“飛向太空”單元內容解析與教學策略

孫宏 李冷儀 周易

摘要在小學科學課程標準的引領下，“飛向太空”單元內容突出技術與工程領域學習的特點，在“建模”思想框架下，以技術與工程領域的學習內容標準為切入點制定相應的教學策略，落實教材關于技術與工程領域學習的進階特點。

關鍵詞技術工程;教學策略;建模

中圖分類號：G424文獻標識碼：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內容解析

“飛向太空”是人教鄂教版《科學》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，學生認識了太陽系，了解了人類探索宇宙的歷程。在此基礎上，本單元引導學生認識飛行器，了解各種飛行器的動力;通過探究活動了解反沖力，將學習到的知識運用到設計與制作火箭模型的工程實踐中;讓學生模擬探索火星，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，教學內容按照順序可以看作飛向太空的三個階段，同時按照工程設計和技術應用難度進行分析，由易到難，由簡單到復雜，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，找到相關技術來源，即認識飛行器中的仿生學。解決了“飛起來”的問題還不夠，因為飛機等只能在大氣層內飛行，要飛向太空探索宇宙需要相應的運載工具，這就引出了“飛出大氣層”。飛出大氣層的核心任務是制作火箭，需要根據具體的需求不斷設計、制作、測試、改進火箭，以達到任務要求。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。在這一模擬任務中，需要綜合運用多種技術完成復雜的工程。

1.2利用技術的三個層級

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

第一層級：了解技術來源——仿生學。

第二層級：利用技術——反沖原理。

第三層級：整合多種技術——和生存相關的復雜技術。

1.3工程設計的三個層級

從工程設計角度進行分析，三個任務都需要一定的設計思維，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，嘗試對飛行器進行設計。第二層級：按照具體需求對單一系統工程進行設計。第三層級：利用多種技術，按照需求對復雜多系統工程進行設計。

2建立模型的教學策略

經過六年的科學學習，學生應已形成了一定的工程技術思維能力和自主探究能力。根據學生和教學內容的特點，教師可以先確定三個重點教學內容，并以技術與工程領域的學習內容標準為切入點展開教學：認識仿生學，在自然界中找到原型;引導設計，了解工程是運用科學和技術進行設計解決實際問題;認識一個工程需要由多個系統組成。然后制定相應的教學策略，引導學生使用“建立模型”的方法開展工程設計。

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

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

2.1《認識飛行器》教學策略分析

人類認識世界的行為實際上是先在自己的頭腦中構建模型。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。空中翱翔的鷹，撲翼飛行的蝴蝶，甚至天上飄浮的白云、風中飄舞的樹葉……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、具有騰云駕霧本領的人物傳說。

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

2.1.1認識仿生模型

對生物原型的某種結構與功能進行仔細研究、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?？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。學生通過資料知道中國在漢代以前就發(fā)明了風箏，它是中國勞動人民對人類實現飛行夢想的最杰出的貢獻之一，被傳到西方后，許多航空先驅者就是從研究和試驗風箏開始的。

風箏是依靠風力、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”風箏，引導學生進行觀察。學生很快發(fā)現，風箏在形態(tài)上模仿的就是鳥類，有頭、軀干、尾還有翅膀，他們覺得這應該是模擬小燕子飛翔時的樣子。

在這個環(huán)節(jié)，學生通過觀察、討論熟悉的沙燕風箏，認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，能夠激活學生頭腦中的設計思維，幫助他們建構仿生模型。

2.1.2探索飛行原理

19世紀，飛機的研制進入一個空前活躍的時期。有關飛機升力、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驗。盡管先驅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。空氣動力學之父英國喬治·凱利，發(fā)現鳥類的翅膀不只是提供動力，還提供了升力。他發(fā)現空氣在不同形狀的面流過時產生的壓力不同，提出了通過固定機翼提供飛行升力的想法。這里，我們要讓學生認識和感受這項技術，感受科學家在研究仿生學時的探索和嘗試，并對學生提出問題：“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。學生針對以上問題，能很快說出：因為飛機的設計靈感來源于鳥類，小鳥利用翅膀飛上天，應該和機翼有關。學生回答問題后，教師引導他們觀察機翼具有“上凸下平”的結構，和鳥類翅膀一樣，從而認識到機翼的橫截面是“翼型”。然后，引導學生分析機翼的設計：有翼型的飛機飛翔狀態(tài)會更好。到底是不是這樣呢？引導學生設計實驗，對有翼型和沒有翼型的飛機飛行狀態(tài)進行比較，體驗科學家的探索過程。

2.1.3感受仿生學技術

仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來。通過觀察和實驗，學生知道了翼型的設計靈感來源于鳥類翅膀的結構，飛機升力的產生與翼型密不可分，也體會到升力的產生是非常復雜的，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系。到此，學生對飛行器仿生學的發(fā)展有了一定的認識。人類為了完成飛天夢想，從觀察身邊事物中不斷獲取靈感。學生認識了飛行器的發(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)借助學生熟悉的飛行器——飛機，具體分析飛機各部分的仿生技術，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)的仿生設計。學生通過感受仿生技術，為后面利用仿生技術嘗試設計飛行器打好基礎。

2.1.4利用仿生學靈感設計飛行器

本環(huán)節(jié)學生將嘗試設計一款飛行器，他們的設計中會運用“蒼蠅的平衡棒導航原理”“墨魚噴射功能”“蝙蝠的微波導航原理”“蜻蜓的翅痣結構”等仿生技術。學生的設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。

