孫宏 李冷儀 周易

摘要在小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)下，“飛向太空”單元內(nèi)容突出技術(shù)與工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)的特點，在“建?！彼枷肟蚣芟?，以技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)為切入點制定相應(yīng)的教學(xué)策略，落實教材關(guān)于技術(shù)與工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)的進階特點。

關(guān)鍵詞技術(shù)工程;教學(xué)策略;建模

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.007

Content Analysis and Teaching Strategy of "Flying into Space"

SUN Hong1，LI Lengyi2，ZHOU Yi1

（1. Guangnei Branch of Beijing Primary School，Beijing 100032;

2. The Primary School Affiliated to the Normal School of Xicheng District of Beijing，Beijing 100032）

Abstract：Under the guidance of the primary school science curriculum standards，the content of the "flying to space" unit highlights the characteristics of learning in the field of technology and engineering. Under the ideological framework of "modeling"，take the learning content standards in the field of technology and engineering as the starting point，formulate corresponding teaching strategies，and implement the advanced characteristics of learning in the field of technology and engineering in the teaching materials .

Keywords：technical engineering;teaching strategy;modeling

1內(nèi)容解析

“飛向太空”是人教鄂教版《科學(xué)》六年級下冊的第四單元，也是本冊的最后一個單元。在前一單元“探索宇宙”中，學(xué)生認(rèn)識了太陽系，了解了人類探索宇宙的歷程。在此基礎(chǔ)上，本單元引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識飛行器，了解各種飛行器的動力;通過探究活動了解反沖力，將學(xué)習(xí)到的知識運用到設(shè)計與制作火箭模型的工程實踐中;讓學(xué)生模擬探索火星，思考如何制訂火星定居計劃，跨出他們探索宇宙的第一步。

本單元以飛向太空為線索和情境，教學(xué)內(nèi)容按照順序可以看作飛向太空的三個階段，同時按照工程設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用難度進行分析，由易到難，由簡單到復(fù)雜，層層遞進。

1.1飛向太空的三個階段

階段一：飛起來離開地面，在天空中飛行。

階段二：飛出大氣層，由地球到火星，在太空中飛行。階段三：飛到火星，到達火星并安全降落。

要飛向太空先要“飛起來”，就需要了解飛行技術(shù)，找到相關(guān)技術(shù)來源，即認(rèn)識飛行器中的仿生學(xué)。解決了“飛起來”的問題還不夠，因為飛機等只能在大氣層內(nèi)飛行，要飛向太空探索宇宙需要相應(yīng)的運載工具，這就引出了“飛出大氣層”。飛出大氣層的核心任務(wù)是制作火箭，需要根據(jù)具體的需求不斷設(shè)計、制作、測試、改進火箭，以達到任務(wù)要求。借助火箭飛到了火星還不夠，還需要安全降落，這就引出了“飛到火星”，要求飛行器在火星上安全降落，保證人的生存。在這一模擬任務(wù)中，需要綜合運用多種技術(shù)完成復(fù)雜的工程。

1.2利用技術(shù)的三個層級

從應(yīng)用技術(shù)的角度進行分析，這個單元從簡單了解技術(shù)的由來到利用簡單的技術(shù)，再到綜合運用多種技術(shù)，逐級上升。

第一層級：了解技術(shù)來源——仿生學(xué)。

第二層級：利用技術(shù)——反沖原理。

第三層級：整合多種技術(shù)——和生存相關(guān)的復(fù)雜技術(shù)。

1.3工程設(shè)計的三個層級

從工程設(shè)計角度進行分析，三個任務(wù)都需要一定的設(shè)計思維，這些活動也是由易到難逐級發(fā)展。

第一層級：利用已有技術(shù)，嘗試對飛行器進行設(shè)計。第二層級：按照具體需求對單一系統(tǒng)工程進行設(shè)計。第三層級：利用多種技術(shù)，按照需求對復(fù)雜多系統(tǒng)工程進行設(shè)計。

