1. 引言
1.1. 实践背景
随着科技的快速发展，社会对科技人才的需求日益增加。在新一轮的教育强国建设中，我国强调加强国民科学素质建设，国务院印发的《全民科学素质行动规划纲要(2021~2035年)》(后文称作《纲要》)中强调指出要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置，提高全民科学素质，建立起宏大的高素质创新大军[1]；教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》(后文称作《意见》)中聚焦立德树人根本任务，完善课程体系建设，改进和创新教学方法，推进学科建设，提高学生科学素质，保障教学实施条件，提升各地科学教育质量，做好科学教育国家课程的落实[2]。基于《纲要》及《意见》中提出的要求，作为师范生的我们应不断提升自身的科学知识储备，加强科学素养体系建设，致力于科学传播内容及模式变革创新，提升各地科学教育质量，加强师资队伍建设，培养具备科学课潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体，为我国科学教育发展提供新力量。
1.2. 实践意义
通过进行基于STEAM (科学、技术、工程、艺术、数学)理念的科学活动，增强青少年的科学意识，增加其科学兴趣，打破学科壁垒，提升跨学科知识融合与解决实践问题的能力，为学生提供自由创新空间，促使学生思考并进行实践改进，培养他们对科技的热爱与钻研精神，使其在提升自身科学素养的同时积极投身科技发展事业，为我国科技发展贡献新力量；同时增加学校的科技教育模式，丰富内容形式、提高教学质量，推动学校科技教育创新发展，提升科学教育水平。
1.3. 实践内容与方法
1.3.1. 实践内容
1) 查阅进行科技活动以及目前小学科学教育现状的相关文献，对科技活动的概念、方法与实施过程和中小学科学教育的基本概况进行梳理。
2) 筛选合适的科技活动主题并设计相关的科技活动方案，梳理各部分内容及知识点，结合学校实际情况做出调整和修改。
3) 深入校园进行采访进行调查和采访，了解当前科学教育迫切需要提升和改进之处，整理相应的资料，设计适合的活动方案。
4) 预先实验科技活动的可行性，在实际活动的过程中发现和改进活动的不足之处。
5) 选取学校作为试点开展科技活动，在活动的过程中提醒同学们运用多学科知识进行设计与实践，在动手操作的过程中体验做中学的意义，基于政策要求和科技发展开展更加新颖的科技活动。
1.3.2. 实践方法
1) 文献研究法：围绕项目实践内容，主要通过网络查找、阅读各种有关文献，系统梳理STEAM教育理念的核心内涵以及实践应用模式，及与本系列的科技活动相关的案例，明确现有研究的成果与不足。基于整理出的相关资料以及师范生自身技能进行设计。
2) 案例研究法：以展开的“水火箭”科技活动为核心案例，进行分析。聚焦活动设计中STEAM五维目标的具体实施方法，详细记录活动各阶段的实施细节、学生的表现(如小组协作中的问题解决、设计优化中的思维转变)及活动成果(如火箭作品、数据报告、反思记录)。通过对案例的多维度分析，提炼基于STEAM理念的科技活动设计原则与实践要点，为同类活动的开展提供可复制、可推广的实践范式。
3) 问卷调查法：基于文献研究得出的结论并不能完全应用于实践，为了使活动实施效果更佳，本项目分别在活动开始前后对参与的学生进行有关水火箭知识和对科学兴趣的知识问答，数据显示80%的同学知道水火箭但未动手实践，60%的学生不知道相应的科学原理，59.75%的学生对科学感兴趣其中男生占30%、女生占19.75%，20.5%的同学对科学不感兴趣，19.75%的学生持中立，直观和广泛地了解青少年对STEAM各学科知识的掌握程度、科技活动的兴趣、动手实践能力自评及团队协作意识等基础信息，为活动设计的针对性提供依据。
4) 访谈法：选择不同学段的学生，在活动开始前后进行访谈具体数据如图1所示，了解在该活动实施前的基本情况以及学生的期待效果以及在活动实施后是否给青少年带来真实有效的收获，同时，通过访谈获取质性材料，补充问卷调查的不足，全面把握活动成效与优化空间。
Figure 1. Interview data
图1. 访谈数据
