探秘无形之力：风能的认知、探究与可持续未来-小学五年级综合实践活动教学设计

探秘无形之力：风能的认知、探究与可持续未来——小学五年级综合实践活动教学设计一、教学内容分析  本课隶属于小学综合实践活动课程“科技与生活”主题范畴，旨在引导学生从自然现象出发，经历完整的项目式探究过程，理解“风”作为可再生能源的科学原理与社会价值。课标强调，本学段学生应能通过观察、实验、调查等方式，探究简单的自然现象和科学技术产品，并关注其与生活的联系，初步形成社会责任感。在知识技能图谱上，本课是“能源与可持续发展”单元的核心节点，学生需在已有气象常识基础上，建构“风能→机械能→电能”的能量转化核心概念，并掌握简易风力测试仪器的规范使用与基础数据分析技能，这为后续探究其他可再生能源奠定了认知与方法论基础。过程方法路径上，本课将科学探究（提出问题、设计实验、收集证据、得出结论）与工程实践（设计与制作简易风车模型）有机结合，引导学生体验从现象观察到原理探究，再到创意物化的完整学习循环。素养价值渗透方面，课程承载着培育科学探究精神（严谨求实）、技术应用意识（）及生态伦理观念（可持续发展）的深层目标，通过讨论风能应用的利与弊，引导学生辩证思考科技发展与环境保护的关系，实现价值引领的“润物无声”。  五年级学生已具备一定的观察、记录和小组合作能力，对“风”有丰富的生活感知，并能理解基本的能量概念（如“风吹动物体”）。然而，其认知障碍主要在于：第一，难以将零散的感性经验系统化为“风能转化与利用”的科学图景；第二，在实验设计、变量控制及数据解读等探究环节易出现逻辑混乱；第三，对科技与社会关系的理解较为表象。对此，教学将采取三项调适策略：一是采用“经验唤醒→概念冲突→模型建构”的认知进阶设计，利用直观教具与数字化传感器突破抽象理解难点；二是为探究任务提供分层“脚手架”，如提供实验设计模板（基础版）与开放性问题（进阶版），满足不同认知水平学生的需求；三是通过“角色扮演”（如“小小能源规划师”）等活动，创设真实的决策情境，促进深度思考与社会性成长。课堂中将嵌入“一分钟问题墙”、“实验过程观察记录表”等形成性评价工具，动态捕捉学情，即时调整教学节奏与支持力度。二、教学目标  1.知识目标：学生能够准确阐释风是由空气流动产生的自然现象，是一种可再生能源；能清晰描述风力驱动风车叶片旋转，进而通过发电机转化为电能的基本能量转化路径；能列举风能在发电、助航等领域至少两项实际应用，并初步分析其优势与局限性。  2.能力目标：学生能够以小组形式，合作设计并完成一项对比实验（如探究叶片数量、角度对风车转速的影响），规范使用风速仪、转速计等工具进行测量与记录；能够对收集到的实验数据进行初步整理与分析，并用图表或语言描述简单规律；能够基于探究结果，设计并制作一个能有效捕风、转动流畅的简易风车模型。  3.情感态度与价值观目标：在小组探究中，学生能主动承担角色任务，积极倾听同伴意见，理性处理分歧，共同为实验成功负责；在讨论风能发展议题时，能结合本地实际，表达对清洁能源利用的支持态度，并初步形成节约能源、保护环境的责任感。  4.科学（学科）思维目标：重点发展“变量控制”的实验思维与“系统分析”的工程思维。学生需在实验设计中明确自变量、因变量与控制变量；在评估风车模型时，能综合考虑结构、材料、功能等多因素，进行系统性优化思考。  5.评价与元认知目标：学生能够依据量规（如“风车模型评价表”）对自身及他人的作品进行客观评价，并提出一条改进建议；能在课堂小结时，反思本组实验设计或模型制作过程中的得失，总结出“遇到困难时我们是如何解决的”等策略性知识。三、教学重点与难点  教学重点在于引导学生建构“风能是可再生能源，可通过技术装置实现能量转化与利用”这一核心概念，并掌握基于问题开展对比实验探究的基本方法。其确立依据源于课标对“初步认识常见能源及其利用”的要求，以及发展学生科学探究能力这一学科核心素养的指向。该重点内容是理解现代能源体系的基础，也是培养学生技术素养与创新实践能力的关键支点。  教学难点主要有二：一是学生在设计探究“影响风车效能因素”的实验时，如何清晰界定并控制变量。其成因在于该年龄段学生的逻辑思维正处于由具体运算向形式运算过渡期，多因素交互分析能力较弱。