浮力的智慧：用沉的材料造船-小学科学五年级下册工程与技术创新实践课

浮力的智慧：用沉的材料造船——小学科学五年级下册工程与技术创新实践课一、教学内容分析  本课隶属于小学科学课程标准中“技术与工程”领域，是“物体的运动”与“材料与结构”知识模块的交叉与深化。课标要求学生通过技术工程实践活动，认识简单机械、材料的性能与使用，初步体验设计、制作、测试、改进的基本流程。本课核心概念“浮力”与“排水量”是理解船舶航行的物理基石，其认知层级要求从具体现象观察（沉浮）上升至原理性理解（阿基米德原理的初步感知）与应用（基于原理进行设计）。在单元知识链中，它承接着对物体沉浮条件的定性认识，启发了后续对力、简单机械等更抽象概念的探索，是培养学生从“解释现象”迈向“利用规律解决问题”的关键转折点。从过程方法看，本课是科学探究与工程设计的完美结合体。学生将经历“明确问题—设计方案—制作模型—测试评估—迭代优化”的完整工程循环，在此过程中，观察、测量、记录、控制变量、基于证据进行解释与论证等科学方法将得到实战演练。其素养价值深刻：一方面，通过挑战“用沉的材料造船”这一反直觉任务，锤炼学生敢于质疑、勇于创新的科学精神与工程思维；另一方面，在小组协作解决真实技术难题中，培养团队合作、沟通表达与抗挫折能力，深刻体会“技术是科学的应用，服务于人类需求”的科技伦理观。  五年级学生已具备物体沉浮与材料属性的基础知识，生活中对船只也有广泛认知，这是宝贵的经验起点。然而，他们的认知可能停留在“轻的物体浮，重的物体沉”的朴素阶段，对“浮力大小取决于排开水的体积”这一核心原理理解模糊，这是教学需要突破的关键障碍。同时，学生设计能力与精细化动手能力存在显著差异：部分学生能快速构思并有效执行，部分则可能思路局限或操作困难。基于此，教学调适应提供多层次“脚手架”：对于概念理解，通过演示实验与可视化类比（如“水被挤开的空间”）化抽象为具体；对于设计挑战，提供从模仿经典船型到自主创新的梯度任务选项；对于制作过程，准备预制组件与自定义材料包，并安排“技术顾问”角色促进生生互助。课堂中将通过追问“你为什么这样设计？”、观察记录单的填写质量、模型测试的即时表现等形成性评价，动态把握学情，灵活调整教学节奏与支持力度。二、教学目标  在知识维度，学生将超越对沉浮现象的简单描述，建构起“物体浮沉状态取决于其重力与所受浮力关系”的初步概念模型；能准确表述“排水量”的含义，并解释通过增大底部面积和形成空心结构来增大排水量，是实现用沉的材料（如铝箔）造船的关键原理；最终能运用此原理，辩证分析不同船型设计的优劣。  在能力维度，学生将亲历完整的微型工程设计流程：能够基于明确限制条件（用铝箔造船并承载重物），运用草图或语言进行初步方案设计；能安全、规范地使用工具将二维设计转化为三维实体模型；能有计划地对模型进行定量测试（如逐次加载垫圈），系统记录数据，并依据测试结果提出具体的、有针对性的改进方案。  在情感态度与价值观维度，学生将在挑战“不可能任务”中体验创新突破的乐趣，形成积极面对技术难题的乐观态度；在小组协作中，能主动承担角色任务，学会倾听同伴意见，并在模型测试失败时，能以建设性态度共同分析原因而非相互指责，初步养成严谨求实、合作共赢的工程伦理。  在科学思维目标维度，本课重点发展学生的模型建构思维与系统优化思维。学生需将抽象的浮力原理物化为具体的船体模型（建构物理模型），并通过“设计测试改进”的迭代过程，理解工程系统（船的形状、结构、稳定性与载重量）各要素间的相互关联与动态平衡，学会从整体效能角度寻求局部优化。  在评价与元认知目标维度，学生将学习使用简易量规（如载重量、稳定性、工艺）对作品进行自评与互评；能在课后反思中，回顾自己从失败到成功的思维转变过程，说出至少一项“如果重做，我会在……方面做出不同尝试”的具体改进设想，提升对学习过程本身的监控与调节能力。