1、专项学习专项学习 像工程师那样像工程师那样 一、一、设计意图设计意图 1.1.主题的提出主题的提出 科学学习不仅包括科学知识的学习，还包括科学方法与技能的学习。科学方法是人们在认 识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式， 是获取知识的重要手 段，更是培养学生关键能力的主要途径。科学知识和科学方法这两个方面是一个整体，不可分 割。采用某种系统的、显性化的方法进行科学方法教育，对于小学生掌握基本的科学方法乃至 理解科学的本质都是必要的。因此本套教材在每一册都设计了“专项学习”板块，以期让学生 有机会经历一次次丰富而完整的活动过程，并接受专门的、较为系统的能力训练。 教材中，
2、专项学习的活动，不仅包括科学探究活动，还包括工程实践活动，它们既有所联 系又相互区别， 有着同等重要的作用。 两类活动有各自的方法体系， 我们有必要对其进行区分， 并为其建立能力训练体系。因此，本套教材专项学习板块的能力训练体系分为科学探究能力和 工程实践能力两个系列。 本套教材由上册“像科学家那样”的科学探究活动和下册“像工程师那样”的工 程实践活动两大系列组成共 12 个专项学习板块， 交替安排， 各有侧重， 依据学生的思维特点， 确定不同的学习重点和深度，实现学习进阶。专项学习的选题基于学生的真实生活，有一定的 复杂性和难度，能体现学科的综合性，学生在经历完整的科学探究或工程实践的活动过
3、程中， 实现科学探究思维或工程思维的发展，实现深度学习。 “像工程师那样”指向小学科学课程内容标准中增设的“技术与工程”领域。学生通 过学习了解与工程技术有关的职业、工程师的基本素养，明确工程设计的一般流程，体验工程 和技术对人类生活和社会发展的重要影响。 通过具体的项目(活动)给学生提供经历完整工程实 践环节的机会、跨学科学习的机会，着重培养学生的设计思维和实践能力。 本册教材关于工程实践专项活动的主题是“自制蒸汽船” 。海模比赛在小学科技竞赛中很 常见，本项目通过提出“自制一艘能在 80 厘米的航道上最快到达终点的蒸汽船”的任务，使 学生学会分析任务的具体要求，学会在前期研究时，列出需要研
4、究的问题，根据不同的问题选 取合适的方式获取经验与知识储备。在此基础上，用画图的方式来设计蒸汽船的制作方案，并 能利用评估表评价选择最佳方案。依据设计方案，制作能体现结构与功能等核心技术的实物模 型，多次测试改进，确定最优方案及作品，最后以完整的工程报告书向同伴们展示交流。从解 决问题认知路径的方法论学习角度上看， 从五年级开始是工程实践活动环节螺旋上升的第三阶 段， 本册着重对其中的四个主要环节前期研究、 设计方案、 制作模型和展示交流进行指导。 与低、中年段活动相比，对学生工程实践能力和工程思维的要求有了进一步的提升。 2.2.对课程标准的落实对课程标准的落实 课程标准将“科学、技术、社会
5、与环境”作为科学课程目标的一个重要方面，提出了 “科学、技术、社会与环境”总目标和学段目标。就工程实践而言， 课程标准在课程内容 部分增加了“技术与工程领域” ，其中的 18.1、18.2、18.3 特别强调了工程设计的基本步骤及 其中设计、制作、评估等环节的重点学习目标。 课程标准提出工程设计的四个要素：明确问题、确定方案、设计制作、改进完善。在 参考了若干国家的技术与工程教育标准和教材，以及本土的研究的基础上，教材将工程实践细 化为六个要素，即明确问题、前期研究、设计方案、制作模型、测试改进、展示交流，并以此 为主线，贯穿于包含本活动在内的每个“像工程师那样”的工程实践专项学习中。 3.3
