資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第二單元《仿生》大單元整體教學設計
教材版本 蘇教版 單元（或主題）名稱 仿生
單元主題 本單元圍繞 “仿生” 這一主題，引導學生了解生物的獨特結構、功能對人類發(fā)明創(chuàng)造的啟示，探索人類如何模仿生物進行技術創(chuàng)新，培養(yǎng)學生對生物與技術之間聯(lián)系的認知，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和科學探究精神。
課標要求 核心概念：地球上生活著不同種類的生物，生物具有區(qū)別于非生物的特征；技術與工程推動了人類社會的發(fā)展。 學習內(nèi)容：列舉植物或動物的一些有趣特征，了解人類對生物特征的模仿；知道一些重要的發(fā)明與生物的關系。 學業(yè)要求：能描述生物的一些特征，并舉例說明人類對這些特征的模仿；能基于所學知識，設計一個利用生物特征解決實際問題的方案
教材分析 本單元以仿生學為線索，編排了四課內(nèi)容。《生物的啟示》通過具體事例，如魯班受茅草啟發(fā)發(fā)明鋸，引導學生初步認識仿生學概念，感受生物對人類發(fā)明的啟示。《蛋殼與拱形建筑》聚焦生物結構與建筑的聯(lián)系，以蛋殼為例，讓學生探究拱形結構的特點，理解人類模仿蛋殼結構在建筑中的應用。《蝙蝠和雷達》深入探討生物特殊功能與科技產(chǎn)品的關聯(lián)，通過研究蝙蝠回聲定位原理及雷達的發(fā)明，培養(yǎng)學生分析問題能力。《我們來仿生》鼓勵學生綜合運用所學，設計仿生作品，將知識轉(zhuǎn)化為實踐，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。教材內(nèi)容由淺入深，從認知到實踐，符合學生認知規(guī)律，利于學生構建仿生學知識體系。
學情分析 五年級學生已具備一定科學知識基礎和探究能力，對生物世界充滿好奇，有觀察生物現(xiàn)象的經(jīng)驗，但對生物特征與人類發(fā)明的聯(lián)系認識較淺，抽象思維能力有待提高。理解仿生學原理并將其應用于設計實踐，對部分學生有難度。學生可能認為生物與科技聯(lián)系不大，學習時難以將已有生物知識與新技術建立關聯(lián)，對一些復雜仿生原理理解困難，在實踐設計中可能受思維局限，創(chuàng)新不足。
單元目標 科學觀念： 學生能認識到生物的結構、功能為人類發(fā)明創(chuàng)造提供了靈感，建立生物與技術相互關聯(lián)的觀念。 理解仿生學在改善人類生活、推動科技進步方面的重要作用，體會科學技術對社會發(fā)展的影響。 科學思維： 通過分析生物特征與人類發(fā)明的對應關系，培養(yǎng)邏輯思維能力。 在探究拱形結構特點等活動中，發(fā)展基于證據(jù)進行推理、分析和歸納的能力。 能運用類比、想象等思維方法，設計仿生方案，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。 探究實踐： 經(jīng)歷觀察生物特征、實驗探究結構特點、調(diào)查仿生實例等活動，提高觀察、實驗、調(diào)查等科學探究能力。 能在小組合作中設計并實施探究方案，培養(yǎng)團隊協(xié)作和解決實際問題的能力。 嘗試將所學仿生知識應用于設計制作活動，增強實踐操作能力。 責任態(tài)度： 激發(fā)對仿生學的探究興趣，培養(yǎng)熱愛科學、勇于探索的精神。 認識到仿生學發(fā)展對人類社會和環(huán)境的雙重影響，樹立合理利用仿生技術的意識，培養(yǎng)社會責任感。