二是引导学生超越“风车好玩”的层面，辩证思考风能开发与生态环境、社会需求之间的复杂关系。难点预设基于常见学情：学生易关注实验现象本身，而忽视科学方法的严谨性；易形成“新技术一定好”的片面观点。突破方向在于提供结构化实验设计单作为思维支架，并通过正反案例的研讨，搭建批判性思考的阶梯。四、教学准备清单1.1.教师准备1.2.1.1媒体与教具：多媒体课件（含风能应用视频、互动图表）；大型演示用风车模型；风速仪、简易风车转速测量装置（如贴反光片配合光电传感器或手机测速APP）。2.3.1.2实验材料包（按小组配备）：不同形状（方形、弧形）与数量的塑料叶片、木棍或吸管作为轴、固定底座、图钉、橡皮擦、直尺、剪刀；小组实验记录单（含分层任务选项）。3.4.1.3评价工具：“风车效能探究”过程性观察表、“创意风车模型”评价量规（含功能性、创新性、工艺性等维度）。5.2.学生准备1.6.复习“风的形成”相关知识；观察生活中风的存在与作用；携带安全剪刀。7.3.环境布置1.8.教室布置为46人合作小组模式；预留实验操作区与作品展示区；黑板分区规划为“核心问题”、“探究发现”、“我们的结论”三栏。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与经验唤醒：“同学们，请闭上眼睛，听一段声音——（播放夹杂风声的自然录音）。听到了什么？对，是风声。风，看不见摸不着，却力量无穷。大家看（展示图片：摇曳的树林、转动的风车、扬帆的航船），它能让树木起舞，能让巨轮远航。古人说‘解落三秋叶，能开二月花’，风，到底是怎样一种神秘的力量呢？”（口语化设问，联系古诗，激发审美与好奇）。  1.1问题提出与认知冲突：“但是，风有时温柔，有时狂暴。我们能否‘驾驭’这种力量为人类服务呢？比如，用它来发电？”展示风力发电厂与偏远山区用电困难的对比图。“今天，我们就化身‘能源探险家’，一起来解开‘风的力量’之谜，看看如何设计一个小装置，更高效地捕捉和利用风能。”  1.2路径明晰：“我们的探险将分三步走：首先，当一回科学家，探究让风车转得更快的秘密；接着，做一名工程师，动手制作属于你们组的‘超级风车’；最后，我们一起开个‘能源听证会’，聊聊风能带来的好处与挑战。请大家打开‘探险手册’（学习任务单），我们准备出发！”第二、新授环节  本环节通过一系列递进任务，引导学生主动建构知识，发展探究与工程实践能力。任务一：感知风能——从现象到概念的初建构1.教师活动：首先，使用大型风扇和风速仪演示，提问：“风扇制造了‘人造风’，风速仪的数字变化说明了什么？”（引导学生关注风的强度可测量）。接着，播放风能发电原理的慢动作动画，并手持演示风车靠近风扇，强调观察重点：“请仔细看，风‘推’动了什么？风车的什么部分在动？这‘转动’中蕴含着能量吗？”（口语化引导观察）。最后，提出驱动性问题链：“风车将风能转化成了什么能？如果风停了，风车还能转吗？这和水力发电、燃烧煤炭发电，在能源来源上有什么根本不同？”（引发对能源分类的思考）。2.学生活动：观察教师演示，回答关于风速与现象的问题。观看动画，描述能量转化过程（风能→风车叶片的机械能）。小组初步讨论并尝试回答驱动性问题，可能产生“风能是免费的”、“风是吹不完的”等朴素观点。3.即时评价标准：1.观察是否专注，能否准确描述看到的现象。2.讨论时能否结合动画与实物，尝试解释能量转化。3.是否对“可再生能源”与化石能源的差异产生初步疑问或表述。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★风与风能：风是空气的水平运动，其蕴含的动能称为风能。它是一种清洁、可再生的自然能源。（教学提示：避免学生将“风”与“空气”完全等同，强调“运动产生能量”。）2.6.★能量转化链：风力发电的核心过程是：风能→风机叶片的机械能（旋转）→发电机的电能。（教学提示：利用动画分步拆解，帮助学生建立清晰的能量流概念。）3.7.▲测量意识：风的强弱可以且需要用工具（如风速仪）进行定量测量，这是科学研究的基础。（认知说明：从定性感知到定量研究，是科学思维的重要飞跃。）任务二：揭秘效能——设计对比实验探究影响因素1.