6、.在整套教材中的地位在整套教材中的地位 低年级： 中高年级： 本册的专项活动“像工程师那样”指向工程实践能力的专门训练。如上图所示，我们将工 程实践细化为六个要素：明确问题、前期研究、设计方案、制作模型、测试改进、展示交流， 让学生经历工程活动的完整过程。其中前期研究、设计方案、制作模型、测试改进是由低年级 第二阶段的设计制作要素扩展出来。 本册的专项学习在学生亲历工程活动的完整步骤和程序的基础上， 重点指导其中的四个要 素前期研究、设计方案、制作模型和展示交流。虽然这些要素在先前的年级中均已出现过 1-2 次的指导，但本学期是在先前的基础上，或补充、或递进，对学生的工程实践能力提出了 更高的
7、要求。 比如： 前期研究环节， 本册要重点指导学生通过检索关键词的方法进行前期研究。 设计方案环节本册在三年级头脑风暴选出最佳方案的基础上， 进一步指导学生学会用评估 表等方法评价选择最好的设计方案。制作模型环节，除了四、五年级对材料、结构等的指导， 本册更强调重点关注模型的核心技术的有效性，制作工艺要提高。展示交流环节，本册是小学 阶段的第二次指导， 在四 199 年级提倡展示方式多样性的基础上， 本册进一步指导学生像真正 的工程师一样，以工程报告书的形式进行展示，工程报告书中包括设计步骤、草图、解释和说 明、制作过程、测试信息和改进过程，强调工程实践要素的完整呈现。工程报告书的制作是在 工
8、程实践的每一个步骤和程序中进行的，教师要及时进行有关工程报告书的指导。 4.4.学习内容的构成及逻辑关系学习内容的构成及逻辑关系 本册是小学阶段最后一次工程实践活动的专项学习，学习内容主要由两部分组成。第一部 分是带领学生一起回忆做过的所有专项学习活动，在此基础上阅读教材，整理归纳，呈现工程 师设计开发或改进产品时一系列的步骤和程序。在这一过程中， 学生体会到每一次的工程任务 都不是一蹴而就的，其中“设计方案、模型制作、测试改进”这三个要素要用充足的时间进行 迭代循环，当模型的测试结果与任务需求不一致时，需要重新设计方案、重新制作模型并再次 测试，直到最终做出符合任务需求的作品才能进行下一步的
9、展示交流。 第二部分，以小学生科技活动中常见的航模竞赛为落脚点，提出了“自制一艘能在 80 厘 米的航道上最快到达终点的蒸汽船” 的任务， 通过明确问题、 前期研究、 设计方案、 制作模型、 测试改进，最终向同伴展示交流。在前期研究中，学生在列出需要研究的问题后，可以通过实 验研究、 图书馆查阅或在网上搜索 “蒸汽动力” 、 “蒸汽船原理” 、 “载人蒸汽小火车” 等关键词， 查询有关蒸汽船的类型、影响蒸汽船行驶的因素等信息， 提取有用的部分启发完成蒸汽船的设 计。在设计方案时，每一种设计方案都要绘制设计图，对多种方案要先制定评估标准，再通过 评估表评价选择出小组内都认可的最优方案。在制作模型
10、环节，要更关注其结构与功能，以便 测试核心技术，只做蒸汽动力部分和船身的结合，可以节省时间成本等，提高效率。在展示交 流环节，需要展示工程报告书，报告书的制作是在制作蒸汽船的每一个步骤中进行的，要能呈 现完整的工程实践要素。学生像工程师一样，经历完整的制作蒸汽船的工程实践活动，形成明 确问题分析问题解决问题的一般认知路径。 二、二、教学目标教学目标 动手动脑，设计合适的方案，制作出满足需求的蒸汽船，并向同伴展示交流。 能够明确工程任务，在实践中经历工程活动的完整过程，重点领会前期研究、设计方案、 制作模型和展示交流四个要素的基本方法。 通过回顾与阅读，归纳概括工程师设计开发或改进产品时一系列的
