1、课程基本信息 学科 小学科学 年级 六年级 学期 下 课题 认识飞行器（第二课时） 教科书 书名：义务教育教科书 科学 六年级 下册 出版社：人民教育出版社 湖北教育出版社 出版日期：2020 年 12 月 教学人员 姓名 单位 授课教师 指导教师 科学知识：科学知识： 知道制造飞行器的过程中，有很多发明受到了生物的启发。 科学探究：科学探究： 通过阅读资料、观看视频，知道在自然界中可以找到飞行器发明的原型。 科学态度：科学态度： 始终保持对飞行器的研究兴趣。 科学、技术、社会与环境：科学、技术、社会与环境： 了解人类的好奇心和社会的需求是飞行器发展的动力。 教学重点：教学重点： 知道在飞机的
2、制造过程中，有很多发明受到了生物的启发。 教学难点：教学难点： 知道在飞机的制造过程中，有很多发明受到了生物的启发。 教学过程 教学环节 主要师生活动 一 回顾旧知识 聚焦新问题 1.1. 知识回顾：知识回顾： 提问：上节课我们一起认识了各种各样的飞行器。你学到了哪些知识？ 【预设学生回答】 学生 1：我知道了飞行器分为航天器、航空器和火箭等。 学生 2：我知道了飞机、热气球等飞行器属于航天器，是靠空气的浮力或空气相对运动产生的升力而升空飞行的。 学生 3：我还知道了飞机的翼型有助于产生飞行所需的升力。 导语：人类为了完成飞天的梦想，从观察身边事物中不断获取灵感。飞行器的发明是从模仿开始的。从
3、简单模拟形态，到深入研究功能。制造、发明出了一代又一代的飞行器。 2.2.聚焦仿生学聚焦仿生学 导语：大自然是人类的老师，有许多科学家都从中得到启示，有所发明、有所创造。 出示图片：蒲公英和降落伞 提问：你能看出它们之间的联系吗？ 【预设学生回答】 学生 1：蒲公英和降落伞形态相近。 学生 2：蒲公英可以随风飘扬，科学家根据这种特性发明出了降落伞。飞机在飞行时一但遇到故障，只要背上降落伞，就可以平安着陆了。 小结：人们通过研究生物的结构和功能，从而发明出新的设备和工具，这就叫做仿生技术。小结：人们通过研究生物的结构和功能，从而发明出新的设备和工具，这就叫做仿生技术。日常生活中的很多发明都来源于
4、自然界的仿生原理，飞机的设计制造也不例外。日常生活中的很多发明都来源于自然界的仿生原理，飞机的设计制造也不例外。 环节意图：聚焦话题，激发学习兴趣。明确仿生学的概念。 二 科学实践活动:了解飞行器中的仿生学 1.1.聚焦飞机设计中的仿生学聚焦飞机设计中的仿生学 提问：发明飞机最初的灵感来源于鸟类，你觉得飞机的构造中哪些和鸟类相似呢？请根据自己已经了解的知识在飞机结构简图上标注出哪部分结构的设计灵感来源于鸟类。 学生汇报： 【预设学生回答】 学生 1：通过上节课的学习，我知道机翼翼型的设计灵感来源于鸟类的翅膀。 学生 2：小鸟有尾巴，飞机有尾翼。 学生 3：小鸟飞行时，鸟爪会蜷缩起来。飞机的起落
5、架也是这样的。 学生 4： 其实飞机的整体形态和小鸟的身体形状十分相似。 从流线型的头部， 到展开的翅膀，到最后平行的尾部形态，都基本一样。飞机的整体形态设计灵感就是来源于鸟类。 环节意图：初步了解飞机设计受到了鸟类的启发。 2.2. 了解飞机中的仿生学了解飞机中的仿生学 导语：我们从形态上可以看到飞机模仿小鸟。那么在飞机的发明、制造的过程中，具体应导语：我们从形态上可以看到飞机模仿小鸟。那么在飞机的发明、制造的过程中，具体应用了哪些仿生技术呢？我们来听听同学们查阅资料后的分享。用了哪些仿生技术呢？我们来听听同学们查阅资料后的分享。 【预设学生回答】 飞机整体形状和鸟的身体外型 学生 1：首先
