基于通用技術(shù)項目教學的水火箭項目開發(fā)與實施

祝聲彥

摘? 要 介紹一款水火箭發(fā)射器的制作方法及水火箭箭體的制作技巧，為通用技術(shù)學科把水火箭作為項目教學開展提供參考，亦可作為科技教師指導學生開展科技實踐探究活動提供借鑒。

關(guān)鍵詞 通用技術(shù);項目教學;水火箭;水火箭發(fā)射器;教學儀器;核心素養(yǎng);技術(shù)試驗;科普

中圖分類號：G633.67? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）12-0038-03

1 引言

項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在課堂教學中把理論與實踐教學有機地結(jié)合起來，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力[1]。項目教學最顯著的特點是以項目為主線、教師為引導、學生為主體，是學生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學模式[2]。

水火箭是一種科普教學儀器，也是一種科技比賽項目，深受青少年喜愛，是中小學開展科技活動的經(jīng)典項目之一。水火箭可以讓青少年直觀了解火箭發(fā)射原理、導彈飛行軌跡，可作為中學生探究牛頓第一、第二、第三定律的實驗器材。從高中通用技術(shù)課程培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)角度看，若把水火箭項目作為通用技術(shù)項目教學來實施，可以培養(yǎng)學生的工程思維、創(chuàng)新設(shè)計和物化能力。本文介紹一種水火箭發(fā)射器與水火箭箭體的設(shè)計制作技巧，介紹水火箭這種技術(shù)探究活動如何在通用技術(shù)課堂教學或科技實踐活動中開展。

2 水火箭原理與常見水火箭發(fā)射器類型

水火箭結(jié)構(gòu)及發(fā)射原理? 拿一個飲料瓶裝入約三分之一的水后倒置瓶子，然后向瓶內(nèi)充入空氣，當氣壓達到一定值后，打開瓶口，瓶內(nèi)高壓的空氣迫使水從瓶口高速噴出，形成反沖力，把瓶子快速推向天空，這樣的模型裝置叫水火箭。

市面上常見的水火箭發(fā)射器類型? 通常水火箭成功發(fā)射需要一個水火箭發(fā)射器。水火箭發(fā)射器市面上有售，市面上常見的水火箭發(fā)射器分為兩種類型。

第一種類型的水火箭發(fā)射器（發(fā)射架）沒有發(fā)射按鈕開關(guān)，只是在水火箭箭體（發(fā)射瓶）的瓶口塞上帶氣嘴的橡膠塞，然后向瓶內(nèi)充氣，當瓶內(nèi)氣壓達到足夠大以致超過橡膠塞與瓶口接合力時，橡膠塞與瓶口自由脫離，瓶內(nèi)的水向外噴出，形成反沖力，使瓶子升空。這種水火箭的缺點是水火箭什么時候升空無法控制。

第二種類型的水火箭發(fā)射器的水火箭箭體（發(fā)射瓶）的瓶嘴接口采用水管快速接口原理，是在瓶口旋上一個專用的瓶嘴，然后把瓶嘴扣在固定于發(fā)射架的快速接口裝置上。充氣后，當需要發(fā)射時，撥動快速接口，讓瓶觜脫離快速接口裝置，瓶嘴就和瓶子一起飛走。這種水火箭的缺點是需要為每個發(fā)射的瓶子配備一個瓶嘴，增加了發(fā)射成本，發(fā)射不方便。

3 一種新式水火箭發(fā)射器的制作方法

本文介紹一種水火箭發(fā)射器的制作方法，發(fā)射水火箭時只需拿一個空瓶子就可以發(fā)射，不需要其他額外配件，因此也就沒有額外的發(fā)射成本。該發(fā)射器可手持發(fā)射，重量輕、體積小，操作靈活方便。該水火箭發(fā)射器結(jié)構(gòu)簡單，讀者可自行加工制作。

水火箭發(fā)射器零件組成? 該水火箭發(fā)射器的零件組成及零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中發(fā)射器支座、U形金屬塊、限位板是用不銹鋼板彎折而成，固定卡扣和發(fā)射按鈕是用不銹鋼絲彎成的同一個零件，限位凹口是在限位板中開出的兩個缺口，各個零件鉆孔部位如圖1所示。

