优秀STEAM案例 | “智慧水火箭”的创新设计

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。

水火箭的跨学科教育价值

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下表。

“智慧水火箭”的迭代开发

从水火箭到“智慧水火箭”

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ArduinoUNO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。

“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1.25L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1.25L饮料瓶更换为2L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。

文章来源：中国知网

文章原名：

《面向跨学科教育的“智慧水火箭”创新设计与开发》，文章有删减

作者：

龚佳欣 华南师范大学教育信息技术学院硕士研究生

钟柏昌 华南师范大学教育信息技术学院教授、博士生导师

转自：STEAM教师

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原标题：《优秀STEAM案例 | “智慧水火箭”的创新设计》

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