6、飞机的整体形态和小鸟的身体形状十分相似。从小小的头部，到展开的翅膀，到最后的分开的尾部形态，都基本一样。飞机的整体形态设计灵感就是来源于鸟类。 海鸟与机头的探测器 学生 2：通过查阅资料，我发现：机头探测器的设计灵感来自于海鸟。海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量，并通过调节翅膀的形状抑制升力。运用此原理，新型的空客通过安装在机头的探测器可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。这个设计还可以进一步节能减排。 机身形状和鸟的身体外型 学生 3：我们能很清晰的发现机身的形状模仿的是鸟类纺锤形身体外型。在资料中我也查阅到：19 世纪初，英国科学家凯利模仿山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型
7、结构，这对航空技术的诞生起到了促进作用。 鸟类和机翼翼型 学生 4：在上节课的学习中，我知道了机翼的翼型就是源自鸟类翅膀。法国生理学家马雷在其著作中介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系，而德国人亥姆霍兹发现飞行动物的体重与身体的限度的立方成正比。根据鸟类飞行结构的原理，人们制造了能够载人飞行的滑翔机，机翼形状正是其发自鸟类翅膀。 蝴蝶与机翼结构（出示蝴蝶展翅动图） 学生 5：今天我在资料上又看到了“蝴蝶与机翼结构”之间的关系。蝴蝶华丽的外表也掩饰了其复杂精细的翅膀结构。这些翅膀可是它们高效飞行的利器。它们柔软的外膜和血管时紧时松，使其能在任何飞行阶段都收放自如。同样，空客工程师已研发出可以在飞行中
8、自动翻转的机翼。如果可以控制其转动，那么飞行效率将得到提高，能耗也会降低。工程师们正在效仿蝴蝶的微毛细血管翅膀结构，在机翼设计中采用小型可移动表面及灵活的内部组件，从而提高飞行效率。 鹰与机翼翼尖小翼 学生 6：关于机翼我还了解到：机翼翼尖处有一个小翼（出示图片）通过学习资料我知道这个来源于老鹰等大型鸟类。人们通过长期观察自然界大型鸟类，比如鹰和隼，发现它们在飞行中展开翅膀向上偏折翅尖羽毛以减小阻力，从而实现远距离滑翔。受此启发，有专家提出在翼尖加装短板来减小诱导阻力的想法。后来，设计师们不断研究，发明了翼尖小翼，并将其安装在运输飞机上，以减小飞机的阻力。 师：翼尖带有小翼的飞机的飞行能力要强
9、一些。但是也不是所有飞机都是带有小翼的。为什么呢？我们通过一段视频学习一下其中的科学道理（播放视频 104） 环节意图：了解飞机中的仿生学。 导语：关于机翼的仿生学同学们查阅到很多，看来科学家在飞机机翼方面做了很多研究。导语：关于机翼的仿生学同学们查阅到很多，看来科学家在飞机机翼方面做了很多研究。那么飞行器在发明和制造过程中还遇到了哪些问题，科学家又是怎样在大自然中受到生物那么飞行器在发明和制造过程中还遇到了哪些问题，科学家又是怎样在大自然中受到生物的启示，解决了飞行问题呢？的启示，解决了飞行问题呢？ 蜻蜓与抗震颤装置（播放视频 131） 提问 1：飞机在高速飞行时，常会引起剧烈震动，甚至有时
10、会折断机翼而引起飞机失事。针对这个问题科学家受到怎样的启示呢？ 【预设学生回答】：查询资料中我们看到了相关问题。大自然中，也有昆虫会出现类似的现象被誉为昆虫“飞行之王”的蜻蜓在振翅飞行时，也会遇到有害的颤振现象。科学家发现：在蜻蜓前后翅前缘有不透明斑纹，称为翅痣。翅痣对于蜻蜓的平稳飞行有着非常重要的作用。受其启发，飞机设计师在机翼末端的前缘，像打补丁一样各加了 1 块类似翅痣的长方形金属板，也被称为抗震颤装置。这样就解决了机翼的颤振问题。 苍蝇与导航仪 提问 2：当飞机飞行出现强烈倾斜，失去平衡时，怎样能尽快恢复呢？ 【预设学生回答】：据有关资料记录，一只小小的苍蝇可以在 1 秒内转弯 6 次