5) 数据分析法：对研究过程中收集的数据进行系统分析包括访谈记录、学生反思报告、作品设计方案等，采用内容分析法进行编码、分类与归纳，提炼核心观点，揭示活动中STEAM理念融合的深层逻辑及学生素养发展的内在规律。
2. STEAM教育理念融合
2.1. STEAM的核心内涵
STEAM教育的核心内涵在于科学、技术、工程、艺术和数学多学科的有机融合。这种融合并非简单的学科叠加，而是强调在真实情境中，以问题为导向，引导学生综合运用各学科知识和技能解决实际问题[3]。在制作“水火箭”的活动中，科学知识是理解水火箭飞行原理的基础，涉及作用力与反作用力；同时还涉及空气动力学知识，如火箭的外形设计如何减少空气阻力，以提高飞行效率。技术层面则体现在制作水火箭所运用的材料和工具技术，学生需要了解不同材料的特性，选择合适的材料来制作火箭，如使用塑料瓶作为火箭主体，考虑其轻便性和强度；还要掌握工具的使用方法，如切割、粘贴等技术，将各个部件组装成一个完整的水火箭。
工程设计思维贯穿于整个水火箭制作过程，学生需要从整体上规划火箭的结构和功能，进行设计、制作、测试和优化。在设计阶段，要考虑火箭的稳定性等因素；制作完成后，通过实际发射测试，收集数据，分析火箭飞行中出现的问题，如飞行不稳定、高度不够等，并对设计进行优化改进。数学知识在水火箭制作中也起着关键作用，用于计算火箭的尺寸比例、飞行轨迹等。
艺术元素的融入则为水火箭增添了独特的魅力。学生可以发挥创意，对水火箭进行外观设计，从色彩搭配到造型创意，使其不仅是一个科学实验品，更是一件具有艺术美感的作品。这种艺术设计不仅能激发学生的创造力和审美能力，还能让学生在科学技术的严谨与艺术的灵动之间找到平衡，培养学生的综合素。通过STEAM教育理念下的水火箭制作活动，学生能够深刻体会到不同学科知识之间的紧密联系，学会运用跨学科思维解决问题，提高创新能力和实践能力，形成全面发展的综合素质。
2.2. 促进学科融合理解
科技活动作为培养学生科学素养和实践能力的重要途径，为STEAM教育理念的融入提供了良好的平台。通过科技活动，学生可以将课堂上学到的知识应用到实际操作中，亲身体验科学探究的过程，激发对科学技术的兴趣和热爱。在科技活动中融入STEAM教育理念，能够打破学科界限，让学生在一个综合性的学习环境中，整合多学科知识，运用多种技能和方法解决实际问题，从而更好地培养学生的创新能力和综合素质，适应未来社会的发展需求。
3. 制作“水火箭”的科技活动方案
3.1. 活动背景
在新一轮的教育强国建设中，《全民科学素质行动规划纲要(2021~2035年)》指出要激发青少年好奇心和想象力，增强科学兴趣、创新意识和创新能力。为落实该要求，推动青少年科技活动与科技教育的发展，培养其创新精神和实践能力，同时呼应国家对青少年科学探究与工程实践能力培养的号召，本次科技活动以“探索流体动力，点亮科学梦想”为中心理念，以“做中学，学中思，思中建”为主要模式，设计“水火箭升空，科创实践赛”活动。通过制作水火箭，让青少年直观理解作用力与反作用力、能量转化等物理原理，激发对航天与工程科技的探索热情，进而提升综合素质。
科技活动作为培养学生科学素养和实践能力的重要途径，为STEAM教育理念的融入提供了良好的平台。通过科技活动，学生可以将课堂上学到的知识应用到实际操作中，亲身体验科学探究的过程，激发对科学技术的兴趣和热爱[4]。在科技活动中融入STEAM教育理念，打破学科界限，让学生在一个综合性的学习环境中，整合多学科知识，运用多种技能和方法解决实际问题，从而更好地培养学生的创新能力和综合素质，适应未来社会的发展需求。
3.2. 活动目标
1) 科学观念：经历设计与制作，建立“能量转换”的核心科学概念，理解水火箭内部水压势能转化为动能，进而推进火箭升空的原理。
2) 科学思维：基于实验事实与证据，学生能够通过分析实验数据，同时对比不同变量下的发射数据，归纳影响火箭发射的因素。
3) 探究实践：掌握水火箭的设计与制作流程和常见工具的使用方法，提高工程实践和动手操作的能力，学生能科学地设计对照实验，并根据实验数据与现象得出结论。
4) 态度责任：能基于数据作出独立的判断，面对有说服力的证据，愿意调整自己的想法，乐于与他人进行沟通交流与辩论，正确认识自己的优点和不足。养成良好的科学实践精神和态度。形成爱护环境、绿色低碳的意识。
3.3. 活动涉及对象
中小学生。
