《搭建機械模型》教學分析

王利沖　敦文術

從學習內容來看，《搭建機械模型》是學生學習了《巧妙的用力》后構建的專題研究課例。學生在掌握了杠桿、滑輪、輪軸、斜面四種簡單機械的工作原理及組合方法的基礎上，設計制作一個省力的模型，體現科學與技術、工程、藝術、數學的整合，培養學生運用知識解決實際問題的能力、創新能力等。

在《巧妙的用力》單元的學習中，學生能動手進行系列對比實驗，能動腦進行數據分析比較、歸納推理，從而得出實驗結論，說明五年級學生已經具備了一定的發現、發明和自主探究的綜合能力。

據此分析，本課以技術工程實踐為主線，按照確定制作裝置的目的、多種方案設計、合理選擇修正方案、調試、評價、改進制作裝置為教學思路，突出技術設計的諸多要素，使學生在實踐活動中體會到“做”的成功和樂趣，養成通過“動手做”解決問題的習慣。

教學過程

1.創設情境，導入新課

師：（出示情境圖）有兩個工人要把1000千克的貨物搬到一米高的平臺上，但是搬不上去，他們搭了一個斜面，沿著斜面往上推，還是推不動，你能幫他們想個辦法嗎？

生：可以利用動滑輪。

師：你怎么想到了動滑輪？

生：因為動滑輪省力。

師：你是單獨用動滑輪，還是和斜面組合到一起用？

生：組合在一起用。

師：為什么？

生：組合使用應該會更加省力。

師：他想到了把兩種省力機械組合起來，這樣可能更省力。那么，還有別的組合方法嗎？

生：把輪軸和斜面組合起來。

生：還可以將動滑輪和輪軸組合起來。

師：他們都想到了用兩種省力機械的組合，還有不同的嗎？

生：我用斜面、動滑輪和輪軸3種省力機械的組合。

生：我用3個動滑輪加上斜面和輪軸，這樣我就用到了5個省力的機械。

師：你們說的這些方案哪個更省力呢？我們用實驗的方法，搭建一個機械模型來驗證。

設計意圖：把生活中一個情境用任務的形式呈現出來，使學生明白簡單機械在生活中的用途無處不在。之后，利用一系列的問題，引導學生思考，怎樣把能夠省力的機械組合到一起，來優化機械的省力作用，引導學生用組合法進行思考，從而培養學生的創新能力。

2.小組活動，設計方案

（1）提出要求，指導設計

師：搭建模型和修橋、蓋房子一樣，都屬于工程，工程首先要設計方案。接下來，我們就為這個機械模型設計一個方案。（出示設計目的）這是設計目的，請一位同學來讀一讀。

生：利用幾種簡單機械的組合，設計一個省力的方案，把400克的物體抬到10厘米的平臺上，并畫出設計圖。

師：簡單機械是怎樣組合的呢？老師找到了兩個實例（出示設計簡圖）。這是電梯，它用到了兩種省力機械的組合：輪軸在最高點，動滑輪和電梯轎廂連在一起。這是運礦車，它也用到了兩種省力機械：斜面連接地下和地面，輪軸在上面。

設計意圖：通過教師的講述，讓學生明白這項任務是一個工程，并且知道了一項工程大致要分成兩步來完成：設計方案、進行制作。接下來，教師出示生活中簡單機械組合的設計簡圖（電梯和運礦車），為學生設計方案提供了參考，引導學生正確設計省力裝置的組合。

師：那么，方案到底應該怎樣來設計呢？老師給大家提供一種思路：第一步，小組交流設計思路，根據思路選擇材料;第二步，把材料簡圖畫在方案紙上，再用線連接起來;第三步，小組交流討論，選出最合理的方案。接下來，請大家以小組為單位設計至少一套方案，畫在方案紙上，最后選出最合理的方案。