11、，并能够在空中盘旋、向后飞、翻筋斗、直上直下、停在天花板上。科学家通过研究苍蝇楫翅的导航原理，研制成功了一种音叉式振动的陀螺仪。可使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。 蝙蝠与雷达导航 （播放视频 130） 提问 3：飞机是怎样在夜间完成正常飞行的呢？ 【预设学生回答】：大家都知道蝙蝠就是在夜里飞行的，还能捕捉飞蛾和蚊子；而且无论怎么飞，从来没见过它跟什么东西相撞。资料中介绍，科学家就是模仿蝙蝠探路的方法，给飞机装上了雷达。驾驶员从雷达的荧光屏上，能够看清楚前方有没有障碍物，所以飞机在夜里飞行也十分安全。 猫头鹰与气动噪声（播放
12、视频 1） 提问 4：飞机起飞和降落时会发出的震耳欲聋的轰鸣声，人体感觉很不舒服。这个问题时又是怎样解决的呢？ 【预设学生回答】：通过资料学习我们知道，猫头鹰拥有锯齿状的翅膀以及绒毛状的腿部羽毛，这有助于猫头鹰最大限度地减少气动噪声，使其能够“悄无声息地”捕捉猎物。科学家们尝试将猫头鹰“无声飞行”的原理运用到飞机上，模仿猫头鹰羽毛后缘的可伸缩式刷子边缘及天鹅绒般的起落架涂层，解决了这一问题。 环节意图：人类的需求是飞行器发展的动力。 导语：在飞行器制造中，还有很多生物也为飞行器的发明和改进提供了思路。我们再来学导语：在飞行器制造中，还有很多生物也为飞行器的发明和改进提供了思路。我们再来学习几篇
13、资料：（播放语音）习几篇资料：（播放语音） 喷气发动机与乌贼 根据牛顿第三定律，作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事实上，这一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如乌贼（墨鱼）、水母的反冲原理。乌贼遭到危险时，能从腔内喷出一束墨汁，一方面把水的颜色弄深，一方面提供反作用力向前迅速窜逃。飞机喷气发动机推进的原理也是如此。喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。 机身蒙皮与蒙古弓 飞机的机身是由蒙皮包裹的，然后再将受力传递到翼梁和翼肋。同时，蒙皮的完整性也影响着飞机整体的气动性能。
14、因此，蒙皮的强度关系到整架飞机的结构安全。数百年前蒙古铁骑的战弓引起了设计师们的兴趣。为适应马上作战，蒙古弓要做的短小，但又要保证弓的强度。聪明的古人采用了复合材料的方法，他们用水牛角和鹿腱来加强弓的强度。设计师们由此获得启发，将玻璃纤维与铝合金相结合，完成了适应现代大飞机要求的复合材料。 飞机涂料与鲨鱼皮 自适应表面的设计与开发是飞机设计具备显著环境适应性的领域，要从自然界寻找灵感。今天的民用客机，40%的阻力可归结于湍流边界层。连续的自适应表面可以破坏这层湍流然后消除蒙皮摩擦阻力。拉条（飞机表面顺气流方向的一行小沟）可以减少 4-7%的蒙皮摩擦力。但是拉条很容易损坏，所以是个重大工程问题。
15、不过，德国弗劳恩霍夫研究所设计了一种涂料，模仿鲨鱼皮并加入了类似拉条的小沟，可以用蜡纸版作为飞机最外侧涂层。该涂料包含纳米件，保证它可以抵挡紫外线而改变温度。研究所表示该涂料应用到飞机上可以每年节省 448 万吨燃油。 机舱设备与荷叶 在现在的进化阶段，荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚落并带走污浊以保持自身的清洁与干燥。这就是“荷花效应（the Lotus Effect）”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂层设计上的灵感。这种涂层可以使水分以滚珠的形式流走并同时去除污物。这样就提高了飞机的清洁度，同时还能省水，减重，降耗并减少碳排放。此灵感已经在空客飞机上的卫生间得到了应用。在未来，座位