教师活动：“要想高效利用风能，风车设计是关键。你们猜猜，叶片数量、叶片形状或角度，会不会影响它转得快慢？”（收集学生前概念）。出示两份“探究向导单”：A单（基础版）提供明确的探究问题（如“叶片数量对转速的影响”）和步骤提示；B单（挑战版）只给问题：“如何设计实验证明某一因素对风车效能的影响？”并需自行列出所有变量。教师巡回指导，重点关注学生是否理解“只改变一个条件，其他条件保持相同”（控制变量法）。“第三组的想法很独特，他们想对比弧形和方形叶片，大家觉得在对比时，除了叶片形状，还有哪些必须保持一致？”（互动点评，强化变量控制思想）。2.学生活动：小组选择适合自身水平的向导单，讨论并确定本组探究的具体因素，设计实验步骤，并分工准备材料。在统一的风源（如固定档位的风扇）前，进行实验操作，记录不同条件下的风车转速数据。3.即时评价标准：1.实验设计是否体现了“公平比较”（控制了无关变量）。2.小组分工是否明确，操作是否安全、有序。3.数据记录是否及时、准确、清晰。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★控制变量法：科学探究中，为了明确单一因素的影响，需要保持其他可能影响结果的条件完全相同。（教学提示：这是本课思维核心，用“公平比赛”比喻帮助学生理解。）2.6.★常见影响因素：叶片数量、面积、形状、迎风角度等都是影响风车旋转效能（转速或扭矩）的重要因素。（认知说明：不追求得出统一结论，重在经历探究过程，结果可能因材料、测量方式而异。）3.7.▲数据记录规范：实验数据应记录在表格中，注明实验条件，必要时进行多次测量取平均值，以提高可靠性。（教学提示：培养严谨的科学态度。）任务三：创意物化——设计与制作优化风车模型1.教师活动：基于各组的实验发现，提出挑战任务：“现在，请运用你们的‘研究发现’，集全组智慧，设计并制作一个你们认为效能最优、最有创意的风车模型！材料可以任意组合。”提供“创意风车设计草图”纸，要求学生简要标注设计理念。制作过程中，教师提供技术支持，并提醒安全规范。“看，第五组参考了直升机的旋翼形状，这个迁移很棒！”（亲切解说，鼓励创新）。同时，分发“风车模型评价量规”，让学生明确优秀作品的标准。2.学生活动：小组整合实验结论，进行头脑风暴，绘制设计图。根据设计图选择合适的材料进行制作、测试与调试。参照评价量规，对模型进行自评与初步优化。3.即时评价标准：1.设计是否利用了本组的实验发现或合理的新创意。2.制作工艺是否精细，结构是否牢固。3.小组是否在测试后进行了有效的反思与调整。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★工程迭代思想：设计→制作→测试→优化，是一个循环往复的过程，好的作品往往需要多次改进。（认知说明：让学生体验工程实践的真实流程，容忍并鼓励“失败”后的调整。）2.6.▲结构与功能：风车的结构（如叶片布局、主轴稳定性）直接影响其功能（旋转顺畅度、能量捕获效率）。（教学提示：引导学生建立“形式服务于功能”的技术美学观。）3.7.▲评价量规的使用：学会依据清晰的指标（功能性、创新性、工艺性）来评价技术作品，使评价更客观、有据。（教学提示：培养批判性思维与鉴赏能力。）任务四：思辨拓展——风能应用的“利弊”研讨会1.教师活动：组织“能源听证会”。出示正反方资料卡：正方卡呈现风能清洁、可再生、运维成本低等优势及成功案例；反方卡呈现风力发电间歇性、对鸟类迁徙可能的影响、初期投资大、景观改变等争议。将学生分为“能源公司”、“环保组织”、“当地居民”、“政府规划部门”等角色。“现在请各位代表，结合我们今天的学习和手中的资料，谈谈你对在我们家乡附近发展风电的看法。请陈述你的观点，并说明理由。”（创设真实情境，引导角色代入与辩证思考）。教师扮演主持人，梳理、总结各方观点，但不做唯一结论。2.学生活动：小组根据分配的角色，阅读资料卡，内部讨论，形成并派代表陈述观点。倾听其他“角色”的发言，并进行简单的质询或补充。3.即时评价标准：1.观点陈述是否清晰，能否结合学习所得或资料信息提供依据。2.能否从所扮演角色的立场出发思考问题，理解多元利益诉求。