3.4. 活动时间及地点
时间：XX年X月X日；
地点：XX小学科学教室、XX社区、操场等户外空旷地。
3.5. 活动内容
本次科技活动以“制作水火箭”为主题，主要包括以下5个部分。
3.5.1. 情景设置引导同学们更具体地认识航天
情景设置：活动以“万户飞天”等中国古人的航天故事，以及我国的航天工程历史为背景，通过生动的故事讲述或视频展示，激发兴趣并进一步深入探究航天科技。
3.5.2. 设计并制作水火箭小车
设计阶段：各小组讨论并设计出水火箭的箭体、箭翼、箭头，明确各部分的作用。青少年结合已有知识以及在活动中积累的知识，考虑水火箭箭体的长度、箭翼受力面积大小、箭头的形状等，绘制出详细的设计图纸如图2。
制作阶段：根据设计图纸，各小组开始动手制作水火箭的各部分，并进行组装。实践过程中教师指导，并解答学生在制作过程中遇到的问题，如箭翼的固定等。
优化调整：制作完成后，各小组进行气密性的初步测试，根据测试结果对水火箭进行优化调整。
3.5.3. 水火箭发射竞技
发射比赛：各小组依次进行比赛，各小组先自行加注水量(1/3~1/2瓶容量)，连接打气筒，压力上限到达12个大气压，由队长进行发射。记录水火箭升空高度、飞行的稳定性、在空中的运行轨迹等。
成绩评定：根据发射比赛结果，结合创意设计、动手操作等评分要点，评定出各小组的最终成绩。
Figure 2. Design drawing
图2. 设计图纸
3.5.4. 成果展示
根据设计图设计成果如图3。
(a) (b)
Figure 3. Water rocket
图3. 水火箭
3.5.5. 活动总结
活动回顾：主持人对本次活动进行全面回顾，总结参赛人员在活动中的表现，强调作用力与反作用力、能量转化等物理原理，以及科学探究与工程实践的重要性。根据成绩评定结果，为获奖小组颁发奖状和奖品，表彰他们在活动中的优异表现。同时，鼓励所有参赛人员继续保持对科学的兴趣和探索精神。
为落实青少年科学素质培养的要求，激发青少年科学探究兴趣与创新实践能力，本次活动以“水火箭升空，科创实践赛”为主题进行科技活动，结合演示法和讲授法向参赛人员解释水火箭各部分的工作原理与结构，引导参赛人员自行设计并制作水火箭，最后以水火箭升空的比赛方式，将成果进一步可视化。在实践过程中，培养其创新思维、动手操作以及团队合作的能力，激发对航天与工程科技的探索热情，进而提升综合素质，为我国的科技人才培养与科技发展注入动力。
3.6. 活动重难点
1) 活动重点：通过设计、制作、优化水火箭的过程，培养其工程实践与动手能力，强调工程性思维在实际操作中的应用；活动融合科学、工程、技术、艺术、数学等STEAM领域知识，让水火箭发射的过程中运用到S (相应的科学知识如能量转换)、T (使用工具制作箭体、尾翼与箭头等)、E (画设计图纸，如何将尾翼对称)、A (装饰美化水火箭箭体等)、M (测量尾翼的尺寸与角度等)体现跨学科综合实践如图4所示，引导学生从多角度解决问题。
2) 活动难点：青少年对“作用力与反作用力、能量转换”的过程理解困难，需通过简化讲解、多媒体演示和学生互助学习突破认知障碍；制作与改进水火箭时，精准把控箭体结构设计的合理性、避免出现箭体变形、漏气等问题；过程和结果评价中，则常出现评价维度单一、结果分析深度不够以及反馈实用性不强的情况，通过明确评分细则确保比赛的公平性。
Figure 4. Specific integration
图4. 具体融合
3.7. 活动创新点
本研究在多学科融合方面具有创新性。与传统的科技活动注重单一学科知识应用不同，本研究将科学、技术、工程、艺术、数学五个学科深度融合于制作“水火箭”的活动中。在水火箭的设计阶段，学生运用数学知识计算火箭的最佳尺寸比例，以实现最优的飞行性能；运用物理知识理解火箭的飞行原理，包括牛顿第三定律、空气动力学等；在制作过程中，涉及材料科学和机械技术，选择合适的材料和工具进行火箭的搭建；同时，鼓励学生发挥艺术创造力，对水火箭进行外观设计，使其不仅具有实用性，还具有观赏性。这种多学科融合的方式，让学生在一个活动中综合运用多个学科的知识和技能，打破了学科之间的壁垒，培养了学生的跨学科思维能力。
4. 制作“水火箭”的科技活动实施过程