16、和地毯的材料也很可能被这样设计。 列阵飞行与大雁 在自然界中，大雁迁徙时会列阵集体飞行以节省能量并增加飞行距离。列阵飞行时，领头雁的翅膀会产生漩涡状气流，其后的雁就会因此得到额外的升力，也就是说会省力。机翼也可以有同样的效果，称之为“尾涡”。军用飞机经常利用列阵飞行减少能耗。目前，客运喷气式飞机出于安全考虑，还没有使用这种方法。 环节意图：飞机在发明和制造中，很多设计可以在自然界找到原型。 3.3. 参考仿生学设计飞行器参考仿生学设计飞行器 谈话：通过学习仿生学，对于你们自己设计和制作一种飞行器有什么启发？谈话：通过学习仿生学，对于你们自己设计和制作一种飞行器有什么启发？ 【预设学生回答】 学
17、生 1：我觉得做好飞行器首先要观察和研究鸟类或昆虫等飞行动物的的特点，可以获取更多灵感。 学生 2：制作飞行器的材料应该选用材质轻的，易于飞行。 学生 3：设计和制作的飞行器要具备飞行动力。 学生 4：我想可以设计带有平衡棒的飞行器使飞行状态更平稳。 设计：设计： 谈话：结合前面你对飞行器的了解，你想设计什么样的飞行器？谈话：结合前面你对飞行器的了解，你想设计什么样的飞行器？ 【预设学生回答】 学生 1：我想设计一款直升机。 学生 2：我想利用仿生学设计一款飞行器。 布置任务： 在你设计的的飞行器中， 参考了哪些仿生学的知识？请将设计图画在记录单布置任务： 在你设计的的飞行器中， 参考了哪些仿
18、生学的知识？请将设计图画在记录单上。上。 交流：交流： 导语：让我们来看看同学们的设计图，听听他们的想法吧。导语：让我们来看看同学们的设计图，听听他们的想法吧。 【预设学生回答】 学生 1：我设计的飞行器是未来飞机。我画的这个飞行器四个角度的样子：正面、背面、下面、以及落地时的状态。机头部分安装雷达，进行飞行安全探测。机翼选择旋翼，在底部也安装了一个螺旋桨，增加飞行动力和升力。在这里我参考了蜻蜓的飞行方式和蝙蝠的探路方式等仿生学知识。 学生 2：我设计的飞行器是升级版“竹蜻蜓”。首先增加了飞翼的数量，提高升力。再有，下面安装了气球，通过气球内气体喷射时产生的反冲力，增加飞行器的推力。参考了乌贼
19、的反冲原理。 学生 3：我设计的飞行器是超级风筝。整体仿昆虫的造型。“触角”是探测雷达。尾部增加振动陀螺仪，参考苍蝇的“平衡棒”原理。 学生 4：我设计的是水母飞行器 。整体仿水母的造型。上面材质轻薄，类似于飞行衣。减轻飞行重力，通过下面的水管出水时产生的喷射力，升空飞行。 4. 小结：小结：同学们，你们觉得他们设计的怎么样？相信你们一定也会有很棒的设计方案！ 环节意图：学习仿生学对设计和制作飞行器的启发。 （三） 总结全课 小结：在飞行器的发明过程中，受到了这么多生物的启发。模拟生物的本领已经成为工程科学发展进步的重要途径。目前，新型飞行器外形设计，科学家已经将目光从鸟类仿生转移到鱼类仿生中。今后我们会有更多的设计和研究空间。希望同学们也能像科学家一样发现自然界中更多的秘密，期待你们更多的发明和创作。 环节意图：了解更多飞行器中的仿生学。 板书设计 认识飞行器认识飞行器 蒲公英和降落伞仿生技术 飞机整体形状和鸟的身体外型 海鸟与机头的探测器 结构仿生 机身形状和鸟的身体外型 鸟类和机翼翼型 蝴蝶与机翼结构 鹰与机翼翼尖小翼 蜻蜓与抗震颤装置 苍蝇与导航仪 性能仿生 蝙蝠与雷达导航 猫头鹰与气动噪声 喷气发动机与乌贼 机身蒙皮与蒙古弓 应用技术仿生 飞机涂料与鲨鱼皮 机舱设备与荷叶 列阵飞行与大雁
