設(shè)計雷同的重要原因之一是，無法探究水火箭發(fā)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(tài)。為更準(zhǔn)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(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，學(xué)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(shù)據(jù)存儲模塊或其他技術(shù)手段將信息保存起來。待水火箭發(fā)射完成后，結(jié)合其他容易測量與獲得的飛行數(shù)據(jù)，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)支撐，填補了水火箭研究重要觀察維度的數(shù)據(jù)空白，增強了水火箭研究結(jié)論的科學(xué)性。

3.優(yōu)化降落方式，下降過程中自動開傘

傳統(tǒng)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(fā)射性能。重力開傘方式在箭頭內(nèi)放置重物，增加了水火箭的質(zhì)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(yōu)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(fā)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(xué)生安全，又能保護(hù)水火箭完好無損，減少經(jīng)費投入。

四、“智慧水火箭”的迭代開發(fā)

（一）從水火箭到“智慧水火箭”

綜合上述分析，結(jié)合傳統(tǒng)水火箭的基本結(jié)構(gòu)，“智慧水火箭”的具體開發(fā)方案如圖1所示?；陂_發(fā)方案，圖2梳理了“智慧水火箭”的發(fā)射全過程。

1.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

區(qū)別于傳統(tǒng)水火箭的一體化設(shè)計，“智慧水火箭”將箭體一分為二，分為動力艙與設(shè)備艙。動力艙借鑒傳統(tǒng)水火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，與箭尾相連通，主要用來存儲“智慧水火箭”的發(fā)射用水。動力艙需要保證水火箭發(fā)射所需的密閉環(huán)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(wěn)定性。

設(shè)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(shè)備艙還需設(shè)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(nèi)部，此舉出于兩方面的考慮：一是若降落傘置于設(shè)備艙內(nèi)，可能出現(xiàn)傘繩鉤掛傳感器的情況;二是若專門為降落傘設(shè)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(xiàn)

圖3為“智慧水火箭”功能組件連接示意圖。與傳統(tǒng)水火箭相比，“智慧水火箭”搭載了高度測量模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊和舵機等功能組件，能夠?qū)崿F(xiàn)對水火箭高度數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jù)不同高度氣壓的變化計算出當(dāng)前水火箭所處的海拔高度，精度較高。數(shù)據(jù)記錄模塊則將傳感器每隔一定時間測量到的數(shù)據(jù)記錄下來，便于發(fā)射后進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)備艙。兩條皮筋從兩側(cè)分別拉住箭頭使其處于平衡狀態(tài)，當(dāng)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(fā)送信號，舵機轉(zhuǎn)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(cè)傾斜，降落傘飛出并打開。

（二）“智慧水火箭”的迭代改進(jìn)

1.“智慧水火箭”初始版本

根據(jù)詳細(xì)的開發(fā)方案，研究團隊利用環(huán)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(shè)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(shè)備艙內(nèi)，其開關(guān)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(shè)備艙外部，舵機擺臂從設(shè)備艙垂直伸出勾住正面皮筋。設(shè)備艙內(nèi)還放置有OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊與微型鋰電池。物聯(lián)網(wǎng)模塊可視作數(shù)據(jù)記錄模塊，其可以直接將獲取的高度數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)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(shù)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(fā)現(xiàn)效果并不理想。首先是飛行高度不夠。如圖5所示，物聯(lián)網(wǎng)模塊反饋的數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)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(shù)據(jù)及判斷是否開傘的時間間隔為0.8秒，間隔過長導(dǎo)致水火箭在兩次判斷之間已經(jīng)下降了較大高度;另一方面，由于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送消息的電流會干擾控制開傘的舵機，導(dǎo)致舵機無法即時收回擺臂，在試射過程中出現(xiàn)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(dǎo)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(fā)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(jìn)，經(jīng)過多次優(yōu)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(jìn)行了以下四方面改進(jìn)。

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(shè)備艙高度，有效提升了水火箭的發(fā)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(jīng)過多次測試后，將測量間隔與下降高度差調(diào)整到較為合適的范圍，縮小了判斷時間及誤差。

第三，將數(shù)據(jù)記錄模塊由原先的物聯(lián)網(wǎng)模塊更換成EEPROM數(shù)據(jù)存儲模塊。此舉消除了物聯(lián)網(wǎng)反饋信號對舵機的干擾，發(fā)射后將主控板連接電腦，便可直接顯示或?qū)С鲲w行數(shù)據(jù)，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(jìn)行了發(fā)射實驗。如圖7所示，改進(jìn)后的“智慧水火箭”發(fā)射高度達(dá)43米。同時高度測量模塊數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確，能明顯看出水火箭各階段的飛行狀態(tài)，為后續(xù)研究提供可靠依據(jù)。