2.2《制作“火箭”》教學策略分析

從飛行器過渡到制作“火箭”需要搭建思維轉換的平臺，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？學生在比較和討論過程中，發(fā)現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。學生通過討論，分別從火箭動力、火箭結構以及使用材料三個方面討論設計方案。在討論過程中，學生多次調整想法和思路。最后，學生分組設計、展示火箭模型設計圖。展示者要傾聽其他同學的改進意見，修訂、完善設計思路。

2.2.3了解火箭技術的發(fā)展

在測試和發(fā)射“火箭”后，有的學生體會到發(fā)射成功的喜悅，也有學生會因為沒有發(fā)射成功而失落。這時可以切入科技史的故事，介紹現代火箭技術之父——羅伯特·戈達德的例子，鼓勵失敗的學生繼續(xù)探索。學生像現代火箭之父那樣發(fā)現自己“火箭”的問題，再次設計制作“火箭”，體驗火箭技術的改進和發(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，學生在制作需求的推動下，通過技術迭代，感受科學技術的發(fā)展。這節(jié)課，可以在學生心里埋下一顆飛向太空的種子，讓他們學會運用科學和技術進行設計，解決實際問題和制造產品。

2.3《模擬探索：到火星上去》教學策略分析

本課重在讓學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雜的工程，理解一項工程是由多個子系統組成。

本課的工程任務可分為三個階段。第一階段，分析想要在火星定居有哪些需求。第二階段，引導學生進一步分析火星探測器的組成部分，并完成單一任務的設計。第三階段，帶領學生分析、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”是一項很復雜的任務，學生的構想很難實際做出來并進行測試，教師可以引導他們重點設計、制作“火星探測器”中的一個子系統——著陸裝置。在這一環(huán)節(jié)中，首先引導學生解決如何讓“火星探測器”安全著陸這一問題。

學生提出初步猜想后，引導他們想辦法進行驗證。學生可能提出利用雞蛋進行模擬實驗來驗證，然后設計著陸裝置。學生探究完“火星探測器”如何安全著陸后，引導他們思考“火星探測器”還需要哪些裝置。最后總結：“火星探測器”的設計是一個非常困難的任務，可以將這一復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”的設計。

制訂“火星定居計劃”也是一個復雜的工程任務。首先，引導學生認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，還需要做一些準備。然后，引導學生對比火星與地球，發(fā)現火星與地球的環(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。學生圍繞這些問題，搜集相關資料，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”的部分內容。

1組：要解決溫度、居住、食物、能量供應等問題。我們設計了氧艙、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，這些建筑物之間應該有管道連通。除此之外，我們還設置了風力發(fā)電裝置，為各種設備提供電力。

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

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

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

3技術與工程領域學習進階特點

“飛向太空”單元是本套教材最后一個技術與工程內容，旨在幫助學生更好地認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與工程領域學習的主要方法，也體現了人教鄂教版《科學》教材關于技術與工程領域學習的進階特點。綜觀技術工程內容的特點，我們發(fā)現，本套教材的技術與工程單元主題在難度上呈階梯式上升，符合不同年級學生的認知規(guī)律：從觀察了解生活中常見事物到關注仿生學原理，從簡單的任務出發(fā)到通過需求推動技術迭代，從熟悉技術工程流程到理解工程子系統思想，每一步的升級改變都在幫助學生更好地體驗科學家、建造師、工程師的思維過程和嚴謹的工作態(tài)度，推進他們的思維發(fā)展。除了培養(yǎng)科學思維，本套教材關于技術與工程領域的學習進階還有以下特點：

3.1由“展示與改進”到“測試與改進”

從一年級到三年級上學期，技術工程的任務分別由設計制作簡易筆筒，到設計制作指南針、制作小船、創(chuàng)意發(fā)明以及設計與制作建筑模型，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，要求學生通過簡單“測試”的方法來發(fā)現問題并解決問題。由“展示”到“測試”的詞匯變化，也是讓學生由“通過簡單交流來說明制作物品的優(yōu)缺點”到“用測試結果說明制作物品優(yōu)缺點”的一個轉變，是技術與工程領域學習的一個重要發(fā)展進階過程。

3.2從“具體任務”到“根據需求”

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

3.3從“認識經驗型技術”到“認識科學型技術”

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

中年級要讓學生知道一些著名的工程師、發(fā)明家的事跡，了解他們的設計和發(fā)明過程。這里的技術發(fā)明屬于經驗型技術，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。高年級學生要說出工程師利用科學原理發(fā)明創(chuàng)造的實例，了解科學型技術，如六年級下冊《認識飛行器》中的仿生學。

3.4由“技術”到“工程”

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

3.5由“簡單”到“復雜”，由“外”而“內”

按照不同年級學生的認知特點，各年級技術與工程單元的設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，學生完成了三個梯度的學習過程。由觀察外觀后就可以設計制作（筆筒），到了解物質性質和各部分組成后才能設計制作（指南針與小船），再到充分了解內部結構搭建原理、內部動力裝置原理后，進行設計制作（建筑模型與小車模型），這種讓學生由觀察外形特點到深究內部原理的工程任務，在思維上的要求是由“簡單”到“復雜”、由“外”而“內”，這樣的學習梯度符合學生的認知水平，也使他們面臨更多的挑戰(zhàn)。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

[2]黃國勝.小學科學“技術類”課型教學策略[C].浙江省教育廳教研室.浙江省小學科學學科教學論文集，2012.