3.倾听是否认真，回应是否礼貌、有理。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★风能的双重性：风能是重要的清洁能源，有助于减少温室气体排放；但其开发利用也面临技术、经济、生态与社会接受度等方面的挑战。（教学提示：避免非黑即白的判断，引导学生认识技术的复杂性。）2.6.★社会性科学议题（SSI）思维：许多科技应用决策涉及科学、伦理、经济、政策等多维度考量，需要权衡各方利益，寻求最可持续的解决方案。（认知说明：初步接触SSI，培养未来公民素养。）3.7.▲多角度信息分析：在信息时代，学会从不同来源、不同立场获取并分析信息，是形成独立判断的基础。（教学提示：呼应信息安全、媒介素养等跨领域目标。）第三、当堂巩固训练  1.基础层（全体必做）：请在实验记录单背面，用流程图或关键词串联的方式，画出风力发电的能量转化路径，并标注出每个环节能量的主要形式。完成后与同桌交换检查，看是否有遗漏或错误。（反馈机制：教师巡视，选取一份典型正确图示投屏展示，作为范例；对于常见错误，如混淆“机械能”与“动能”，进行即时点拨。）  2.综合层（多数学生挑战）：假设要为学校科技节设计一个户外装饰风车，要求不仅会转，还能在微风下启动。结合今天的探究，你会给出哪三条具体的设计建议？请写下来。（反馈机制：小组内分享建议，推选一条“金点子”全班分享。教师从“科学性”（是否利用探究结论）、“实用性”（是否考虑微风条件）、“创意性”三个角度进行点评。）  3.挑战层（学有余力选做）：风能除了发电，还能直接用于做什么？（提示：想想“帆船”、“风帆赛车”、“风力提水”）。请选择其中一项，简要说明它是如何利用风能的，并画一个简单的原理示意图。（反馈机制：将作品贴在教室“创新角”，供同学课间交流互鉴，教师课后予以书面点评。）第四、课堂小结  “同学们，今天的‘能源探险’即将到站。请大家静心回顾，我们在‘探险地图’（指板书）上留下了哪些重要的‘地标’？”引导学生对照板书的三栏进行回顾：从核心问题出发，通过探究发现了影响风车效能的秘密，制作了创意模型，并深入讨论了风能的未来。“如果用一句话来总结你最大的收获或依然存在的困惑，会是什么？请写在‘学习便签’上。”（引导学生进行元认知反思）。随后，教师进行结构化总结，将知识（风能转化）、方法（控制变量、工程设计流程）、观念（辩证看待科技）进行梳理整合。作业布置：基础性作业：完善课堂实验记录单，并阅读教材相关拓展资料。拓展性作业（二选一）：(1)调查家中或社区一个月用电量，估算需要多少台我们今天制作的小风车（假设其发电功率）才能满足。(2)了解一种我国自主研发的先进风力发电技术（如“海上浮式风机”），并做简要介绍。探究性作业（选做）：尝试用废旧材料（如塑料瓶、纸杯）制作一个不同于今天叶片形式的风能驱动装置（如“风轮”、“风筒”），并测试其效果。六、作业设计  1.基础性作业（全体必做）：完成《风能探秘手册》中的“知识梳理”部分，包括：默写风力发电的能量转化链；回顾本组实验，简述你们探究的因素及得出的主要结论（可以是趋势描述，如“在一定范围内，叶片越多，转速似乎越快”）。安全、妥善地保存好课堂上制作的创意风车模型，准备下节课展示。  2.拓展性作业（二选一，鼓励完成）：选项A（数学与生活应用）：扮演“家庭能源小管家”，查阅一份家庭电费单，了解月度用电量（千瓦时）。通过资料查询或合理估算，了解一台小型家用风力发电机的日均发电量。请你粗略计算，需要多少台这样的发电机才能满足家庭用电需求？这个结果让你对风能的规模应用有什么新思考？（旨在建立数量观念，理解能源供需的规模）选项B（科技与社会调查）：通过书籍、网络（在家长指导下）等渠道，查找一项中国在风能利用领域的领先技术或重大工程（如张北可再生能源示范工程、某个大型海上风电场）。用图文结合的方式（可手绘、可打印粘贴），制作一份简易的“中国风能名片”，介绍其特点与意义。  3.探究性/创造性作业（学有余力选做）：“逆风行者”挑战：风通常用来推动物体前进，但能否设计一个利用风能却能让小车逆风缓慢行驶的装置？请利用身边的简单材料（如吸管、硬纸板、气球、轮子等），进行大胆构思和原型制作。