2建立模型的教學(xué)策略

經(jīng)過六年的科學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)已形成了一定的工程技術(shù)思維能力和自主探究能力。根據(jù)學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容的特點，教師可以先確定三個重點教學(xué)內(nèi)容，并以技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)為切入點展開教學(xué)：認(rèn)識仿生學(xué)，在自然界中找到原型;引導(dǎo)設(shè)計，了解工程是運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計解決實際問題;認(rèn)識一個工程需要由多個系統(tǒng)組成。然后制定相應(yīng)的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生使用“建立模型”的方法開展工程設(shè)計。

模型建構(gòu)是科學(xué)探究和工程實踐的核心思維之一。模型的類型各異，每個模型都是物質(zhì)世界的某一系統(tǒng)抽象而成的具象模型。研究和設(shè)計的系統(tǒng)，既要建構(gòu)具象模型，也要建構(gòu)抽象模型。這里所說的具象模型是指圖片和圖表的結(jié)合，即所有幫助科學(xué)家和工程師理解被研究的物體或要解決問題的物質(zhì)模型、數(shù)學(xué)模型或計算機模擬。模型與物質(zhì)世界的關(guān)系類似于地圖與地圖所代表的實地之間的關(guān)系。

“飛向太空”單元教學(xué)是對實際工程設(shè)計的模擬，既是對工程設(shè)計流程的模擬，也是對工程中應(yīng)用技術(shù)的模擬，還是對過程中解決實際問題的模擬。下面結(jié)合本單元各課介紹建立模型的教學(xué)策略。

2.1《認(rèn)識飛行器》教學(xué)策略分析

人類認(rèn)識世界的行為實際上是先在自己的頭腦中構(gòu)建模型。古人向往神秘莫測的天際，卻上天無路，只能寄托于神話般的幻想，于是出現(xiàn)了嫦娥奔月、蠟制羽翼、飛車、飛毯等神話傳說。

事實證明，作為自然界高等智能動物的人類并非萬能，人類的許多發(fā)明創(chuàng)造和設(shè)計靈感來自自然界的其他生物，即所謂“師法自然”：以自然為師，效仿自然?？罩邪肯璧您?，撲翼飛行的蝴蝶，甚至天上飄浮的白云、風(fēng)中飄舞的樹葉……自然界中種種飛舞、飄動的事物都足以引起人們對飛行的向往。古人就是通過長時間的觀察生活，順應(yīng)自然規(guī)律，想象出許多能在天地間飛來飛去、具有騰云駕霧本領(lǐng)的人物傳說。

在這個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過查閱資料和觀察比較，知道設(shè)計飛行器首先要從自然界中獲取創(chuàng)造靈感，尋找合理的設(shè)計原型。

2.1.1認(rèn)識仿生模型

對生物原型的某種結(jié)構(gòu)與功能進行仔細(xì)研究、合理簡化，可以提出一個仿生模型。人類天生沒有翅膀，但是經(jīng)?？吹秸癯犸w行的鳥，渴望自己可以像鳥兒一樣自由翱翔，于是就有人開始嘗試動手制作類似翅膀的模型讓它飛行。學(xué)生通過資料知道中國在漢代以前就發(fā)明了風(fēng)箏，它是中國勞動人民對人類實現(xiàn)飛行夢想的最杰出的貢獻之一，被傳到西方后，許多航空先驅(qū)者就是從研究和試驗風(fēng)箏開始的。

風(fēng)箏是依靠風(fēng)力、借自然空氣動力原理飛行的飛行器，造型多種多樣，有“鷹”形、“蝶”形、“龍”形、“蜻蜓”形等。我們選擇了北京人熟悉的“沙燕”風(fēng)箏，引導(dǎo)學(xué)生進行觀察。學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)，風(fēng)箏在形態(tài)上模仿的就是鳥類，有頭、軀干、尾還有翅膀，他們覺得這應(yīng)該是模擬小燕子飛翔時的樣子。