准备阶段，学生通过知识竞答，了解与水火箭相关的知识，并获得相应的积分。同时准备好相应的实验材料如可口可乐瓶、电工胶带、尺子、剪刀等，将学生分成小组，每组7~8人，引导学生进行小组讨论，确定小组的分工，如材料准备、设计、制作、测试等。
在设计阶段，学生需要运用所学的科学知识和数学知识，对水火箭进行设计。讨论水火箭的整体结构，包括箭体的形状、尺寸，尾翼的数量、形状和位置等。运用数学知识计算火箭的最佳尺寸比例。绘制水火箭的设计草图，标注各个部件的尺寸和位置，为制作提供详细的指导。小组内进行讨论和交流，对设计方案进行优化和完善。
制作阶段，学生根据设计方案，使用准备好的材料和工具进行水火箭的制作。将塑料瓶进行裁剪和组装，制作箭体。使用剪刀和胶水等工具，制作并安装尾翼，确保尾翼的对称性和稳定性。安装喷嘴和充气装置，保证水火箭能够正常充气和发射。对制作完成的水火箭进行外观设计，发挥艺术创意，进行色彩搭配和图案装饰。
发射与测试阶段，选择一个开阔、安全的场地进行水火箭的发射测试。将水火箭安装在发射架上，加入适量的水，使用打气筒充气至预定压力。按照操作规程进行发射，观察水火箭的飞行情况，包括飞行高度、飞行轨迹、稳定性等。记录发射数据，如充气压力、水量、飞行时间等。根据发射测试的结果，分析水火箭存在的问题，如飞行不稳定、高度不够等。
反思与改进阶段，组织学生进行小组讨论，对水火箭的制作和发射过程进行反思。分析在设计、制作和发射过程中存在的问题，找出原因。提出改进措施和方案，对水火箭进行优化和改进。再次进行发射测试，检验改进后的效果。通过不断反思和改进，提高水火箭的性能和质量。
5. 活动成效与反思
5.1. 活动成效
本次活动深度融合STEAM教育理念。构建了“设计–制作–测试–优化”的完整学习闭环，使青少年在工程制作中内化了科学原理，淬炼了动手能力与创新思维。活动不仅点燃了澎湃的科学热情，更磨砺了直面挫折的坚韧品格，为培育未来创新人才奠定了坚实基础。
5.1.1. 知识与能力素养提升
参与学生系统掌握了水火箭的核心科学原理，包括作用力与反作用力、飞行稳定性等知识，对航天科技相关常识的认知也显著提升。在实践操作中，学生的动手能力得到充分锻炼，此外，活动中小组分工协作的模式，有效培养了学生的沟通协调能力与团队合作意识。
5.1.2. 科技兴趣提高
通过制作水火箭并参加比赛，在这个过程中探索水火箭的结构，自己设计图纸组装水火箭，通过不断改进优化调整，让学生直观感受科学知识的实践价值，有效激发了对科学的探索兴趣。
5.2. 反思总结
本次水火箭科技活动成功激发了学生的科学热情，并在实践中锻炼了其动手与协作能力，基本达到预期目标。但仍有不足之处，在实践结束时与同学交谈发现50%的学生没有完全理解水火箭制作的相应知识，所以理论与实践的结合上仍可深化，且部分学生停留在模仿制作，对“尾翼制作”“能量转换”等原理理解不足；同时，材料与任务的预设性较强，一定程度上局限了学生的创新空间。未来将拟增设前置理论探究环节，以更有效地引导学生在深度思考中自主创新，实现做中学、学中思。
在实践过程发现部分学生没有理解理论知识，但制作过程较顺利，所以考虑在原来的基础上，增加进阶任务，如设计精准落点水火箭等，引导学生探索更复杂的科学原理与技术应用。同时，结合航天科技发展热点，融入火箭模型等相关知识，搭建“基础模型–前沿科技”的认知桥梁，提升活动的知识深度。
6. 推广经验
创造真实的学习情境，同时让学生在明确目标的驱动下，主动学习并学会如何利用知识，增加学生为主的实践，让学生通过动手实践、不断改进的过程中提升实践能力，同时加强跨学科知识的融合与迁移应用，不是一味地教学也要附着相应的实践，STEAM教育理念为学校课程整合提供了一个极佳的框架，设计综合课程有助于学生学中思、思中建、做中学。
基金项目
1) 乐山师范学院2025年大学生创新创业国家级项目“萤火益凉山——少数民族地区青少年科学素养培养践行者”(项目编号：202510649074X)。
2) 四川省教育发展研究中心2025年度研究课题：基于UGS模式的凉山彝族中小学生科学素养多维度测评及影响因素研究(CJF25057)。
3) 2024~2026年四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目：人工智能赋能创新创业教育新场景的探索与实践，课题编号JG2024-1042。
NOTES
*通讯作者。