單元結構化活動 第一階段：感知仿生（《生物的啟示》） 創(chuàng)設情境，講述魯班發(fā)明鋸等故事，引導學生思考生物對人類發(fā)明的啟示，激發(fā)興趣。 組織學生交流生活中類似例子，初步感知仿生現(xiàn)象，建立生物與發(fā)明的聯(lián)系。 第二階段：結構仿生探究（《蛋殼與拱形建筑》） 觀察蛋殼，猜測其承受力特點，引發(fā)探究欲望。 開展實驗探究拱形結構承受力，分析數(shù)據(jù)得出結論。 展示拱形建筑實例，探討人類對蛋殼結構的模仿及優(yōu)勢。 第三階段：功能仿生學習（《蝙蝠和雷達》） 播放蝙蝠飛行視頻，提出問題引導學生思考蝙蝠飛行奧秘。 查閱資料了解蝙蝠回聲定位原理，對比分析雷達工作原理。 組織小組討論蝙蝠與雷達關系，總結功能仿生特點。 第四階段：綜合仿生實踐（《我們來仿生》） 回顧前三課知識，明確仿生設計要素。 小組合作確定設計主題，進行方案設計，教師指導完善。 制作展示仿生作品，交流評價，總結收獲。
達成評價 圍繞課時學習目標 課堂表現(xiàn)評價：觀察學生課堂參與度，包括回答問題、小組討論、實驗操作中的表現(xiàn)，評價其對知識的理解和探究能力。 作業(yè)評價：布置課后作業(yè)，如繪制生物特征與仿生發(fā)明關系圖、分析某一仿生產(chǎn)品原理等，評價學生對知識的掌握和應用能力。 實踐作品評價：依據(jù)仿生作品設計創(chuàng)新性、功能合理性、制作工藝等方面，評價學生實踐能力和創(chuàng)新思維。 單元測試評價：設計單元測試題，涵蓋生物啟示、結構與功能仿生知識及設計應用，全面評價學生單元學習成果。
第6課時《蛋殼與拱形建筑》教學設計
一、教學目標
科學探究能力
能夠通過觀察、實驗等方法，探究蛋殼和拱形結構的特點，學會設計并進行簡單的對比實驗，如比較不同形狀結構的承重能力。
會使用適當?shù)墓ぞ吆筒牧现谱鞴靶文Ｐ停囵B(yǎng)動手操作能力，并在制作過程中嘗試改進和優(yōu)化模型。
能運用多種方式記錄和整理實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)實驗結果進行分析和總結，得出關于蛋殼與拱形結構關系及特點的結論。
科學思維能力
基于對蛋殼和拱形結構的探究，分析它們的力學原理，培養(yǎng)邏輯思維能力，理解結構與功能之間的聯(lián)系。
通過類比、想象等思維方法，從蛋殼的拱形結構聯(lián)想到拱形建筑，思考其在實際應用中的優(yōu)勢，發(fā)展創(chuàng)造性思維。
在探究過程中，對不同的觀點和實驗方案進行批判性思考，評估其合理性與可行性，提升科學批判思維能力。
科學素養(yǎng)
了解蛋殼的結構特點，認識到蛋殼的拱形結構使其具有良好的抗壓能力。
理解拱形結構的力學原理，知道拱形結構在建筑領域及其他方面的廣泛應用。
掌握一些與拱形結構相關的科學知識，如拱形的受力分布、如何增強拱形的穩(wěn)定性等。
責任態(tài)度
對蛋殼與拱形建筑之間的聯(lián)系產(chǎn)生好奇，激發(fā)探索科學知識的興趣，培養(yǎng)熱愛科學的情感。
在實驗探究過程中，養(yǎng)成嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度，尊重實驗數(shù)據(jù)和結果。
意識到科學知識在建筑設計和生活中的重要作用，培養(yǎng)將科學知識應用于實際的意識和責任感。
