基于通用技术项目教学的水火箭项目开发与实施
祝声彦
摘? 要 介绍一款水火箭发射器的制作方法及水火箭箭体的制作技巧，为通用技术学科把水火箭作为项目教学开展提供参考，亦可作为科技教师指导学生开展科技实践探究活动提供借鉴。
关键词 通用技术;项目教学;水火箭;水火箭发射器;教学仪器;核心素养;技术试验;科普
中图分类号：G633.67? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）12-0038-03
1 引言
项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力[1]。项目教学最显著的特点是以项目为主线、教师为引导、学生为主体，是学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式[2]。
水火箭是一种科普教学仪器，也是一种科技比赛项目，深受青少年喜爱，是中小学开展科技活动的经典项目之一。水火箭可以让青少年直觀了解火箭发射原理、导弹飞行轨迹，可作为中学生探究牛顿第一、第二、第三定律的实验器材。从高中通用技术课程培养学生核心素养角度看，若把水火箭项目作为通用技术项目教学来实施，可以培养学生的工程思维、创新设计和物化能力。本文介绍一种水火箭发射器与水火箭箭体的设计制作技巧，介绍水火箭这种技术探究活动如何在通用技术课堂教学或科技实践活动中开展。
2 水火箭原理与常见水火箭发射器类型
水火箭结构及发射原理? 拿一个饮料瓶装入约三分之一的水后倒置瓶子，然后向瓶内充入空气，当气压达到一定值后，打开瓶口，瓶内高压的空气迫使水从瓶口高速喷出，形成反冲力，把瓶子快速推向天空，这样的模型装置叫水火箭。
市面上常见的水火箭发射器类型? 通常水火箭成功发射需要一个水火箭发射器。水火箭发射器市面上有售，市面上常见的水火箭发射器分为两种类型。
第一种类型的水火箭发射器（发射架）没有发射按钮开关，只是在水火箭箭体（发射瓶）的瓶口塞上带气嘴的橡胶塞，然后向瓶内充气，当瓶内气压达到足够大以致超过橡胶塞与瓶口接合力时，橡胶塞与瓶口自由脱离，瓶内的水向外喷出，形成反冲力，使瓶子升空。这种水火箭的缺点是水火箭什么时候升空无法控制。
第二种类型的水火箭发射器的水火箭箭体（发射瓶）的瓶嘴接口采用水管快速接口原理，是在瓶口旋上一个专用的瓶嘴，然后把瓶嘴扣在固定于发射架的快速接口装置上。充气后，当需要发射时，拨动快速接口，让瓶觜脱离快速接口装置，瓶嘴就和瓶子一起飞走。这种水火箭的缺点是需要为每个发射的瓶子配备一个瓶嘴，增加了发射成本，发射不方便。
3 一种新式水火箭发射器的制作方法
本文介绍一种水火箭发射器的制作方法，发射水火箭时只需拿一个空瓶子就可以发射，不需要其他额外配件，因此也就没有额外的发射成本。该发射器可手持发射，重量轻、体积小，操作灵活方便。该水火箭发射器结构简单，读者可自行加工制作。
水火箭发射器零件组成? 该水火箭发射器的零件组成及零件结构如图1所示。其中发射器支座、U形金属块、限位板是用不锈钢板弯折而成，固定卡扣和发射按钮是用不锈钢丝弯成的同一个零件，限位凹口是在限位板中开出的两个缺口，各个零件钻孔部位如图1所示。
水火箭发射器的安装? 根据图1所示的零件，水火箭发射器安装方法为：水火箭发射器支座1中间钻个圆孔，气嘴3（真空轮胎气嘴）穿过橡胶塞2后穿过该圆孔后固定;在橡胶塞2的同侧用两个螺钉A 5固定U形金属块4在支座1上;U形金属块4两端各开一孔穿上螺杆A 6;螺杆A 6中间套上两根各自一端带圆圈的固定卡条7;在发射器支座1相对U形金属块4的另一端，用两个螺钉B 9固定限位板8在发射器支座1上;限位板8中心与橡胶塞2中心连线的对称两侧向下折90°后开两个孔，然后穿上螺杆B 10;限位板8靠近橡胶塞2的一侧向上折90°形成一竖板，然后开两个限位凹口11;固定卡扣12由一个金属条矩形框沿矩形框所在平面折90°且在弯折处旋出两个圆圈而成，两个圆圈穿于螺杆B 10上形成铰连接;固定卡扣12绕螺杆B 10旋转，可以把固定卡条7扣在限位凹口11里;通过按下固定卡扣12另一端的发射按钮13，可释放固定卡条7。安装成型图见图2所示。
水火箭发射操作方法? 饮料瓶装上适量水后，把饮料瓶的瓶口与发射器的橡胶塞2紧密对接，再用两根固定卡条7从两边把瓶口外侧的凸沿卡住，然后把固定卡条7压进限位凹口11中，最后旋起固定卡扣12把两根固定卡条7扣住，如图3（a）所示。这时就可用打气筒通过气嘴3向饮料瓶充气，当气压达到一定程度后，按下固定卡扣12一端的发射按钮13，饮料瓶就会脱离发射器向天空飞去。水火箭飞走后，发射器如图3（b）所示。
4 水火箭箭体（发射瓶）的制作技巧