三、教学重点与难点  教学重点：理解并应用“通过改变物体的形状（增大底部面积、形成空心结构）来增大排水量，从而获得更大浮力”的原理，完成从设计到制作的工程实践。其确立依据源于课标对“技术与工程实践”的核心要求，以及本课在单元概念进阶中的枢纽地位。它不仅是解释沉浮现象的理论深化点，更是将科学原理转化为技术解决方案的关键能力节点，直接指向“工程思维”与“探究实践”核心素养的培养。  教学难点：学生将原理性理解（要增大排水量）有效转化为具体、可行的船体结构设计，并在制作过程中保持设计的完整性与工艺精度。难点成因在于：首先，从“知道要做什么”到“知道如何做”存在认知跨度，需要空间想象与动手实践的有效链接；其次，铝箔材质柔软易变形，对学生的精细动作控制与耐心是考验。常见问题包括设计过于理想化难以实现、船壁高度不足导致容积小、接缝处理不当导致漏水等。突破方向在于提供多样化的成功与失败船型案例供对比分析，在关键步骤（如边缘折叠加固）上进行示范，并鼓励进行快速原型测试与微调。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含船舶发展史短片、不同船型结构图、设计流程图示）；实物投影仪。1.2实验器材（按小组配备）：水槽（盛水）1个；干毛巾1条；标准尺寸铝箔纸（如20cm20cm）23张；统一规格的垫圈（作载荷）若干；镊子1把；设计记录单、测试数据表。1.3演示材料：实心橡皮泥块、同质量橡皮泥捏成的碗状船；大小、形状不同的已完成铝箔船模型（含成功与典型缺陷案例）。2.学生准备  预习课本相关章节；铅笔、直尺；分组（4人一组，明确记录员、操作员、材料员、汇报员等角色，可轮换）。3.环境布置  实验室课桌分组排列，确保每组有水槽操作空间；黑板划分区域，用于记录关键原理、展示设计思路、张贴优秀作品照片。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：  “同学们，我们都知道‘水能载舟’，但请大家想一想，生活中哪些材料能用来造船？”（学生可能答：木头、塑料、钢铁。）“木头、塑料能浮起来，这很好理解。但你们说‘钢铁’？一块实心的铁块扔进水里会怎样？”“对，它会立刻沉底。那为什么用钢铁制造的万吨巨轮却能遨游海洋呢？这岂不是个矛盾？”（此时播放一段大型钢铁货轮航行与一小块钢铁沉入水底的对比短视频，强化冲突。）2.核心问题提出与学习路径勾勒：  “看来，‘沉的材料’不一定不能造船，关键在于我们如何‘运用智慧’。今天，我们就化身小小船舶工程师，接受一项挑战：用手中这张会沉入水底的铝箔纸，造一艘能装载最多‘货物’的小船。”“我们要一起探索：沉的材料凭什么能浮起来？怎样的设计才能让船装得更多、更稳？我们将遵循工程师的工作流程：分析任务、创意设计、动手制作、下水测试，然后改进我们的设计。先回忆一下，物体的沉浮和什么有关？”（引导学生回顾“浮力”、“排水体积”等旧知。）第二、新授环节任务一：揭秘原理——从“沉”到“浮”的转变教师活动：首先进行对比演示。将一团实心橡皮泥放入水槽，它沉没了。“看，它沉了，因为它排开的水少，受到的浮力小于重力。”接着，教师将同一块橡皮泥小心捏成边缘较高的碗状。“现在，我还是这块橡皮泥，质量一点没变，只是改变了它的——”学生齐声：“形状！”将其轻轻放入水中。“哇，浮起来了！大家看到了什么变化？”“对，它‘排挤’开的水量，也就是排水体积大大增加了！”教师用课件动画演示水被船体排开的过程，强调：“水被挤开，就会产生一个向上托的力，这就是浮力。排开的水越多，浮力就越大。当浮力大于等于船身加货物的总重力时，船就能浮着。这就是我们的核心武器！”学生活动：观察演示实验，发出惊叹。跟随教师引导，复述关键观察点：质量相同，形状改变导致沉浮状态改变。观看动画，理解“排水体积”是浮力大小的决定因素。