二、教學重難點
教學重點
探究蛋殼和拱形結構的特點及力學原理。
理解拱形結構在建筑中的應用及優(yōu)勢。
教學難點
從力學角度深入理解蛋殼拱形結構的抗壓原理，并能將其與拱形建筑的應用建立聯(lián)系。
運用拱形結構的原理，設計并制作出具有一定承重能力的拱形模型。
三、教學過程
學習活動 設計意圖
（一）情境導入 教師拿出一個生雞蛋，提問學生：“如果老師用力捏這個雞蛋，會發(fā)生什么？” 引導學生猜測。 教師輕輕用力捏雞蛋，展示雞蛋并沒有被捏碎，引發(fā)學生的好奇心，然后提問：“為什么看似脆弱的雞蛋，用手捏卻不容易碎呢？” 組織學生進行小組討論，分享自己的想法，每組選派一名代表發(fā)言。 通過直觀的演示和問題引導，迅速吸引學生的注意力，激發(fā)學生的好奇心和探究欲望。 小組討論為學生提供交流平臺，培養(yǎng)學生的合作學習能力和獨立思考能力，同時讓教師了解學生對該現(xiàn)象的已有認知。
（二）探究活動 探究活動一：觀察蛋殼的結構 給每個學生發(fā)放一個生雞蛋（或熟雞蛋），讓學生仔細觀察雞蛋的外形，感受其表面的弧度，并用手輕輕觸摸，體會蛋殼的薄厚。 引導學生用放大鏡觀察蛋殼的表面，看看是否能發(fā)現(xiàn)一些細微的結構特點。 組織學生交流觀察到的蛋殼結構特點，教師進行總結和補充。 探究活動二：探究蛋殼的抗壓能力 教師提問：“我們都看到了雞蛋很難用手捏碎，那它到底能承受多大的壓力呢？” 引發(fā)學生思考。 學生分組，每組準備一些相同的雞蛋、木板和砝碼。將雞蛋兩端輕輕放在木板上，然后逐漸在木板上添加砝碼，觀察雞蛋能承受多少砝碼的重量才會破裂，并記錄數(shù)據(jù)。 各小組匯報實驗數(shù)據(jù)，比較不同小組的結果，討論影響雞蛋抗壓能力的因素。 探究活動三：認識拱形結構 教師展示一些拱形結構的圖片，如拱橋、拱門等，引導學生觀察這些拱形結構的形狀特點，提問：“這些拱形結構和蛋殼有什么相似之處？” 用硬紙板制作一個簡單的拱形模型，向?qū)W生演示拱形結構在承受壓力時的特點，如拱形會將壓力向兩邊傳遞。 讓學生用手感受拱形模型在受力時的變化，體會拱形結構的穩(wěn)定性。 探究活動四：探究拱形結構的承重能力 學生分組，每組用相同規(guī)格的硬紙板制作不同跨度（如跨度為 10 厘米、15 厘米、20 厘米）的拱形模型。 搭建一個簡易的測試裝置，將拱形模型放在兩個支撐物上，在拱形模型上逐漸添加重物（如鉤碼），記錄每個拱形模型能承受的最大重量。 分析實驗數(shù)據(jù)，比較不同跨度拱形模型的承重能力，討論拱形跨度與承重能力之間的關系。 探究活動五：制作并改進拱形承重模型 學生以小組為單位，利用提供的材料（如硬紙板、膠水、竹簽等），制作一個盡可能承重的拱形模型。 對制作好的拱形模型進行承重測試，記錄其承重能力。 根據(jù)測試結果，小組討論分析模型存在的問題，嘗試對模型進行改進，如增加支撐、改變拱形形狀等，再次進行測試，觀察承重能力的變化。 探究活動六：了解拱形結構在建筑中的應用 教師展示一些著名的拱形建筑圖片或視頻，如趙州橋、悉尼歌劇院等，介紹這些建筑的特點和歷史背景。 學生分組，選擇一座拱形建筑進行深入研究，通過查閱資料，了解該建筑采用拱形結構的原因、設計特點以及在建筑史上的意義。 每組選派一名代表，向全班介紹小組研究的拱形建筑，分享研究成果。 通過直接觀察和觸摸，讓學生直觀地感受蛋殼的外形和質(zhì)地，培養(yǎng)學生的觀察能力。 使用放大鏡觀察，引導學生關注蛋殼的細微結構，培養(yǎng)學生的科學探究意識和細致觀察的習慣。 