五年级科创工坊：电动双驱小车设计与制作初探

五年级科创工坊：电动双驱小车设计与制作初探一、教学内容分析  本课隶属于小学五年级“技术与工程”领域，是对《义务教育小学科学课程标准》中“物质科学”与“技术与工程”两大主题的深度融合。课标要求学生“了解简单的机械，并利用其性质和功能解决实际问题”，“动手完成简单的物质化作品”。本课以此为坐标，以“电动双驱小车”为载体，构建了一个完整的微型工程项目。知识技能图谱上，本课以“电路通路”和“齿轮传动”为核心概念，前者属于理解与应用层级，后者作为新知识引入，需从识记向初步应用过渡。它们是连接先前学习的“能量形式转换”（电能→动能）与后续“结构与稳定性”、“程序设计控制”等复杂项目的关键节点。过程方法路径上，本课旨在引导学生经历一次完整的“明确问题—设计方案—实施制作—测试优化”的工程实践循环，将“科学探究”与“工程思维”方法具象化为可操作的任务链。素养价值渗透上，项目制作不仅培育“探究实践”与“技术应用”的核心素养，更在协作、试错、优化中潜移默化地培养“不畏困难、乐于合作、敢于创新”的科学态度与责任。  基于“以学定教”原则，进行立体化学情研判：五年级学生已具备连接简单电路（电池、导线、开关、小灯泡）的实操经验与“能量转换”的前概念，这是本课重要的知识生长点。然而，“齿轮传动”的变速原理与二驱车的动力平衡是全新的认知领域，学生可能因空间想象不足或对“摩擦力”理解不深而产生障碍。兴趣点上，学生对能动、能控的模型拥有天然的热情，这是驱动深度学习的强大内因。在教学过程中，将通过“前测问题墙”（如：你认为小车跑起来最关键的部分是什么？）和制作过程中的观察与访谈，动态诊断学生在电路连接、机械组装、问题归因等方面的个体差异与共性难点。据此，教学调适策略将采取“核心任务统一，支持路径分层”的方式：为动手能力强的学生提供开放式挑战任务（如优化传动比）；为需要支持的学生准备“步骤可视化辅助卡”和关键部件的半成品“脚手架”，确保所有学生都能抵达成功的彼岸。二、教学目标  学生能系统阐述电动双驱小车的基本工作原理，清晰指认动力系统（电机、电池）、控制系统（开关）与传动系统（齿轮、车轮）等核心部件及其功能，并能用规范术语解释电能如何经由电机转换为机械能，并通过齿轮驱动车轮运动的过程。这构成了学生关于简单机械系统的层次化知识结构。  学生能够以小组为单位，严格遵循安全规范，协同完成一辆电动双驱小车的实体组装与电路连接。在面对车轮不转、小车跑偏等实际问题时，能运用观察、假设、排查的初步工程思维方法进行诊断与调试，最终使小车实现直线行驶的基本功能，从而将“设计与物化能力”落到实处。  在项目式合作中，学生能主动承担角色任务，积极倾听同伴意见，尤其在测试失败时，能表现出积极的抗挫心态和持续探究的热情。通过亲手让小车跑起来，获得将创意转化为实物的成就感，初步建立起“技术改善生活”的价值观认同和严谨细致的工匠精神萌芽。  本课重点发展的工程思维体现在“系统思维”与“优化迭代”上。学生需将小车视为由多个子系统（动力、传动、控制）组成的整体，理解部件间的相互影响。通过调试环节，亲身体验“设计测试发现问题改进再测试”的迭代过程，初步形成“没有一次性完美方案”的工程认知模型。  学生能在作品展示环节，依据教师提供的简易量规（如：线路整洁度、齿轮啮合度、行驶直线度）对自家或他家作品进行要点评价。在课堂小结时，能回顾制作过程，反思“最耗时的一步是什么”、“如果重来一次，我会在哪个环节做出改变”，从而提升对学习过程本身的监控与规划能力。三、教学重点与难点  教学重点为理解并实现电能到动能的转换与传动，即成功组装能使双轮同步驱动的电动小车系统。其确立依据源于课程标准对“工程设计与物化能力”的核心要求，此能力是贯穿“技术与工程”领域学习的主线。