在這個環(huán)節(jié)，學(xué)生通過觀察、討論熟悉的沙燕風(fēng)箏，認(rèn)識人類最初對飛行的研究就是從模擬自然界中鳥類和昆蟲等的飛行狀態(tài)開始的。這樣教學(xué)，能夠激活學(xué)生頭腦中的設(shè)計思維，幫助他們建構(gòu)仿生模型。

2.1.2探索飛行原理

19世紀(jì)，飛機的研制進入一個空前活躍的時期。有關(guān)飛機升力、阻力、穩(wěn)定與操縱的理論初步建立起來，對動力飛機的探索、研制取得了可貴的經(jīng)驗。盡管先驅(qū)者們沒有最終研制成功有動力、可持續(xù)飛行的飛機，但他們的工作為萊特兄弟打下了堅實基礎(chǔ)。空氣動力學(xué)之父英國喬治·凱利，發(fā)現(xiàn)鳥類的翅膀不只是提供動力，還提供了升力。他發(fā)現(xiàn)空氣在不同形狀的面流過時產(chǎn)生的壓力不同，提出了通過固定機翼提供飛行升力的想法。這里，我們要讓學(xué)生認(rèn)識和感受這項技術(shù)，感受科學(xué)家在研究仿生學(xué)時的探索和嘗試，并對學(xué)生提出問題：“像飛機這樣龐大而沉重的身體是怎么攀升到空中，并在空中飛行呢？”引發(fā)他們進一步思考。

首先，我們將問題聚焦到飛機機翼。學(xué)生針對以上問題，能很快說出：因為飛機的設(shè)計靈感來源于鳥類，小鳥利用翅膀飛上天，應(yīng)該和機翼有關(guān)。學(xué)生回答問題后，教師引導(dǎo)他們觀察機翼具有“上凸下平”的結(jié)構(gòu)，和鳥類翅膀一樣，從而認(rèn)識到機翼的橫截面是“翼型”。然后，引導(dǎo)學(xué)生分析機翼的設(shè)計：有翼型的飛機飛翔狀態(tài)會更好。到底是不是這樣呢？引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，對有翼型和沒有翼型的飛機飛行狀態(tài)進行比較，體驗科學(xué)家的探索過程。

2.1.3感受仿生學(xué)技術(shù)

仿生學(xué)通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結(jié)合起來。通過觀察和實驗，學(xué)生知道了翼型的設(shè)計靈感來源于鳥類翅膀的結(jié)構(gòu)，飛機升力的產(chǎn)生與翼型密不可分，也體會到升力的產(chǎn)生是非常復(fù)雜的，與飛機整體的氣動外形、飛機姿態(tài)和飛機附近氣流都有關(guān)系。到此，學(xué)生對飛行器仿生學(xué)的發(fā)展有了一定的認(rèn)識。人類為了完成飛天夢想，從觀察身邊事物中不斷獲取靈感。學(xué)生認(rèn)識了飛行器的發(fā)明是從模仿開始的，從簡單模擬形態(tài)，到深入研究功能，制造、發(fā)明出了一代又一代的飛行器。

仿生學(xué)不僅僅是簡單的形態(tài)仿生，更重要的是在仿生中找尋靈感解決實際問題。本環(huán)節(jié)借助學(xué)生熟悉的飛行器——飛機，具體分析飛機各部分的仿生技術(shù)，如雙翼形態(tài)、流線型機身、尾翼狀態(tài)等，這些都是對鳥類形態(tài)的仿生設(shè)計。學(xué)生通過感受仿生技術(shù)，為后面利用仿生技術(shù)嘗試設(shè)計飛行器打好基礎(chǔ)。