水火箭發(fā)射器的安裝? 根據(jù)圖1所示的零件，水火箭發(fā)射器安裝方法為：水火箭發(fā)射器支座1中間鉆個圓孔，氣嘴3（真空輪胎氣嘴）穿過橡膠塞2后穿過該圓孔后固定;在橡膠塞2的同側(cè)用兩個螺釘A 5固定U形金屬塊4在支座1上;U形金屬塊4兩端各開一孔穿上螺桿A 6;螺桿A 6中間套上兩根各自一端帶圓圈的固定卡條7;在發(fā)射器支座1相對U形金屬塊4的另一端，用兩個螺釘B 9固定限位板8在發(fā)射器支座1上;限位板8中心與橡膠塞2中心連線的對稱兩側(cè)向下折90°后開兩個孔，然后穿上螺桿B 10;限位板8靠近橡膠塞2的一側(cè)向上折90°形成一豎板，然后開兩個限位凹口11;固定卡扣12由一個金屬條矩形框沿矩形框所在平面折90°且在彎折處旋出兩個圓圈而成，兩個圓圈穿于螺桿B 10上形成鉸連接;固定卡扣12繞螺桿B 10旋轉(zhuǎn)，可以把固定卡條7扣在限位凹口11里;通過按下固定卡扣12另一端的發(fā)射按鈕13，可釋放固定卡條7。安裝成型圖見圖2所示。

水火箭發(fā)射操作方法? 飲料瓶裝上適量水后，把飲料瓶的瓶口與發(fā)射器的橡膠塞2緊密對接，再用兩根固定卡條7從兩邊把瓶口外側(cè)的凸沿卡住，然后把固定卡條7壓進限位凹口11中，最后旋起固定卡扣12把兩根固定卡條7扣住，如圖3（a）所示。這時就可用打氣筒通過氣嘴3向飲料瓶充氣，當氣壓達到一定程度后，按下固定卡扣12一端的發(fā)射按鈕13，飲料瓶就會脫離發(fā)射器向天空飛去。水火箭飛走后，發(fā)射器如圖3（b）所示。

4 水火箭箭體（發(fā)射瓶）的制作技巧

上述水火箭發(fā)射器是按所需類型的飲料瓶（常見的飲料瓶有口徑2 cm的碳酸飲料瓶和口徑2.5 cm的礦泉水瓶）的瓶口尺寸制作的，拿對應的飲料瓶來就可發(fā)射，但這樣發(fā)射的射程有限。水火箭的射程與箭體裝水量、充氣氣壓、箭頭形狀、箭翼尺寸規(guī)格、噴完水后箭體質(zhì)量等因素有關(guān)。水火箭的箭體部件連接要結(jié)實牢固，飛行時箭頭箭翼才不會脫落。水火箭作為通用技術(shù)項目教學來實施，教師的教學目的是培養(yǎng)學生的動手設(shè)計制作能力、技術(shù)探究能力、實驗設(shè)計能力等，因此，教師要求學生設(shè)計一個合理的箭體，讓水火箭飛得更遠。同時，教師要根據(jù)學校教學環(huán)境和條件等實際情況，要求制作水火箭的箭體材料簡單易得。根據(jù)這些要求，教師可以按照以下方法制作水火箭箭體。

箭翼的制作方法? 為了提高水火箭飛行的穩(wěn)定性，需要給箭體安裝箭翼。為了使箭翼既輕巧又堅固，用另一個飲料瓶的瓶身剪出一個圓筒，圓筒四周均勻開出四條縫用于插四個箭翼，如圖4（b）所示。四個箭翼用瓶身的材料剪折而成，形狀如圖4（a）所示。把這四個箭翼從圓筒內(nèi)部分別插入圓筒四條縫中，箭翼伸出圓筒外部分與圓筒表面垂直，伸入圓筒內(nèi)部分折90°后緊貼于圓筒內(nèi)壁，然后圓筒再套到用作箭體的瓶子上并用透明膠粘牢，如圖4（d）所示。

箭頭的制作方法? 把飲料瓶瓶口的一端截下，如圖4（c）所示，然后倒扣在用作箭體的瓶子的底部，用透明膠粘牢，這就形成水火箭的頭部，如圖4（d）所示。為了給箭體配重，水火箭頭部處的瓶口可以打開并注入適量水，以便水火箭發(fā)射升空時把水噴完后，瓶子不至于太輕而降低射程。

5 水火箭項目作為通用技術(shù)項目教學來實施

為了培養(yǎng)學生的工程思維、創(chuàng)造能力和物化能力，培養(yǎng)學生的技術(shù)創(chuàng)造興趣，達到提高學生解決技術(shù)問題的綜合能力，教師應把水火箭納入通用技術(shù)教學活動中，作為項目教學來實施，在該項目教學中對學生提出項目設(shè)計任務(wù)和考核要求。