交流環(huán)節(jié)促進學生之間的思維碰撞，加深對蛋殼結構的認識。 以問題為導向，激發(fā)學生的探究欲望，引導學生通過實驗來探究蛋殼的抗壓能力。 小組實驗培養(yǎng)學生的動手操作能力、團隊協(xié)作能力以及數(shù)據(jù)記錄和分析能力。 通過討論影響因素，培養(yǎng)學生的科學思維能力，讓學生認識到實驗結果可能受到多種因素的影響。 通過圖片展示，引導學生將拱形結構與蛋殼建立聯(lián)系，培養(yǎng)學生的觀察和類比能力。 教師演示和學生親身體驗，讓學生直觀地了解拱形結構的力學特點，為后續(xù)深入探究奠定基礎。 制作不同跨度的拱形模型，培養(yǎng)學生的動手能力和設計能力。 通過實驗探究和數(shù)據(jù)分析，讓學生了解拱形跨度對承重能力的影響，培養(yǎng)學生的科學探究能力和邏輯思維能力。 制作承重模型，讓學生將所學的拱形結構知識應用到實際操作中，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。 通過測試、分析和改進模型，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，以及不斷優(yōu)化設計的意識。 展示著名拱形建筑，拓寬學生的視野，讓學生感受拱形結構在建筑領域的廣泛應用和重要價值。 分組研究培養(yǎng)學生的自主學習能力和團隊協(xié)作能力，加深學生對拱形結構在建筑中應用的理解。 代表介紹鍛煉學生的表達能力，促進學生之間的知識交流和共享。
（三）生活應用 教師展示一些生活中常見的應用拱形結構的物品圖片，如安全帽、隧道、涵洞等，引導學生思考這些物品為什么采用拱形結構。 學生分組討論，分析這些物品中拱形結構的作用，以及與蛋殼和拱形建筑原理的聯(lián)系。 每組選派一名代表發(fā)言，向全班分享小組討論的結果，教師進行總結和補充。 從生活實例出發(fā)，讓學生認識到科學知識與生活的緊密聯(lián)系，培養(yǎng)學生用科學的眼光觀察生活的習慣。 小組討論培養(yǎng)學生的合作學習能力和分析問題的能力，加深學生對拱形結構應用原理的理解。 代表發(fā)言和教師總結，強化學生對拱形結構在生活中應用的認識，提高學生運用科學知識解釋生活現(xiàn)象的能力。
（四）知識總結 教師引導學生回顧本節(jié)課所學內(nèi)容，包括蛋殼的結構和抗壓能力、拱形結構的特點和承重能力、拱形結構在建筑和生活中的應用等。 讓學生以小組為單位，制作一份思維導圖，梳理本節(jié)課的知識要點，突出知識之間的邏輯關系。 每個小組推選一名代表，向全班展示并講解小組制作的思維導圖，其他小組可以提出補充或修改意見。 教師對各小組的展示進行評價，總結本節(jié)課的重點知識，強調(diào)結構與功能的關系以及科學知識在生活中的應用。 回顧所學內(nèi)容，幫助學生鞏固知識，強化記憶。 制作思維導圖培養(yǎng)學生的歸納總結能力和知識整合能力，有助于學生構建系統(tǒng)的知識體系。 代表展示和交流環(huán)節(jié)，鍛煉學生的表達能力和團隊協(xié)作能力，通過小組間的互動，進一步完善知識體系，教師的評價和總結加深學生對知識的理解和應用意識。
四、作業(yè)設計
（一）、填空題
1.蛋殼具有（拱形）結構，這種結構使它具有較好的（抗壓）能力。
2.拱形結構在承受壓力時，能把壓力向（兩邊）傳遞，從而增強結構的穩(wěn)定性。
3.生活中的（安全帽）利用了拱形結構抗壓的原理。