2.1.4利用仿生學(xué)靈感設(shè)計飛行器

本環(huán)節(jié)學(xué)生將嘗試設(shè)計一款飛行器，他們的設(shè)計中會運用“蒼蠅的平衡棒導(dǎo)航原理”“墨魚噴射功能”“蝙蝠的微波導(dǎo)航原理”“蜻蜓的翅痣結(jié)構(gòu)”等仿生技術(shù)。學(xué)生的設(shè)計可能還不盡如人意，但還是成功邁出了第一步，為下節(jié)課打下基礎(chǔ)。

2.2《制作“火箭”》教學(xué)策略分析

從飛行器過渡到制作“火箭”需要搭建思維轉(zhuǎn)換的平臺，先明確為什么選擇火箭這種飛行器，再探索火箭的基本原理。

2.2.1比較火箭和其他飛行器

可以先對上一課進行回顧并提出問題：我們該選擇怎樣的飛行器離開地球，遨游太空？學(xué)生在比較和討論過程中，發(fā)現(xiàn)不管是研究飛行器的動力、最大高度，還是研究飛行器的飛行速度，設(shè)計和制作“火箭”是最好的選擇。

2.2.2探索火箭原理

此環(huán)節(jié)對火箭的動力——反沖力進行討論，通過兩個反沖實驗了解反沖力。學(xué)生通過討論，分別從火箭動力、火箭結(jié)構(gòu)以及使用材料三個方面討論設(shè)計方案。在討論過程中，學(xué)生多次調(diào)整想法和思路。最后，學(xué)生分組設(shè)計、展示火箭模型設(shè)計圖。展示者要傾聽其他同學(xué)的改進意見，修訂、完善設(shè)計思路。

2.2.3了解火箭技術(shù)的發(fā)展

在測試和發(fā)射“火箭”后，有的學(xué)生體會到發(fā)射成功的喜悅，也有學(xué)生會因為沒有發(fā)射成功而失落。這時可以切入科技史的故事，介紹現(xiàn)代火箭技術(shù)之父——羅伯特·戈達德的例子，鼓勵失敗的學(xué)生繼續(xù)探索。學(xué)生像現(xiàn)代火箭之父那樣發(fā)現(xiàn)自己“火箭”的問題，再次設(shè)計制作“火箭”，體驗火箭技術(shù)的改進和發(fā)展歷史。最后，介紹我國長征系列運載火箭的發(fā)展。

綜上所述，學(xué)生在制作需求的推動下，通過技術(shù)迭代，感受科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。這節(jié)課，可以在學(xué)生心里埋下一顆飛向太空的種子，讓他們學(xué)會運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計，解決實際問題和制造產(chǎn)品。

2.3《模擬探索：到火星上去》教學(xué)策略分析

本課重在讓學(xué)生通過模擬探索火星和火星居住地，體會探索火星是一個復(fù)雜的工程，理解一項工程是由多個子系統(tǒng)組成。

本課的工程任務(wù)可分為三個階段。第一階段，分析想要在火星定居有哪些需求。第二階段，引導(dǎo)學(xué)生進一步分析火星探測器的組成部分，并完成單一任務(wù)的設(shè)計。第三階段，帶領(lǐng)學(xué)生分析、制訂一份較為完整的“火星定居計劃”。下面重點介紹后兩個階段。

制作“火星探測器”是一項很復(fù)雜的任務(wù)，學(xué)生的構(gòu)想很難實際做出來并進行測試，教師可以引導(dǎo)他們重點設(shè)計、制作“火星探測器”中的一個子系統(tǒng)——著陸裝置。在這一環(huán)節(jié)中，首先引導(dǎo)學(xué)生解決如何讓“火星探測器”安全著陸這一問題。