項目設(shè)計任務(wù)? 為了提高水火箭射程，要求學生對影響水火箭射程的因素作系統(tǒng)分析，并要求學生提出設(shè)計方案（包括用什么材料），如表1所示。

在設(shè)計水火箭箭體時向?qū)W生提出如下設(shè)計任務(wù)要求：

1）箭體材料來源要求簡單易得，建議采用廢棄生活用品材料;

2）箭體結(jié)構(gòu)要牢固，造型要合理且美觀;

3）為了防止箭體從高空下落時砸傷人，箭體設(shè)計要考慮安全要素。

為了達到上述項目設(shè)計任務(wù)要求，下面舉一個設(shè)計案例供參考。在美觀方面，設(shè)計的水火箭頭部可以裁剪屈臣氏蒸餾水瓶子的上半部套在水火箭的頭部，如圖5（a）部件1所示，這樣箭體就顯得美觀且又可減小水火箭飛行的阻力。為了達到安全要求，可以在水火箭頭部增加一個泡沫緩沖頭，方法是用泡沫削成一個圓錐，如圖5（a）部件2所示。套在水火箭頭部后用透明膠固定，這樣萬一箭體從高空下落砸到人也相對安全很多。做成的水火箭箭體如圖5（b）所示。

項目考核辦法? 為了達到項目教學的考核目標及增強教學的趣味性，教師可對學生設(shè)計的水火箭進行發(fā)射試驗，試驗方式可以是射程試驗和打靶試驗。

1）射程試驗。射程試驗的考核辦法與規(guī)則這樣設(shè)計：在操場上確定發(fā)射點，在距離發(fā)射點60、70、80、90、100米的距離做好標記，水火箭飛到相應距離就取得相應考核分數(shù)，或者按射程排出名次。在射程試驗中，為取得好成績，水火箭箭體飛行應該平穩(wěn)且瓶身配重要合理，學生就會根據(jù)試驗情況設(shè)計出合理的箭體結(jié)構(gòu)和箭翼形狀，并在試驗過程中調(diào)整水火箭頭部配重水的重量，這些做法正好符合通用技術(shù)課程中技術(shù)試驗這一教學內(nèi)容。

2）打靶試驗。為了增強趣味性且又達到技術(shù)試驗的目的，發(fā)射試驗可設(shè)置成打靶形式：在操場上放置一個靶心，在距離靶心5、10、15、20、30米遠處標記水火箭發(fā)射起點;學生自由選擇這些發(fā)射起點，若在這些發(fā)射起點打中靶心，考核分數(shù)分別記1、3、5、8、10環(huán);每人發(fā)射五次，五次成績之和為最終總成績，如表2所示。這樣學生在每一次發(fā)射之后可以對自己的水火箭飛行情況進行分析，找出影響試驗結(jié)果的技術(shù)因素，從而加以改進。

6 結(jié)語

在2016年召開的“科技三會”上，習近平總書記強調(diào)：“科技創(chuàng)新、科學普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。”從學校層面來看，科普工作是常規(guī)教學工作。筆者認為學校開展的科普活動既要力求科普內(nèi)容的科學性、原創(chuàng)性，又要有較強的藝術(shù)性和趣味性。水火箭作為科普活動的一個項目來實施，可讓青少年學生在此活動中積極探究，把科學原理付諸自己設(shè)計的項目中去體驗去改進。如本文方案中，圖3（a）所示的瓶子不加任何設(shè)計制作裝上水就去發(fā)射，則射程只有二三十米;如果把瓶子做成圖5（b）的形狀并適當配重（在箭頭裝上適量的水）再發(fā)射，則射程可達到八九十米，射程是前者的三倍以上。

小項目隱含大科技。水火箭此類科普項目能很好地激勵青少年學生參與科普創(chuàng)作，促進科學思想、科學精神、科學方法和科學知識的傳播和普及，從而培養(yǎng)青少年學生的科學素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)，提高青少年學生的技術(shù)興趣。因此，水火箭項目不管是在通用技術(shù)課程中，還是在常規(guī)科技實踐探究活動中，都是一個值得借鑒和推廣的項目。

參考文獻

[1]劉茉.關(guān)于項目教學法問題的淺析[J].消費導刊，2010（6）：149.

[2]陳龍根.基于項目教學的“飲料標簽平面設(shè)計”教學活動[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（36）：111-112，114.