尝试用语言解释演示现象。即时评价标准：1.能否准确指出两次实验中橡皮泥的“质量不变”与“形状改变”。2.能否将观察到的现象（浮起来）与“排开水的体积变大”建立起因果关系。3.在解释时，是否尝试使用“浮力”、“重力”、“排水量”等术语。形成知识、思维、方法清单：  ★核心原理：物体的沉浮取决于其重力与所受浮力的相对大小。改变物体形状（如做成空心），可以增大其排开水的体积，从而获得更大的浮力，即使材料本身密度大于水，也能漂浮。这是本课所有设计与实践的基石。  ▲科学方法：对比实验。通过控制单一变量（质量），改变关键变量（形状），观察结果（沉浮），是揭示科学规律的有效手段。提醒学生在自己设计测试时也要注意控制变量，如使用相同大小的铝箔。  ★关键概念：排水量。物体浸没在水中时排开水的体积，它直接决定了浮力大小。对于船而言，就是其浸入水下部分体积所对应的水量。告诉学生：“你的船能装多少货，很大程度上就看你的设计能‘挤出’多少水空间。”任务二：方案初探——头脑风暴与设计草图教师活动：“原理在手，设计先行。现在，请各小组工程师们开动脑筋：为了用这张铝箔获得最大的排水量，也就是最大的‘水上空间’，我们的船应该设计成什么样子？”教师在黑板上画出几个简单图形启发：平底方盒、圆盆形、尖头船形。“大家想想，船底面积大一些好还是小一些好？为什么？船壁是高一些好还是矮一些好？为什么？”在学生讨论时，巡视并参与，引导思考深度。“有小组说底要大，这样接触水面大，稳！那是不是船壁越高，空间就越大呢？会不会有别的风险？”（提示稳定性）。提供设计记录单，要求学生画出草图，并简要标注设计理由（如：宽底为了稳定，高帮为了多装货）。学生活动：小组展开热烈讨论。结合原理与生活经验（如澡盆、脸盆的形状），提出各种船型设想。可能会争论“平底”与“V型底”的优劣。在记录单上绘制草图，尝试用文字说明设计意图。部分学生可能会设计出非常规形状。即时评价标准：1.设计草图是否清晰体现船的基本结构（底部、侧壁）。2.设计理由的阐述是否与“增大排水量”或“提高稳定性”相关。3.小组讨论是否全员参与，意见是否得到倾听与记录。形成知识、思维、方法清单：  ★工程决策：船体形状的权衡。宽大平底：稳定性优，有效排水体积易做大，是初学者的可靠选择。V型或流线型船首：可能有利于减少航行阻力，但对制作精度要求高，且初始稳定性可能较差。引导学生理解工程设计中的“权衡取舍”，没有绝对最优，只有最适合目标和条件的方案。  ▲思维方法：发散思维与概念草图。将头脑中的创意可视化是工程设计的第一步。鼓励学生大胆想象，同时提醒他们，最终要回归到任务约束（一张铝箔）和核心目标（最大载重）上来。  ★实践要点：设计意图的明确性。“为什么要这样设计？”这个问题迫使思考从感性走向理性。将设计理由写下来，是培养工程思维中“系统性思考”和“有据决策”的重要习惯。任务三：巧手制作——从图纸到模型教师活动：“设计图审核通过，现在进入船坞建造阶段！”教师通过实物投影，清晰演示一种基本方体船的制作步骤：1.铺设基座：铝箔光面朝下（更美观），抚平。2.标记折痕：用尺子和铅笔（轻轻）在背面标出船底和四边侧壁的折线。3.精准折叠：沿线折叠起四边，注意折角尽量垂直。4.加固关键点：重点演示如何将四个角及边缘进行多次折叠或捏合，确保接缝紧密，防止漏水。“这里是质量控制的重点，就像房子不能有裂缝一样，船也不能漏水！各小组可以根据自己的设计，创造性地制作，但‘牢固、密封’是通用标准。”分发材料，强调安全使用工具（镊子）。学生活动：观看示范，特别是加固细节。领取材料后，小组分工协作。操作员主导制作，其他成员协助固定、检查。根据本组设计图，尝试将二维草图转化为三维模型。过程中会遇到铝箔易皱、折角不齐、接缝不严等实际问题，需不断调整手法或微调设计。即时评价标准：1.制作过程是否安全、有序，工具使用是否得当。