从知识结构看，该重点整合了电路、能量、机械三大概念，是构建复杂项目认知模型的基石。从素养立意看，完成此重点任务，是学生实践“探究实践”素养最集中的体现。  教学难点在于实现动力从电机到车轮的高效、平衡传递，具体表现为齿轮组的正确啮合与双轮驱动轴的同步性调整。其预设依据来自学情分析：齿轮传动原理对学生而言较为抽象，且组装过程需要精细的手眼协调与空间构图能力，容易因齿轮卡死、轴套过紧或过松导致失败。常见错误包括齿轮啮合过紧增加摩擦、过松导致打滑，以及左右轮摩擦力不均引发跑偏。突破方向在于提供清晰的放大示意图、分步示范，并引导学生运用“听声音（是否顺滑）”、“看转动（是否同步）”等多感官通道进行微观调试。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含工作原理动画、组装步骤分解图）、一辆预设典型故障（如单轮驱动）的演示小车、工具箱（内含小螺丝刀、尖嘴钳）。1.2学习材料包：每组一套电动二驱车拼装套材（含底盘、电机、齿轮组、车轮、轴、电池盒、开关、导线）、学习任务单（含问题链与调试记录表）。2.学生准备：回顾简单电路连接知识；四人一组，自选小组长、记录员、装配员、测试员角色。3.环境布置：课桌拼成“工程师工位”，每组一区；黑板划分“原理区”、“问题墙”、“成果廊”三个区域。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：教师首先展示那辆预设故障的演示小车，按下开关，小车滑稽地原地转圈。“哎？大家看，我这辆小车怎么不听话，直道不走偏打转？你们猜猜问题出在哪？”（学生可能猜测电池没电、轮子卡住等）。教师再展示一组精美的竞速小车视频，“再看这些‘飞驰’的小车，它们和我们待会要做的，核心原理是一样的。从一堆零件到一辆能跑的小车，这个魔法怎么变？”1.1核心问题提出与路径规划：“今天，我们就是小小车辆工程师。我们的核心任务是：让手中的每一个零件协同工作，制造一辆能笔直前进的双驱动力小车。”随即，教师在黑板上勾勒学习路线图：“要完成这个工程，我们要闯三关：第一关，看懂‘心脏’和‘神经’——动力与控制电路；第二关，搞定‘筋骨’——齿轮传动系统；第三关，成为‘调试专家’——让小车跑得又直又稳。我们先从认识这些有趣的零件开始吧。”第二、新授环节任务一：零件探秘与系统初识教师活动：教师将材料包中的核心部件分发给各小组。“大家摸摸看，这些零件有什么特点？你能根据形状、结构，猜测它们分别在小车中扮演什么角色吗？”引导学生观察电机轴上的小齿轮、车轮内圈、长轴等。随后，通过课件动画，动态演示电流从电池经开关、流向电机，电机轴开始旋转的过程。“注意看，能量在这里发生了关键的变身！谁能用一句话概括这个变化？”（引导学生说出“电能变动能”）。接着，指着电机轴上的齿轮：“这个旋转的力量，怎么传到远处的轮子上呢？这就要请出我们今天的‘力量传输大使’——齿轮组。”学生活动：学生以小组为单位，观察、触摸并讨论各个零件的可能功能。观看动画时，跟随教师引导描述能量转换过程。对齿轮传动产生好奇，尝试用手比划齿轮啮合转动的样子。即时评价标准：1.能否准确指认电池、电机、开关等基本元件。2.能否用“电能→动能”描述电机工作。3.观察是否细致，能否发现电机轴齿轮与车轮齿轮的齿状结构。形成知识、思维、方法清单：★核心概念能量转换：电动机是核心执行器，通电后将电能转化为轴旋转的机械能。这是小车动力的根本来源。教学提示：可类比玩具四驱车的心脏。★系统部件功能认知：电池（能源仓库）、开关（交通警察）、导线（信息公路）、电机（动力心脏）、齿轮与车轴（传动筋骨）、车轮（执行脚掌）。建立系统各司其职的初步观念。▲工程思维起点结构与功能：零件的形状、结构直接决定了它的功能。例如，齿轮的“齿”是为了咬合传递力量。