基于STEM教育理念的高中物理跨学科教学 ——以“二级可回收水火箭的制作”为例

一、基于STEM教育理念的教学设计思路

STEM教育理念强调在真实情境中解决问题，通过项目实践实现不同学科知识的深度整合，推动教学从“传授知识”向“培育素养”转变。将STEM教育理念融入物理综合实践活动后，学生能够借助技术工具捕捉物理现象，通过工程设计将物理规律转化为实践方案，运用数学建模量化物理关系并优化设计参数，从而构建系统化的知识体系，有效提升物理学科核心素养。

航天模型的设计、制作与发射过程，需贯穿“基础理论—基本技能—专项技能”的递进式教学逻辑。该过程不仅涉及力学、热学、空气动力学等物理知识的综合应用，还需数学计算、工程设计、技术操作等多方面能力的协同配合，同时有助于培养学生团结协作、严谨求实的科学态度。因此，航天模型制作综合实践活动与STEM教育理念高度契合。

本教学模式的适用对象为高一学生。高一学段学生已完成必修第一册力学基础内容的学习，具备基本的受力分析与运动学知识储备；同时，其实践意愿较强，团队协作意识初步形成，但工程思维与系统设计能力尚处于萌芽阶段，适合通过项目式学习加以引导和培养。教学规划共计7课时，具体分配为：原理探究2课时、工程实践4课时、成果展示与评价1课时。本文以“‘新长征号’二级可回收水火箭的制作”为实践主题，构建“原理探究—工程实践”双环节教学框架，并规划各阶段STEM教育的融合实施路径（见表1）。

二、基于STEM教育理念的教学过程设计

基于上述教学设计思路，本文以“‘新长征号’二级可回收水火箭的制作”为实践主题，按照“原理探究先行，工程实践并进”的逻辑推进教学进程（如图1）。

教学以航天发展史情境为切入点，首先通过“原理探究”环节夯实科学（S）、技术（T）、数学（M）的理论基础；然后进入“工程实践”环节，引导学生将物理科学原理转化为具体的水火箭工程设计与制作实践，实现科学、技术、工程、数学四大领域的深度融合；最后通过成果展示与综合评价，形成“知识应用—能力提升—价值引领”的闭环。

（一）原理探究：科学规律验证教学过程设计

本环节基于STEM教育理念，以科学、数学为核心知识领域，融入技术作为实践辅助手段，旨在为后续“工程实践”环节筑牢理论根基。

第一阶段：历史脉络导入

教学伊始，教师以“航天模型如何实现稳定飞行”为核心问题导入。首先，展示明代“神火飞鸦”结构图，引导学生思考：“火药燃烧产生的气体如何推动飞鸦前进？”其次，呈现明代“万户飞天”典故的连环画作品，引导学生讨论“万户的尝试为何失败”（如动力不足、缺乏稳定系统），初步建立“气体喷射产生反作用力”的认知。最后，展示“东方红一号”卫星和“长征五号”运载火箭的结构图，引导学生对比分析不同时期火箭在推进系统和结构设计方面的差异，并抛出驱动型问题链：“古人如何尝试飞向天空？他们的尝试蕴含了什么物理原理？为何失败？现代火箭又是如何解决这些问题的？”该过程构成科学领域中物理规律认知建构的重要环节。

第二阶段：现象观察与原理构建

教师首先开展“气球反冲”演示实验：将充气气球开口向下释放，学生观察反冲现象并记录气球的运动方向，直观感知“气球向下喷气→气球向上运动”的逻辑，该逻辑与水火箭“向下喷射水和气→箭体向上飞行”的推进机制一致。随后，引导学生对气球进行受力分析，初步建立“作用力与反作用力”的具象认知。

在定性观察的基础上，教师进一步引导学生进行定量分析。设气球喷出气体的质量为Δm（单位：kg），喷气速度为v（相对气球的速度，单位：m/s），气球质量为M（单位：kg），速度变化为Δv（单位：m/s）。

在忽略空气阻力且喷气时间Δt极短的近似条件下，系统在竖直方向近似满足动量守恒定律，可得M·Δv=Δm·v。

教师阐释该公式的物理意义：在气球质量一定时，气球速度的变化量Δv与喷出气体的质量Δm和喷气速度v成正比。同时，需明确指出该公式仅为忽略重力和阻力条件下的近似结果，以培养学生严谨的科学态度。随后，教师以“如何让气球获得更大的速度变化量Δv”设问，自然过渡到火箭推进的基本原理。

上述过程将反冲现象的定性观察转化为量化数学表达式，为后续水火箭设计奠定理论基础，凸显了STEM教育中科学（S）和数学（M）的深度融合。

第三阶段：实验验证与原理分析

为深化学生对反冲运动的理解，教师组织学生开展单级水火箭测试实验。实验前，教师引导学生明确制作材料（塑料瓶、橡胶塞、打气筒等），并设置操作岗、记录岗、分析岗，明确各岗位职责。随后，教师引导学生讨论实验装置的工作原理，使其带着“推力的产生与哪些因素有关？”“如何通过参数调整实现最大飞行高度？”等问题开展实践。实验过程中，学生记录水量、飞行高度等数据。实验结束后，教师引导学生结合牛顿第三定律、动量定理等物理知识，对比分析不同参数条件下的实验结果，归纳得出火箭飞行高度与推力、质量等变量之间的关系。