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(xué)科教育素材，圍繞“智慧水火箭”的特點能夠設(shè)計豐富的跨學(xué)科教學(xué)項目。以下，以筆者團隊提出的逆向工程教學(xué)模式為例^[8]，簡述“智慧水火箭”教學(xué)項目的基本教學(xué)流程。首先，教師事先準(zhǔn)備好水火箭的相關(guān)資料或制作好簡易水火箭，供學(xué)生試射，讓學(xué)生感知水火箭的發(fā)射過程與原理。其次，教師引導(dǎo)學(xué)生探索簡易水火箭存在的缺陷，例如無法準(zhǔn)確測量飛行高度等問題，鼓勵學(xué)生仔細(xì)觀察水火箭的結(jié)構(gòu)，綜合考慮可行性與創(chuàng)新性，設(shè)計解決方案，利用身邊材料自主制作水火箭并測試，根據(jù)測試結(jié)果不斷迭代改進(jìn)。最后，教師還需要對學(xué)生的作品進(jìn)行評價，可以組織學(xué)生進(jìn)行水火箭高度競賽，同時利用發(fā)射數(shù)據(jù)探究水火箭飛行的影響因素，讓學(xué)生在玩中學(xué)、做中學(xué)、賽中學(xué)，不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與跨學(xué)科實踐能力。若條件允許，在教學(xué)項目開展過程中，還可適當(dāng)增加水火箭在語文、美術(shù)等方面的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生鑒賞相關(guān)詩詞或?qū)ψ约褐谱鞯乃鸺M(jìn)行美化，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神與審美能力。

五、總結(jié)與啟示

目前，中小學(xué)較為缺乏趣味性與挑戰(zhàn)性兼具的跨學(xué)科教學(xué)項目，同時部分STEM課程成本較高，教學(xué)活動開展難度大。本文從中小學(xué)實際教學(xué)需求出發(fā)，聚焦跨學(xué)科教育領(lǐng)域，設(shè)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(shù)據(jù)維度;另一方面實現(xiàn)了信息科技與其他學(xué)科的深度融合，挖掘了水火箭結(jié)合信息科技的跨學(xué)科教育價值。“智慧水火箭”是跨學(xué)科教學(xué)項目開發(fā)的鮮活案例，同時其設(shè)計與開發(fā)的過程也為后續(xù)跨學(xué)科教學(xué)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(xué)科教育素材

跨學(xué)科教育的最終目的即通過跨學(xué)科教學(xué)項目的開展，促進(jìn)學(xué)生將理論與實踐相聯(lián)系，進(jìn)而提升學(xué)生的跨學(xué)科創(chuàng)新能力。要使學(xué)生想學(xué)、樂學(xué)，則教育素材必須能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生在玩中學(xué)。只有充分利用學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，寓教于樂，才能達(dá)到良好效果。因此，在選擇跨學(xué)科教育素材時應(yīng)盡可能面向真實情境，選擇學(xué)生常見的、感興趣的，以及與其生活學(xué)習(xí)密切相關(guān)的問題情境展開。

（二）挖掘項目跨學(xué)科教育價值

跨學(xué)科教育的特點在于融合多學(xué)科的知識概念，使學(xué)生能夠?qū)⒔缦薹置鞯牟煌瑢W(xué)科的知識與技術(shù)整合起來，內(nèi)化成統(tǒng)一整體，學(xué)以致用解決生活中的問題。在開發(fā)跨學(xué)科教學(xué)項目時，不能機械地將各學(xué)科知識簡單疊加，而需要深入挖掘項目在各個學(xué)科中的教育價值，結(jié)合項目實際情況創(chuàng)新設(shè)計跨學(xué)科教學(xué)項目。

（三）注重有效開展跨學(xué)科教育實踐

在開發(fā)跨學(xué)科教學(xué)項目時，還需考慮其能否有效地開展跨學(xué)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(xué)成本，項目所需的制作材料及零部件應(yīng)盡可能容易獲得且造價較低，最好能重復(fù)利用。最后，跨學(xué)科教育實踐的重要價值不僅在于使學(xué)生能夠掌握跨學(xué)科概念，更重要的是讓學(xué)生在跨學(xué)科學(xué)習(xí)過程中形成解決問題的思維方式和創(chuàng)新能力。

整體而言，“智慧水火箭”基于水火箭這一跨學(xué)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(xué)操作性強且低成本的跨學(xué)科教學(xué)項目展開實踐，是跨學(xué)科教學(xué)項目創(chuàng)新設(shè)計與開發(fā)的有效嘗試。

注：本文系2022年廣東省學(xué)位與研究生教育改革研究重點項目“碩士生跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的4C教學(xué)模式研究”的研究成果。

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