學(xué)生提出初步猜想后，引導(dǎo)他們想辦法進行驗證。學(xué)生可能提出利用雞蛋進行模擬實驗來驗證，然后設(shè)計著陸裝置。學(xué)生探究完“火星探測器”如何安全著陸后，引導(dǎo)他們思考“火星探測器”還需要哪些裝置。最后總結(jié)：“火星探測器”的設(shè)計是一個非常困難的任務(wù)，可以將這一復(fù)雜的問題分解成多個較為單一的問題，將檢測裝置、能源裝置、行駛裝置、通信裝置等一系列問題逐一解決后，再進行匯總，最終我們就可以完成“火星探測器”的設(shè)計。

制訂“火星定居計劃”也是一個復(fù)雜的工程任務(wù)。首先，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識火星與地球有很多不同，知道人類以及地球上的各種生物，都不能直接在火星上生存，還需要做一些準(zhǔn)備。然后，引導(dǎo)學(xué)生對比火星與地球，發(fā)現(xiàn)火星與地球的環(huán)境不同，進而思考在火星上生活會遇到哪些問題，如缺乏氧氣、溫度極端、缺少水、光線輻射強等。學(xué)生圍繞這些問題，搜集相關(guān)資料，進行討論，形成書面的“火星定居計劃”，然后分組解決這些問題。以下是一些小組“計劃”的部分內(nèi)容。

1組：要解決溫度、居住、食物、能量供應(yīng)等問題。我們設(shè)計了氧艙、蓄水池、植物大棚、堡壘式的住宅和工作區(qū)。由于火星環(huán)境惡劣，不容易在地表活動，這些建筑物之間應(yīng)該有管道連通。除此之外，我們還設(shè)置了風(fēng)力發(fā)電裝置，為各種設(shè)備提供電力。

2組：要解決食物問題。我們組設(shè)計了火星農(nóng)場規(guī)劃圖，它由信號塔、種植區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、監(jiān)控室等組成。

組內(nèi)確定方案后就可以搭建，從而更加直觀、形象地表達設(shè)計，除了利用沙盤搭建，還可以自制模型進行搭建。

通過以上教學(xué)活動，學(xué)生可以充分體會一項工程的復(fù)雜性，理解工程是由多個子系統(tǒng)組成，而不僅是一些要素的簡單疊加。

3技術(shù)與工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)進階特點

“飛向太空”單元是本套教材最后一個技術(shù)與工程內(nèi)容，旨在幫助學(xué)生更好地認(rèn)識和理解建立模型在解決問題中的作用。建立模型是高年級技術(shù)與工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)的主要方法，也體現(xiàn)了人教鄂教版《科學(xué)》教材關(guān)于技術(shù)與工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)的進階特點。綜觀技術(shù)工程內(nèi)容的特點，我們發(fā)現(xiàn)，本套教材的技術(shù)與工程單元主題在難度上呈階梯式上升，符合不同年級學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律：從觀察了解生活中常見事物到關(guān)注仿生學(xué)原理，從簡單的任務(wù)出發(fā)到通過需求推動技術(shù)迭代，從熟悉技術(shù)工程流程到理解工程子系統(tǒng)思想，每一步的升級改變都在幫助學(xué)生更好地體驗科學(xué)家、建造師、工程師的思維過程和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，推進他們的思維發(fā)展。除了培養(yǎng)科學(xué)思維，本套教材關(guān)于技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)進階還有以下特點：

3.1由“展示與改進”到“測試與改進”

從一年級到三年級上學(xué)期，技術(shù)工程的任務(wù)分別由設(shè)計制作簡易筆筒，到設(shè)計制作指南針、制作小船、創(chuàng)意發(fā)明以及設(shè)計與制作建筑模型，每一項制作過程都遵循具體的流程。一年級學(xué)生對自己的作品要進行“展示與改進”，到了二年級和三年級，逐步變?yōu)椤皽y試與改進”。對于一年級學(xué)生來說，主要鼓勵他們勇于展示自己的作品，在展示交流、小組互評中思考作品存在的問題和改進方法。從二年級開始，要求學(xué)生通過簡單“測試”的方法來發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。由“展示”到“測試”的詞匯變化，也是讓學(xué)生由“通過簡單交流來說明制作物品的優(yōu)缺點”到“用測試結(jié)果說明制作物品優(yōu)缺點”的一個轉(zhuǎn)變，是技術(shù)與工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)的一個重要發(fā)展進階過程。