引导思考：“如果齿轮是光滑的，会怎样？”任务二：动力系统搭建——“让心脏跳动起来”教师活动：“现在，让我们先搭建小车的‘生命线’——电路。请对照任务单上的电路图，小组合作，让电机先转起来！”巡视中，关注学生是否遵循“先断后连”的安全操作（开关断开），导线接头是否牢固。对于快速完成的小组，提出进阶思考：“如果想让小车后退，电路该怎么变？”对于遇到困难的小组，提示：“检查一下，是不是形成了一个从电池正极回到负极的完整‘回路’？开关这个‘门’打开了吗？”学生活动：小组协作，阅读简易电路图，尝试连接电池盒、开关与电机。成功使电机轴独立空转时，会表现出兴奋。记录员在任务单上勾画完成步骤。即时评价标准：1.操作是否规范安全（开关状态、导线连接牢固度）。2.能否根据电路图进行正确连接。3.出现电机不转时，能否尝试有序排查（查电池、查开关、查接线）。形成知识、思维、方法清单：★关键技能电路连接：必须形成闭合回路，用电器才能工作。开关串联在电路中控制通断。强调连接点必须裸露、紧固，避免虚接。★安全操作规范：任何电路连接与检查前，务必确保开关处于“断开”状态。这是工程师的首要职业习惯。▲排查与调试思维：当系统（电路）不工作时，应采用分段排查法：电源（电池）→控制器（开关）→通路（导线与接点）→用电器（电机）。这是解决问题的通用逻辑。任务三：机械传动揭秘——“接骨续筋，传递力量”教师活动：这是难点突破环节。教师利用放大图详细讲解齿轮啮合要点：“大家看，这两个齿轮的牙齿要像好朋友握手一样，既不能握得太紧（卡死），也不能握得太松（打滑）。”示范安装电机齿轮与中间传动齿轮。“感觉一下，转动是否顺滑？听到‘沙沙’的摩擦声是正常的，但如果有‘咯咯’的卡顿声，就说明太紧了。”随后，引导学生将动力通过长轴传递到车轮。“注意，左右两个驱动轮必须在同一根轴上，这样才能保证转速绝对一致，这是小车直行的关键！”学生活动：学生小心翼翼地安装齿轮组，通过手感体验啮合度。安装车轮时，特别注意左右轮的对称安装。他们会反复用手转动车轮，测试整个传动系统是否顺畅。即时评价标准：1.齿轮啮合度是否适中（转动顺滑无明显阻力）。2.驱动轴是否水平，左右轮是否安装对称、牢固。3.能否发现并尝试调整齿轮过紧或过松的问题。形成知识、思维、方法清单：★核心原理齿轮传动：齿轮通过齿与齿的啮合，将一个轴的旋转运动传递到另一个轴上。可以实现改变转速、传递动力的目的。教学重点：啮合度是效率关键。★核心技术双驱同步：双轮驱动小车直线行驶的理论基础，是左右驱动轮角速度完全相同。这通过将两轮固定在同一根驱动轴上来实现。提示：这是与差速器概念的启蒙联系点。▲工程调试的“手感”与“观察”：许多机械问题无法用眼睛直接判断，需要调动触觉（转动阻力）和听觉（异常声响）进行综合诊断。工程师是“全身心”投入的工作。任务四：系统集成与静态测试教师活动：“现在，让我们把‘心脏’和‘筋骨’组合起来，完成整车的组装！”指导学生将动力系统（含电机的部分）稳妥安装到底盘上，并连接驱动轴。完成后不急于通电，而是发起“静态大检查”：“在通电前，请进行最后三道质检：一查电路接头牢不牢？二查齿轮转得顺不顺？三查车轮装得正不正？好，现在，深吸一口气，准备见证奇迹！”学生活动：小组进行最后的总装与固定。按照教师提示，进行严谨的静态检查，用手拨动车轮确认整套传动机构运转流畅。心情充满期待与些许紧张。即时评价标准：1.总装过程是否有序，部件固定是否牢固。2.静态检查是否认真、全面。3.小组内是否有明确的分工与互检。形成知识、思维、方法清单：★工程流程集成与测试：复杂系统由子系统模块化构建，最后进行集成。集成后必须进行前置测试（静态测试），以降低风险、提高一次成功率。★协作与质检意识：在工程项目中，分工协作与相互检查（互检）是保障质量、提升效率的关键环节。