2.能否基本实现设计图意图，模型结构是否完整。3.是否关注到船体边缘与角落的加固密封处理。形成知识、思维、方法清单：  ★工程实践：材料加工与精度控制。铝箔作为模型材料，其柔软性既是可塑性优势，也是对制作精度的挑战。精准的测量、划线和折叠，是保证设计意图得以实现的基础。  ▲技术难点：接缝密封技术。漏水是模型失败的主要原因。多次折叠、相互压合是有效的密封方法。这让学生直观体会到工程中“细节决定成败”。  ★协作模式：角色分工与流程协作。在限定时间内完成制作，需要小组内有效的分工与配合。测量、折叠、检查、加固，可以形成流水线，提升效率和质量。任务四：下水首航——定量测试与数据记录教师活动：“激动人心的时刻到了！请各小组让你们的‘首舰’下水。”明确测试规则：1.将空船平稳放入水槽中央。2.使用镊子，逐次、轻轻地将垫圈（代表货物）放入船舱中心位置。3.记录员在数据表上记录每次加载后的状态（平稳/倾斜/进水/沉没），并记下船沉没前承载的最大垫圈数量。“注意，这是一个科学测试，不是比赛！轻拿轻放，均匀加载，才能得到准确数据。同时，请大家当个敏锐的观察员：船是在什么情况下开始倾斜的？水是从哪里进来的？”学生活动：小组有序进行测试。操作员小心翼翼放置垫圈，其他成员专注观察船体状态变化，记录员实时记录。当船出现倾斜、进水或沉没时，小组会自发讨论原因：“哎呀，这边太重了！”“水是从那个角渗进来的！”测试过程充满紧张与兴奋。即时评价标准：1.测试操作是否规范（轻、慢、中心加载）。2.数据记录是否及时、准确、完整。3.能否在船出现问题时，观察到可能的原因（如负载不均、某处漏水）。形成知识、思维、方法清单：  ★科学探究：定量测试与数据收集。用垫圈数量量化“载重量”，使评估标准客观化。这是将工程效果从定性描述（“装得多”）提升到定量分析（“装了多少个”）的关键一步。  ★工程概念：稳定性与重心。船在加载中倾斜，往往是因为重心偏移或初始稳定性不足（如船底过窄、船体过高）。引导学生将现象（往哪边歪）与结构（哪边支撑弱或负载重）联系起来。  ▲失败分析：故障诊断。船沉没的原因无外乎：浮力不足（排水体积总量不够）、结构失效（漏水导致浮仓进水）、稳定性丧失（倾覆）。引导学生像工程师一样诊断故障，是改进的前提。任务五：迭代升级——分析反思与优化设计教师活动：“首航测试结束，无论成功与否，我们都有收获。现在进入工程师最体现智慧的环节——优化改进。”组织小组基于测试数据和观察，召开“设计复盘会”，思考：1.我们的设计成功在哪里？不足在哪里？2.如果给你第二张铝箔，你会如何改进你的设计？是加大尺寸、改变形状、还是优化加固工艺？”邀请几个典型小组（载重多的、稳定性好的、有独特问题的）分享他们的发现与改进计划。教师总结共性优化方向：增加整体尺寸、确保船壁高度足够、严格密封、考虑低重心宽底设计以提升稳定性。学生活动：小组分析数据记录和测试时的观察，讨论失败原因或成功经验。形成具体的改进方案（“我们下次要把底做得更宽”、“四个角必须再折三道！”）。聆听其他小组分享，汲取灵感。部分完成速度快的小组，可领取第二张铝箔，尝试实施一种最关键的改进，进行验证。即时评价标准：1.改进建议是否基于本组的测试证据和观察。2.反思是否具体，能否指出明确的设计或工艺缺陷。3.能否从其他小组的分享中获得启发，进行批判性或建设性思考。形成知识、思维、方法清单：  ★工程核心：迭代优化循环。“设计制作测试改进”是一个循环往复、螺旋上升的过程。一次测试的结束是下一次更好设计的开始。这正是现代工程与产品开发的基本模式。  ▲高阶思维：基于证据的决策。改进不是凭空猜想，必须基于测试数据（如最大载重数）和故障现象（如从何处漏水）。培养学生“用数据说话，用事实论证”的理性决策习惯。  ★素养升华：拥抱失败，持续改进。工程实践中失败是常态。关键是从中学习。