本环节通过小组分工协作完成实验，培养了学生的科学探究能力与团队协作意识，实现了物理科学、数据分析与实验操作的多维融合，为后续工程实践奠定了理论基础。

（二）工程实践：水火箭模型制作

本环节是STEM教育中技术（T）与工程（E）维度的集中体现，旨在引导学生经历完整且迭代式的工程设计流程。本环节以“设计并制作一款可稳定飞行且具备可回收功能的‘新长征号’水火箭”为核心工程项目，遵循“设计—制作—测试—优化”的工程循环流程，将教学过程划分为四个阶段，系统培养学生的工程思维、创新实践能力与团队协作精神。

第一阶段：方案设计与知识储备

本阶段是工程实践的基石，旨在将前期探究中掌握的科学原理转化为具体技术方案，并完成项目的初步建模。

首先，教师梳理前期原理探究的成果，引导学生查阅航天工程资料，了解真实火箭的结构设计，并重点讲解多级火箭的设计优势及工程原理。在此基础上，结合学生动手能力与材料易得性，确定二级可回收水火箭为项目载体，回收方式选用简易降落伞式，多级分离采用卡扣式简易结构。

其次，教师引导学生以小组为单位开展工程实践。各小组经过头脑风暴，明确多级结构设计、可靠分离机制、稳定回收等具体目标与性能指标，并按照“设计理念—结构草图—材料清单—制作步骤—预期性能”的框架撰写工程设计方案，绘制结构草图，合理选用材料。

最后，教师对各组方案进行可行性审核，引导学生审视技术难点与工程约束条件，培养其严谨的科学态度。

该阶段既是科学原理的工程化转化，也是系统设计思维的初步训练。

第二阶段：模型制作与技术指导

在完成方案设计与知识储备后，教学进入模型制作阶段。本阶段是技术操作与工程设计的落地实施环节，需要教师提供支架式技术指导。各小组依据审核通过的设计方案，正式开展水火箭模型制作。学生需规范使用切割工具、热熔胶枪等设备，严格遵守安全操作规范，依次完成箭体切割、结构组装等技术操作。在此过程中，教师针对共性问题组织集中研讨、提供技术参考；针对个性问题引导学生查阅资料或小组内部协作讨论以寻找解决方案。通过小组合作完成模型制作，学生培养了航天精神，掌握了技术工具的使用方法，并深刻体会到“设计”与“实现”之间存在关联与挑战。

第三阶段：测试记录与优化

本阶段重点培养学生的工程思维。水火箭模型初步制作完成后，教师引导各小组开展发射实测与数据收集，重点记录注水量、飞行高度、多级分离成功率等关键数据。测试结束后，各小组对数据进行统计与分析，从工程视角进行量化诊断，多维度剖析模型存在的问题。当小组遇到典型故障时，教师引导其参照表2所列的可能原因与解决策略，自行设计排查方案并进行验证。通过“测试—分析—优化—再测试”的闭环实践流程，学生能够直观感知工程决策的逻辑，领会迭代改进的核心要义。

第四阶段：成果展示与评价

各小组以“中国航天精神在水火箭设计中的实践体现”为主题进行成果展示，内容涵盖设计方案、火箭模型、优化过程数据等。成果展示围绕“设计理念与物理原理的内在关联”“回收功能的技术逻辑”“典型问题及解决方案”三大核心板块展开。展示过程中，教师鼓励学生结合实物演示、数据图表等多元形式呈现实践结果，充分彰显航天精神中攻坚克难、勇于创新的内核。

展示结束后，采用“学生自评（30%）+组内互评（30%）+教师点评（40%）”的综合评价模式，依据融入航天精神要素的评价量表（见表3）进行评分。

量表采用1—5分制，以3分为达标基准线，具体判定规则为：所有维度均达3分及以上，视为完成教学目标；仅一个维度低于3分，需补充相应实践环节；两个及以上维度低于3分，则需重新开展相关实践。通过上述评价设计，实现过程性评价与成果性评价的统筹兼顾，以及能力培养与价值引领的有机统一。

本环节以完整的工程实践为载体，深度融合科学、技术、工程、数学等多学科知识。在模型制作与测试过程中，学生能够主动发现问题，设计针对性实验以验证猜想；在分析模型性能问题时，学生能够运用逻辑推理追溯问题根源，并借助对比测试数据验证改进方案的有效性；在小组协作中，学生分工明确、配合紧密。通过本环节的学习，学生的实践操作能力、项目规划能力和协作交流能力均得到有效提升。本环节直观体现了STEM教育的跨学科育人价值，实现了物理学科核心素养与航天精神涵养的双重目标。

本文为节选。

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