培养初步的团队工程伦理。任务五：动态调试与优化——“让小车跑起来！”教师活动：各组陆续通电测试。教师穿梭指导，将共性问题提升至全班讨论：“很多小组的小车跑偏了，这是为什么？”引导学生思考桌面平整度、轮子摩擦等因素。“大家试试，轻微调整一下电池的位置，或者用手擦一擦轮胎，看看有什么变化？”鼓励学生记录下调试动作和效果。对于成功的小车，邀请其分享经验：“你们的小车很直，分享一下秘诀吧！”学生活动：通电测试，观察小车行驶状态。针对跑偏、无力等问题，运用教师提示的方法进行调试，并在调试记录表上简单记录。成功的小组兴奋地展示，并帮助邻组解决问题。即时评价标准：1.面对行驶问题，是消极放弃还是积极尝试调试。2.调试方法是否合理有序（如先查动力再查平衡）。3.能否从调试现象中归纳出简单原因（如重心偏左导致左跑偏）。形成知识、思维、方法清单：★核心素养问题解决与迭代：工程产品很少一次完美。调试（Debug）是工程设计不可或缺的环节。面对故障，基于观察提出假设、进行干预、观察结果，是科学的实践方法。★影响因素探究：小车行驶状态受多重因素影响：动力输出（电池电量、电路电阻）、传动效率（齿轮啮合、轴摩擦）、运动阻力（轮子与地面摩擦、重心位置）。建立多变量系统观念。▲从实践到理论的萌芽：调试经验是未来学习更抽象物理原理（如摩擦力、力矩平衡）的感性基础。“为什么调整重心有用？”这个问题可以留作课后探究的火种。第三、当堂巩固训练  本环节构建分层、变式的实践训练体系。基础层：各组在优化后，在规定的“标准跑道”（平坦桌面）上进行一次直线行驶测试，并测量记录大致距离。综合层：提供轻微坡度的垫板，挑战“谁能爬上小斜坡”，引导学生在实践中直观感受动力、摩擦力与重力的关系。“试试看，车轮上缠一圈橡皮筋，摩擦力变了，爬坡能力会不会变？”挑战层：提出开放性问题：“如何在不改变电路的情况下，让你的小车跑得更慢但更有力？（提示：观察齿轮大小）”引导学有余力的学生探究传动比的概念。  反馈机制：首先进行小组间同伴互评，依据“行驶直线度”、“外观完整性”、“协作流畅度”三星评价表互相点亮星星。随后教师讲评，选取一个“成功优化”的典型案例和一个“典型故障排除”的案例，请相关小组分享心路历程，教师提炼其中的工程思维亮点。最后，将所有小车置于“成果廊”展示，营造集体成就感。第四、课堂小结  引导学生进行结构化总结。“如果请你当小老师，向没来上课的同学介绍今天做了什么，你会按哪几个步骤说？”鼓励学生用流程图或思维导图的形式，在黑板上共同梳理“认识部件→连接电路→组装传动→总装集成→调试优化”的工程实践全过程。方法提炼上，师生共同回顾：“今天我们像工程师一样工作，最重要的方法是什么？”（预设：先设计再动手、分步模块化、测试调试不可少）。作业布置公布分层任务：必做（基础性）：绘制你的小车结构图，并标出各部件名称与功能。选做（拓展性）：尝试用家中材料（如瓶盖、雪糕棒）为你的小车设计一个个性化车身或装饰。探究（创造性）：思考并查阅，真正的汽车如何实现转弯？它与我们的小车驱动方式有何不同？将思考记录在科学日志上。六、作业设计基础性作业：绘制电动双驱小车的结构示意图。要求使用尺规作图，清晰标注出电池、开关、电机、齿轮组、驱动轴、车轮等至少六个核心部件，并用一句话简要说明每个部件的功能（如：电机——将电能转化为旋转的机械能）。此项作业旨在巩固系统组成认知，训练学生将三维实物抽象为二维图示的表达能力。拓展性作业：“我的专属座驾”设计任务。学生利用废旧材料（如纸盒、彩纸、黏土等），为自己制作的小车设计并加装一个创意车身。要求考虑车身的空气动力学（流线型）或美观性，并将成品拍照或带入学校展示。此项作业将工程制作与艺术设计相结合，鼓励情境化应用与个性化表达。探究性/创造性作业：微型调研报告——“从双驱到真车：驱动方式的奥秘”。