（學生分小組活動。）

設計意圖：為了遵循小學生記憶的規律——形象、回憶、重現，我設計了教師演示、學生復述、出示步驟三個環節，讓學生熟練掌握設計方法，為后面的設計方案環節打下基礎。

（2）小組匯報，交流評價

師：哪個小組來介紹你們的方案？

生：我們用到了定滑輪、動滑輪、重物。滑輪組既可以省力，又可以改變力的方向。

師：關于他的方案，你們有什么建議嗎？

生：動滑輪與定滑輪的連線不正確，應該把線的一端固定在定滑輪下方的鐵鉤上，另一端從動滑輪下方穿過，再從定滑輪的上方穿過去，并系在測力計的鐵鉤上。

師：你的建議真好，關注到方案中連線的準確性。其他同學還有不同的方案嗎？

生：我們用到了輪軸、動滑輪、重物。兩個省力機械的組合可能更省力。

師：他們小組的方案，簡單機械的位置合適，連線準確，整體是合理的。還有不同的方案嗎？

生：我們用到了動滑輪、輪軸、斜面和重物，3種省力機械的組合可能更省力。

師：他們的方案整體也是非常合理的。還有不同方案嗎？

生：我們用到了1個動滑輪、3個輪軸、1個斜面和重物，我們覺得這樣會更省力。

師：你們真厲害，可以把這么多省力的簡單機械組合到一起，連線也都準確，整體設計也非常合理。通過幾個小組的匯報，我們都知道了，在設計時應該注意材料簡圖的位置要合適，連線要準確。老師從大家的設計中挑選了三個完整的方案：方案一是輪軸和動滑輪的組合，方案二是斜面和動滑輪的組合，方案三是斜面、輪軸和動滑輪的組合。各小組參考這三個方案，用兩分鐘時間對你們的方案進行完善。

（學生分小組活動，根據以上三個小組在匯報中出現的問題，檢查自己的設計圖，并根據師生對設計圖的修改意見，完善設計方案。）

師：現在各小組都有了自己的設計方案，僅僅紙上談兵是不夠的，接下來我們來搭建模型，進行驗證，看哪種方案更省力。

設計意圖：通過教師指定小組匯報，引導學生思考設計過程中應當注意的事項，規范學生匯報的內容：用到了什么材料和哪些簡單機械，它們的組合可能更省力。通過規范匯報內容，引導學生思考所選材料的組合是否合理，設計方案是否更省力。同時，也為學生評價標準（是否更省力）指明了方向。在這個過程中，小組成員通過匯報，鍛煉語言表達能力和傾聽能力，提高評價設計的能力。

3.確定方案，搭建模型

（1）出示材料，開始搭建

師：老師給每個小組準備了這些材料：斜面、定滑輪、動滑輪、輪軸、支架、重物、測力計、繩子、剪刀。請同學們根據材料，選擇你認為最合理、最省力的方案，以小組為單位，在10分鐘內按照方案完成搭建任務，并測出力的大小，重復3次，算出平均數及其占重物重量的百分比，再根據這個百分比計算這個模型提升1000千克的重物所需的力，并將數據記錄在方案紙上的表格中。

（學生小組活動，搭建模型，完成測試，記錄數據。）

（2）匯報交流

師：哪個小組來匯報一下，你們用到了哪些材料，實驗數據是多少？

生：我們小組選的方案一，測得力的平均數是1.1牛，實際用力占重物重量的27.5%，實際用275千克重的力可以提起1000千克的重物。

師：還有更省力的嗎？

生：我們用的是方案二，測得力的平均數是0.9牛，實際用力占重物重量的22.5%，實際用225千克重的力可以提起1000千克的重物。

師：還有更省力的嗎？

生：我們用的是方案三，測得力的平均數是0.5牛，實際用力占重物重量的12.5%，實際用125千克重的力可以提起1000千克的重物。

師：還有更省力的嗎？

生：我們用的是自己的方案，斜面、動滑輪及兩個輪軸的組合。測得力的平均數是0.3牛，實際用力占重物重力的7.5%，實際用75千克重的力可以提起1000千克的重物。

設計意圖：通過小組分工合作，完成任務，可以培養學生的合作意識，鍛煉他們的語言表達等能力;通過按圖搭建模型，可以提高學生技術應用能力和工程制作能力，培養他們把科學、技術、工程、數學等知識整合的能力;學生對所搭建的實驗模型進行測試，可以提高他們的實驗操作能力;通過模型的設計及成功的搭建，讓學生獲得積極的心理體驗，增強學生學習的自信心;通過匯報交流、整理實驗數據、分析科學事實、歸納出實驗結論，鍛煉了學生觀察、分析、歸納等能力。