重点在于原理的巧妙性，而非行驶速度。可用视频或照片记录你的设计、制作与测试过程，并附上简要的原理说明。（此题旨在激发逆向思维与深度工程探究兴趣）七、本节知识清单及拓展  1.★风与风能本质：风是空气因受热不均等原因产生的水平流动现象。流动的空气具有动能，这部分能量即为风能。它是一种广泛存在、永不枯竭的可再生能源，属于清洁能源范畴。  2.★风力发电原理（能量转化）：现代风力发电的核心原理是：风能→风机叶片的机械能（旋转运动）→发电机内部的电磁感应→电能。其中，叶轮是捕获风能的关键部件。  3.★控制变量法：这是科学探究中最重要的思想方法之一。指在研究一个因素（自变量）对结果（因变量）的影响时，必须有意识地使其他可能影响结果的各项条件（控制变量）保持完全相同，以确保实验的“公平性”，使结论可信。  4.★影响风车/风机效能的主要因素：包括空气动力学因素（如叶片形状、攻角、表面积）和结构因素（如叶片数量、材质、传动系统效率）。通常，在一定范围内，增加受风面积、优化叶片曲面形状可以提高捕风效率。  5.★工程设计与制作流程（迭代模型）：完整的工程实践通常遵循“明确问题→方案设计→原型制作→测试评估→优化改进”的循环流程。一次成功的制作往往不是一蹴而就的，需要根据测试反馈不断调整。  6.▲风速与风级：风速是描述风强弱的物理量，单位常为米/秒(m/s)。为了方便公众理解，人们制定了“蒲福风级表”，将风力从0级（无风）到12级（飓风）进行划分。风力发电需要适宜的风速范围。  7.▲风能的优势：清洁无污染，不排放温室气体；可再生，取之不尽；分布广泛，就地可取；技术相对成熟，运维成本较低。  8.▲风能开发的挑战：能量密度低，需要大面积场地；具有间歇性和不稳定性（“看天吃饭”），需要配套储能或调峰电源；可能对局部生态环境（如鸟类）、景观产生影响；大型风机设备制造、运输、安装成本较高。  9.▲社会性科学议题（SSI）：指那些根植于科学知识，但又与复杂的社会、伦理、经济、政治因素紧密交织的公共议题。风电场该不该建、建在哪里，就是一个典型的SSI，没有唯一正确答案，需要多方协商、权衡取舍。  10.▲我国风能发展：中国是全球风电装机容量最大、风电设备制造能力最强的国家之一。“十四五”规划将风电、太阳能等可再生能源列为能源发展的重点。大力发展风能对保障国家能源安全、实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析本节课预设的多维目标基本达成。通过实验记录单分析，超过85%的学生能准确描述能量转化链，掌握了控制变量的核心思想，并在模型评价中予以运用。在“听证会”环节，学生能依托资料从不同角度陈述观点，展现了初步的辩证思维与社会责任感。情感目标体现在小组合作的高参与度与作品分享时的自豪感中。元认知目标通过“学习便签”得以窥见，学生反思集中于“团队合作很重要”、“实验设计比动手难”、“原来风能也有缺点”等，触及了学习策略与认知更新。  （二）核心环节有效性评估  1.导入与任务一成功创设了“探险”情境，古诗与视听素材的运用迅速凝聚了注意力。“风能转化”动画的慢放与关键点提问，有效突破了从现象到本质的抽象过程。有学生感叹：“原来风推叶片转，就是能量在‘传递’和‘变身’啊！”这表明具象化支架的必要性。  2.任务二（对比实验）是难点也是亮点。提供分层“探究向导单”是关键的差异化策略。选择基础版的小组能在结构引导下顺利开展；选择挑战版的小组则经历了更激烈的思维碰撞。巡回指导中发现，约三成小组最初会忽视“固定风车与风扇的距离”这一变量，通过教师提问“怎样保证每组实验‘吃’到的风一样大？”及小组间相互观察得以纠正。这个过程比直接告知更宝贵。（内心独白：下次可以增加一个“实验设计互评”微环节，让小组交叉审核方案，可能更能强化变量控制意识。）  3.任务四（听证会）的价值升华。角色扮演有效激发了学生的参与热情与立场代入感。“环保组织”代表会担忧鸟类，“居民代表”会关注噪音与景观，“政府代表”则思考经济发展与能源安全。虽然讨论深度有限，但成功播下了“多角度思考复杂问题”的种子。有学生课后追问：“老师，有没有既发电又不影响鸟的风车？”这正是生成性教