引导学生通过阅读书籍、浏览科普网站或观察真实车辆，探究汽车差速器的作用。以图文结合的方式，回答：为什么我们的双驱小车难以灵活转弯？真正的汽车是如何解决左右轮在转弯时转速不同这一问题的？此作业面向学有余力的学生，建立项目模型与现实科技的联系，激发深度探究兴趣。七、本节知识清单及拓展1.★电动机：一种将电能转换成机械能（旋转动能）的装置。它是电动小车的“心脏”，通电后输出动力。2.★闭合回路：电流流通的路径必须是一个从电源正极经过用电器回到负极的完整、无中断的环路。这是所有电路工作的基本原则。3.★齿轮传动：利用两个齿轮齿与齿的相互啮合来传递运动和动力的机械传动方式。关键要点在于啮合需松紧适度。4.★双轮驱动（双驱）：指车辆由两个车轮共同提供驱动力。本节课通过将两轮固定在同一根轴上，实现了最简单的“刚性”双驱，保证了两轮转速绝对同步。5.★工程实践基本流程：明确问题→设计方案→制作模型→测试评估→改进优化。这是一个循环迭代、不断趋近目标的过程。6.开关：控制电路通断的元件，串联在电路中。相当于整个动力系统的“总闸门”。7.电池（电源）：提供电能的装置，是系统的能量来源。注意区分正负极。8.导线：连接各元件，构成电流通道。要求连接牢固，避免虚接。9.车轴：用于固定车轮并传递旋转运动的机械部件。本节课的驱动轴直接连接齿轮和车轮。10.摩擦力：影响小车行驶的重要因素。轮胎与地面的摩擦力提供前进动力，但轴与轴套间的摩擦力则消耗动力，属于有害摩擦。11.重心位置：小车整体重力的作用点。重心如果明显偏向一侧，会导致该侧车轮对地面压力增大、摩擦力增大，从而引起行驶跑偏。12.调试（Debug）：工程中查找并排除故障、优化性能的过程。是本节课的核心实践环节，强调观察、假设与验证。13.▲传动比（拓展概念）：主动齿轮与从动齿轮的转速之比。大齿轮带小齿轮会增速但减力，小齿轮带大齿轮会减速度但增力。这是优化小车性能（速度vs力量）的关键变量。14.▲差速器（拓展概念）：真实汽车上用于协调左右驱动轮在转弯时产生转速差的精密装置。对比我们小车的“刚性”驱动，引发对复杂工程系统解决问题的思考。15.模块化组装：将复杂系统（如小车）分解为几个功能子系统（如电路模块、传动模块）分别构建，再集成的工程方法。能降低复杂度，提高效率与可靠性。16.合作与角色分工：在团队工程项目中，明确的角色（如总监、装配员、测试员）和有效沟通是成功的关键保障。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析：本节课预设的知识与能力目标基本达成。超过90%的小组成功制作出能直线行驶的小车，并在任务单上准确标注了核心部件。学生在“电路通路”和“齿轮啮合”两个关键点的理解上，通过动手实践从模糊概念变为清晰认知。能力目标中“协同完成组装”表现突出，小组合作氛围浓厚；但“自主诊断与调试”能力呈现出较大差异，部分学生在面对跑偏问题时仍习惯性依赖教师直接告知答案，而非系统排查。情感目标方面，作品成功瞬间的欢呼与遇到困难时不轻易放弃的表现，可见成就感与合作精神得到了有效滋养。  （二）教学环节有效性评估：导入环节的“故障演示”与“视频对比”迅速制造了认知冲突，成功激发了探究欲。“零件探秘”任务作为前测，有效激活了旧知（电路）并引出了新知（齿轮）。主体环节的五个任务逻辑链清晰，但任务三（机械传动）的实际耗时远超预估，约40%的小组在齿轮啮合度的微调上反复受挫，导致后续任务时间被压缩。这反映出对“空间操作能力”这一学情难点的预估仍不足。任务五（动态调试）由于时间紧张，未能充分展开深度讨论，多数调试停留在教师提示的“调整重心”层面，对“摩擦力差异”等更本质原因的探索不足。  （三）学生表现深度剖析：学生群体自然分化为三