4.世界上現(xiàn)存最古老的石拱橋是我國的（趙州橋），它采用了（拱形）結構。
（二）、判斷題
1.所有的拱形結構承重能力都一樣。（×）
解析：拱形結構的承重能力與跨度、材料等因素有關，不同的拱形結構承重能力不同。
蛋殼很薄，所以它的抗壓能力很弱。（×）
解析：蛋殼雖薄，但因其拱形結構，抗壓能力較強。
拱形結構只能應用在建筑上，其他地方用不到。（×）
解析：拱形結構在生活中的很多物品上都有應用，如安全帽、隧道等。
（三）、選擇題
1.下列物體中，沒有應用拱形結構的是（ ）
A. 金字塔 B. 拱橋 C. 拱門
答案：A
為了增強拱形的承重能力，我們可以（ ）
A. 增加拱形的跨度 B. 減小拱形的厚度 C. 給拱形加上支撐
答案：C
悉尼歌劇院的屋頂采用了（ ）結構。
A. 球形 B. 拱形 C. 三角形
答案：B
雞蛋能承受較大壓力的主要原因是（ ）
A. 雞蛋殼很厚 B. 雞蛋是圓形的 C. 雞蛋殼具有拱形結構
答案：C
（四）、簡答題
1.簡述拱形結構的力學原理及其在建筑中的優(yōu)勢。
答案：拱形結構在承受壓力時，能把壓力向下和向兩邊傳遞給相鄰的部分，使整個結構更加穩(wěn)定。在建筑中，其優(yōu)勢在于可以用較少的材料獲得較大的空間跨度，且具有較好的承重能力，能承受較大的重量，同時還能增加建筑的美觀性。
2.生活中還有哪些地方應用了拱形結構的原理？請舉例說明。
答案：除了前面提到的安全帽、隧道、涵洞、拱橋、拱門等，還有鍋蓋、橋洞、一些大型場館的屋頂?shù)榷紤昧斯靶谓Y構的原理。例如鍋蓋采用拱形結構，既增加了強度，又便于蒸汽散發(fā)；橋洞的拱形結構能承受來自橋面和水流的壓力，保證橋梁的穩(wěn)固。
3.為什么說蛋殼的結構給了人們在建筑設計上的啟示？
答案：蛋殼雖然很薄，但它的拱形結構使其具有良好的抗壓能力。這種結構特點啟示人們在建筑設計中，可以利用拱形結構來提高建筑物的承重能力和穩(wěn)定性。例如在建造橋梁和大型場館時，采用類似蛋殼拱形的結構設計，能夠用相對較少的材料承受較大的重量，同時還能使建筑更加美觀和實用。
（五）、科學探究題
題目：設計一個實驗，探究不同材料制作的拱形模型承重能力的差異。
答案：
實驗目的：探究不同材料（如硬紙板、卡紙、瓦楞紙）制作的拱形模型承重能力有何不同。
實驗材料：硬紙板、卡紙、瓦楞紙若干，相同規(guī)格的砝碼、直尺、剪刀、膠水、兩個相同的木塊（作為支撐物）。
實驗步驟：
制作拱形模型：用直尺和剪刀分別將硬紙板、卡紙、瓦楞紙裁剪成相同尺寸（如跨度為 15 厘米，高度為 5 厘米）的拱形形狀，并用膠水粘貼固定。
搭建測試裝置：將兩個木塊平行放置，間隔一定距離（略小于拱形模型跨度），作為拱形模型的支撐物。
測試承重能力：將硬紙板制作的拱形模型放在支撐物上，逐漸在拱形模型上添加砝碼，觀察并記錄拱形模型剛好被壓垮時砝碼的總重量。
重復實驗：用卡紙和瓦楞紙制作的拱形模型分別重復上述步驟，每種材料的拱形模型測試 3 次，記錄每次的數(shù)據(jù)。
變量控制：
保持拱形模型的尺寸（跨度、高度）相同。
使用相同規(guī)格的砝碼和支撐物。
每次放置砝碼時盡量保證位置均勻。
預期結果：不同材料制作的拱形模型承重能力不同，瓦楞紙因其特殊結構可能承重能力較強，硬紙板和卡紙制作的拱形模型承重能力相對較弱。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出不同材料與拱形模型承重能力之間的關系。
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