4.教師總結，拓展應用

師：通過搭建機械模型進行實驗驗證，我們發現，簡單機械的合理組合可以更省力。通常情況下，兩個工人叔叔最多可以拉起300千克的物體，用你們的裝置，可以幫他們解決問題嗎？

生：可以。

師：看來這3個模型都可以幫助他們解決問題。生活中還有很多機器也用到了簡單機械的組合。比如升降衣架、腳踏吊籃、倒鏈，其中，倒鏈又叫“手動吊車”，“5T”是它的型號，就是一個人用它可以拉起5噸的重物。你們知道它用到了哪些簡單機械的組合嗎？它們又是怎么組合的呢？感興趣的同學可以課下接著研究。

設計意圖：通過本節課的學習，讓學生試著解釋“倒鏈”省力的原因和結構之間的關系，從而讓學生把問題帶到課下，給他們提供應用本節課所學知識解決實際問題的機會，從而提高他們應用知識的能力。

點評

本節課屬于技術與工程領域的實踐課例，是結合了2017版《義務教育小學科學課程標準》中技術工程的相關內容進行設計的。從實際效果來看，本課具有以下優點：

1.跨學科整合性

韋鈺院士曾強調，教師要為學生提供整體認識世界的機會，使學生學習的零碎知識變成一個互相聯系、統一的整體，以消除傳統教學中各學科知識割裂、不利于學生綜合解決實際問題的障礙。從本課來看，教師將教學的重心之一放在特定問題“利用幾種簡單機械的組合，設計一個省力的方案，把400克的物體抬到10厘米的平臺上，并畫出設計圖”上，就是強調利用科學（簡單機械原理）、技術（設計搭建方法）、工程（搭建模型）、數學（計算省力數據）、美術（畫設計圖）等學科相互關聯的知識解決問題，實現以科學原理為基礎，其他學科為輔助的學科整合性，從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力。

2.技術設計完整性

技術設計所呈現出的知識基本形式是技術原理和操作方法，本課例中學生通過設計省力機械模型的過程就是將技術原理（簡單機械）與操作方法（實踐經驗）進行遷移和運用，所有小組都設計出有創意的作品，獲得了一定的成就感，激發了學生學習的興趣。同時整個設計過程兼備了“技術設計”的一些特性：

目標性，在設計之前和學生一起明確設計的目標;

制約性，在真實情境與模型設計之間，學生懂得了設計模型時需要考慮作品與實驗材料規格、條件的限制;

不確定性，讓學生明白沒有絕對正確的設計方案，要盡可能地完善和重組自己的方案，從而達到最優化。

3.實踐體驗趣味性

課標提出，技術與工程實踐活動可以使學生體會到“做”的成功和樂趣，并養成通過“動手做”解決問題的習慣。本節課在確定制作裝置的目的、多種方案設計、合理選擇修正方案、調試、評價、改進制作裝置等各個環節，強調學生動手、動腦參與，學生將內隱的設計思路以設計圖案的形式外顯化，不僅獲得結果性知識，還獲得蘊含在問題解決過程中的過程性知識。同時，在實施過程中把多學科知識融于有趣、具有挑戰性、與學生生活相關的問題中，加上“小組評議”等形式，讓課堂氣氛活躍，學習效率高。

總之，本節課的設計與實踐是教師對于技術與工程領域課例的一種嘗試和摸索，使教學理念發生質的變化，將科學課從“解釋的科學”向“行動的科學”邁進。