11、步骤和程序。 三三、单元活动框架图单元活动框架图 四四、课时建议等课时建议等 1.课时建议：2-3 个课时。 2.重点与难点 重点：在制作蒸汽船的过程中，领会前期研究、设计方案、制作模型和展示交流的基本方 法。 难点：设计蒸汽船，对制作的蒸汽船进行测试和改进。 3.教学准备 教师准备：教学课件。 学生准备：热熔胶枪、蜡烛、火柴、木板、小瓶子、吸管、铁丝、塑料块等。 五五、参考资料参考资料 瓦特瓦特 瓦特(JamesWatt，17361819)英国发明家、工程师。1736 年 1 月 19 日生于苏格兰的一个 小镇格里诺克。他从小体弱多病，由父母进行了启蒙教育。父亲是个具有多种手艺的工匠，受 其
12、影响瓦特从小就有实验的兴趣和才能。传说他小的时候，曾用布把壶嘴堵死，看到蒸汽的力 量把壶盖冲开。这一现象激发了他的探索精神。 1756 年瓦特在格拉斯哥大学当了仪器修理员，这是他一生的转折点。一方面该校具有较 完善的仪器设备和先进技术， 为他的工作创造了良好的技术条件。更重要的是他在这里结识了 英国化学家、物理学家 J.布莱克等著名学者，他可以经常跟他们讨论改进蒸汽机的理论和技 术问题，这对他后来的发明工作影响很大。 1763-1765 年，瓦特得知格拉斯哥大学有一台纽科门蒸汽机(Newcomensteamengine)，但 是正在伦敦修理， 他请求学校取回了这台蒸汽机并亲自进行了修理。修理后
13、这台蒸汽机勉强可 以工作，但是效率很低。经过大量实验，瓦特发现效率低的原因是由于活塞每推动一次，气缸 里的蒸汽都要先冷凝，然后再加热进行下一次推动，从而使得蒸汽 80%的热量都耗费在维持气 缸的温度上面。他想到将冷凝器与气缸分离开来，使得气缸温度可以持续维持在注入的蒸汽的 温度， 并在此基础上很快建造了一个可以连续运转的模型。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起 了关键性的作用。 经过他的一系列重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的 3 倍多， 而且 配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机高效率瓦特蒸汽机的 发明者称号。很快，瓦特蒸汽机在纺织、采矿、冶炼和交通运输
14、等方面得到了广泛应用，极大 地推动了英国和欧洲的第一次工业革命，使世界进入了“蒸汽时代” 。蒸汽火车蒸汽轮船很快 便相继问世。蒸汽机在交通运输业中的应用，使人类迈入了“火车时代” ，迅速的扩大了人类 的活动范围。 蒸汽船的发展和原理蒸汽船的发展和原理 人类使用船舶作为运输工具的历史， 几乎和人类文明史一样悠久。 在经历了人力桨的驱动， 自然风力的推动之后，随着蒸汽机的出现，人们也想将它应用在船上，作为新的动力。1783 年，一位叫约翰菲奇的美国人成功制作了”实验”号蒸汽船。他用蒸汽带动一根铁杆做水平 运动，再用铁杆带动 6 支船桨划水，搭载了 33 名旅客。 但这还称不上是真正的轮船，真正意义
15、上的轮船要到 1807 年由富尔顿制造的“克莱蒙特 号” ，他采用了桨轮，就是在船舷两边装了两个大轮子，以蒸汽机为新的动力系统，以螺旋桨 为新的推进系统，驱动两舷的明轮，由此开创了造船史的新纪元。这样的明轮蒸汽轮船在 19 世纪已航行于世界各地的内河和大海。 蒸汽轮船是将蒸汽的能量转换为机械能来驱动的。通过燃烧，把水变为蒸汽作为动力。蒸 汽船中最重要的动力装置就是蒸汽机。蒸汽机由三个部分组成：蒸汽炉、汽缸和冷凝器。在蒸 汽炉中， 通过燃烧过程水沸腾为蒸汽。 蒸汽通过管道被送到汽缸。 蒸汽在汽缸内推动活塞做功， 将活塞的上下运动转化为船轴的旋转运动。冷却的蒸汽通过管到被引入冷凝器重新凝结为水。 这个过程在蒸汽机运动时不断重复。有的蒸汽船中包含了一个小的涡轮机，从汽缸中出来的蒸 汽还可以利用它的余热在推动这个涡轮机来提高整个驱动装置的效率。 这个涡轮机也与船的螺 旋浆轴相连，提高其运转效率。