3.2從“具體任務(wù)”到“根據(jù)需求”

工程的關(guān)鍵是設(shè)計，學(xué)生要針對一個具體任務(wù)，按照設(shè)計的基本步驟設(shè)計一個產(chǎn)品或完成指定任務(wù)。例如，四年級下冊《設(shè)計和制作日晷》到六年級下冊《制作“火箭”》形成一個進階，引領(lǐng)學(xué)生從簡單的設(shè)計到根據(jù)現(xiàn)實的需要設(shè)計簡單的器具或完成任務(wù)，不斷地進行“設(shè)計一建造一測試”這一“技術(shù)流程”的循環(huán)。

3.3從“認(rèn)識經(jīng)驗型技術(shù)”到“認(rèn)識科學(xué)型技術(shù)”

技術(shù)的核心是發(fā)明，是人們對自然的利用和改造，技術(shù)發(fā)明通常蘊含著一定的科學(xué)原理，學(xué)生對于發(fā)明的了解和認(rèn)識是逐漸深入的。

中年級要讓學(xué)生知道一些著名的工程師、發(fā)明家的事跡，了解他們的設(shè)計和發(fā)明過程。這里的技術(shù)發(fā)明屬于經(jīng)驗型技術(shù)，如三年級上冊《小小建筑師》中列舉了魯班發(fā)明了鋸子、墨斗、刨子等工具。高年級學(xué)生要說出工程師利用科學(xué)原理發(fā)明創(chuàng)造的實例，了解科學(xué)型技術(shù)，如六年級下冊《認(rèn)識飛行器》中的仿生學(xué)。

3.4由“技術(shù)”到“工程”

“工程”包含“技術(shù)”，比“技術(shù)”的范疇更大、更復(fù)雜。本套教材低年級呈現(xiàn)的多是技術(shù)內(nèi)容，到了中高年級后，慢慢趨向工程設(shè)計。例如，一年級下冊的《制作指南針》，學(xué)生需要學(xué)會用磁化的方法制作小磁針，設(shè)計、制作、改進指南針的過程都屬于技術(shù)內(nèi)容。六年級上冊的《建造“植物工廠”》是一項生物工程，材料的選擇、設(shè)計的構(gòu)思、搭建的過程都要更加全面地考慮，明顯要復(fù)雜且系統(tǒng)化。這樣，在幫助學(xué)生夯實科學(xué)知識和技術(shù)能力后，逐步由“技術(shù)”過渡到“工程”，能夠發(fā)展學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，讓他們逐步體會科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程之間的融合關(guān)系。

3.5由“簡單”到“復(fù)雜”，由“外”而“內(nèi)”

按照不同年級學(xué)生的認(rèn)知特點，各年級技術(shù)與工程單元的設(shè)計與制作的物品在選取上有所不同，由一個小筆筒到指南針、小船的模型，再到建筑模型和小車模型，學(xué)生完成了三個梯度的學(xué)習(xí)過程。由觀察外觀后就可以設(shè)計制作（筆筒），到了解物質(zhì)性質(zhì)和各部分組成后才能設(shè)計制作（指南針與小船），再到充分了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)搭建原理、內(nèi)部動力裝置原理后，進行設(shè)計制作（建筑模型與小車模型），這種讓學(xué)生由觀察外形特點到深究內(nèi)部原理的工程任務(wù)，在思維上的要求是由“簡單”到“復(fù)雜”、由“外”而“內(nèi)”，這樣的學(xué)習(xí)梯度符合學(xué)生的認(rèn)知水平，也使他們面臨更多的挑戰(zhàn)。

參考文獻

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