上述水火箭发射器是按所需类型的饮料瓶（常见的饮料瓶有口径2 cm的碳酸饮料瓶和口径2.5 cm的矿泉水瓶）的瓶口尺寸制作的，拿对应的饮料瓶来就可发射，但这样发射的射程有限。水火箭的射程与箭体装水量、充气气压、箭头形状、箭翼尺寸规格、喷完水后箭体质量等因素有关。水火箭的箭体部件连接要结实牢固，飞行时箭头箭翼才不会脱落。水火箭作为通用技术项目教学来实施，教师的教学目的是培养学生的动手设计制作能力、技术探究能力、实验设计能力等，因此，教师要求学生设计一个合理的箭体，让水火箭飞得更远。同时，教师要根据学校教学环境和条件等实际情况，要求制作水火箭的箭体材料简单易得。根据这些要求，教师可以按照以下方法制作水火箭箭体。
箭翼的制作方法? 为了提高水火箭飞行的稳定性，需要给箭体安装箭翼。为了使箭翼既轻巧又坚固，用另一个饮料瓶的瓶身剪出一个圆筒，圆筒四周均匀开出四条缝用于插四个箭翼，如图4（b）所示。四个箭翼用瓶身的材料剪折而成，形状如图4（a）所示。把这四个箭翼从圆筒内部分别插入圆筒四条缝中，箭翼伸出圆筒外部分与圆筒表面垂直，伸入圆筒内部分折90°后紧贴于圆筒内壁，然后圆筒再套到用作箭体的瓶子上并用透明胶粘牢，如图4（d）所示。
箭头的制作方法? 把饮料瓶瓶口的一端截下，如图4（c）所示，然后倒扣在用作箭体的瓶子的底部，用透明胶粘牢，这就形成水火箭的头部，如图4（d）所示。为了给箭体配重，水火箭头部处的瓶口可以打开并注入适量水，以便水火箭发射升空时把水喷完后，瓶子不至于太轻而降低射程。
5 水火箭项目作为通用技术项目教学来实施
为了培养学生的工程思维、创造能力和物化能力，培养学生的技术创造兴趣，达到提高学生解决技术问题的综合能力，教师应把水火箭纳入通用技术教学活动中，作为项目教学来实施，在该项目教学中对学生提出项目设计任务和考核要求。
项目设计任务? 为了提高水火箭射程，要求学生对影响水火箭射程的因素作系统分析，并要求学生提出设计方案（包括用什么材料），如表1所示。
在设计水火箭箭体时向学生提出如下设计任务要求：
1）箭体材料来源要求简单易得，建议采用废弃生活用品材料;
2）箭体结构要牢固，造型要合理且美观;
3）为了防止箭体从高空下落时砸伤人，箭体设计要考虑安全要素。
为了达到上述项目设计任务要求，下面举一个设计案例供参考。在美观方面，设计的水火箭头部可以裁剪屈臣氏蒸馏水瓶子的上半部套在水火箭的头部，如图5（a）部件1所示，这样箭体就显得美观且又可减小水火箭飞行的阻力。为了达到安全要求，可以在水火箭头部增加一个泡沫缓冲头，方法是用泡沫削成一个圆锥，如图5（a）部件2所示。套在水火箭头部后用透明胶固定，这样万一箭体从高空下落砸到人也相对安全很多。做成的水火箭箭体如图5（b）所示。
项目考核办法? 为了达到项目教学的考核目标及增强教学的趣味性，教师可对学生设计的水火箭进行发射试验，试验方式可以是射程试验和打靶试验。
1）射程试验。射程试验的考核办法与规则这样设计：在操场上确定发射点，在距离发射点60、70、80、90、100米的距离做好标记，水火箭飞到相应距离就取得相应考核分数，或者按射程排出名次。在射程试验中，为取得好成绩，水火箭箭体飞行应该平稳且瓶身配重要合理，学生就会根据试验情况设计出合理的箭体结构和箭翼形状，并在试验过程中调整水火箭头部配重水的重量，這些做法正好符合通用技术课程中技术试验这一教学内容。
2）打靶试验。为了增强趣味性且又达到技术试验的目的，发射试验可设置成打靶形式：在操场上放置一个靶心，在距离靶心5、10、15、20、30米远处标记水火箭发射起点;学生自由选择这些发射起点，若在这些发射起点打中靶心，考核分数分别记1、3、5、8、10环;每人发射五次，五次成绩之和为最终总成绩，如表2所示。这样学生在每一次发射之后可以对自己的水火箭飞行情况进行分析，找出影响试验结果的技术因素，从而加以改进。
6 结语
在2016年召开的“科技三会”上，习近平总书记强调：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。”从学校层面来看，科普工作是常规教学工作。笔者认为学校开展的科普活动既要力求科普内容的科学性、原创性，又要有较强的艺术性和趣味性。水火箭作为科普活动的一个项目来实施，可让青少年学生在此活动中积极探究，把科学原理付诸自己设计的项目中去体验去改进。如本文方案中，图3（a）所示的瓶子不加任何设计制作装上水就去发射，则射程只有二三十米;如果把瓶子做成图5（b）的形状并适当配重（在箭头装上适量的水）再发射，则射程可达到八九十米，射程是前者的三倍以上。
小项目隐含大科技。水火箭此类科普项目能很好地激励青少年学生参与科普创作，促进科学思想、科学精神、科学方法和科学知识的传播和普及，从而培养青少年学生的科学素养、技术素养、工程素养、数学素养，提高青少年学生的技术兴趣。因此，水火箭项目不管是在通用技术课程中，还是在常规科技实践探究活动中，都是一个值得借鉴和推广的项目。
参考文献
[1]刘茉.关于项目教学法问题的浅析[J].消费导刊，2010（6）：149.
[2]陈龙根.基于项目教学的“饮料标签平面设计”教学活动[J].电脑知识与技术，2019，15（36）：111-112，114.