引导学生以积极、理性的态度看待测试中的“不完美”，将其视为宝贵的诊断信息，这是培养坚韧品格和创新精神的重要一环。第三、当堂巩固训练  基础层（全体必做）：请在你的科学笔记本上，用图文结合的方式解释：为什么一张平铺时会沉入水底的铝箔，被折成船形后就能漂浮并承载重物？请标注出关键原理词汇。  综合层（大多数学生尝试）：假如你现在是船舶设计师，客户要求设计一艘在风浪中更稳定的运货船。基于今天的发现，你会向客户推荐哪些船体结构特点？请至少列出两点并说明理由。  挑战层（学有余力选做）：思考并研究：现实中的轮船，比如货轮、油轮、航母，它们的船体形状和结构有哪些不同？这些不同主要是为了适应怎样的特定需求或环境？（可通过简短资料查阅或生活观察完成）  反馈机制：基础层答案通过同桌互查，核对核心原理表述是否正确。综合层与挑战层问题，在课堂最后留出5分钟，邀请不同学生分享观点，教师进行点评与归纳，将“宽大船底”、“压舱物降低重心”、“水密隔舱”等真实工程概念与学生的想法建立连接，展示几种典型轮船的剖面图进行印证。第四、课堂小结  “同学们，今天我们一起完成了一次从科学家到工程师的探险。我们一起揭开了沉的材料能造船的秘密——（学生齐答：改变形状，增大排水量！）。我们亲身体验了工程师的工作模式：从分析、设计、到制作、测试、再优化。”请学生用一句话或几个关键词，在记录单上写下本节课最大的收获或一个仍存在的疑问。“我看到有同学写‘团队合作很重要’，有同学写‘细节决定成败’，还有同学问‘能不能用其他沉的材料做更复杂的船？’——这些都是金子般的思考。”  作业布置：1.必做（基础性）：完善课堂设计记录单与测试数据表，并根据改进想法，绘制一幅“升级版”铝箔船设计图。2.选做A（拓展性）：在家中用脸盆或水槽，寻找另一种“沉的材料”（如橡皮泥、包装用泡沫塑料块），尝试制作一艘能漂浮的小船，并测试其载重，简单记录过程。3.选做B（探究性）：查阅资料，了解“泰坦尼克号”沉没与船舶“水密隔舱”设计的关系，准备一个两分钟的简短介绍，下节课分享。今天的探索只是一个开始，船舶的学问深着呢，期待大家下次带来更精彩的设计与发现！六、作业设计  基础性作业：完成并上交《“浮力的智慧”学习记录单》，需包含：初始设计草图与理由、测试数据记录（最大载重垫圈数）、对首版船问题的分析、以及优化后的设计草图。此项作业旨在巩固核心概念与工程流程，确保所有学生完成知识建构与实践反思的基本闭环。  拓展性作业：开展一项“家庭材料大挑战”活动。学生自选一种家中常见的、密度大于水的材料（如：一块橡皮泥、一个苹果、一块马铃薯等），尝试不借助胶水等附加物，通过改变其形状或结构，使其能在水中漂浮，并尽可能承载小重物（如硬币）。用照片或视频记录过程与结果，并附上简短的原理说明。此作业将课堂原理迁移至新情境，鼓励学生进行开放式探究。  探究性/创造性作业：1.船舶设计师档案：选择一种你感兴趣的特定类型船舶（如帆船、双体船、潜水艇、气垫船），研究其独特的设计特点（形状、结构、动力等）与它所实现的特殊功能或适应的环境之间的关系，制作一份图文并茂的“设计师档案”小海报。2.未来之船创想画：基于你对海洋保护、新能源或特殊运输需求的想象，设计一艘“未来概念船”，画出外观并简要描述它的特殊功能、所用材料及设计亮点。此作业旨在激发学生的创新思维与跨学科联系能力。七、本节知识清单及拓展  ★1.浮力与重力决定沉浮：浸入液体中的物体，受到竖直向上的浮力。当物体重力大于浮力时，下沉；等于时，悬浮；小于时，上浮直至漂浮。这是判断物体沉浮状态的终极法则。  ★2.阿基米德原理（小学版）：物体在水中所受浮力的大小，等于它排开的水所受的重力。简单说，排开的水越多，受到的浮力就越大。这是本课所有设计的理论核心。  ★3.排水量：物体浸没时排开液体的体积，是浮力大小的直接决定因素。对于船，通常指其满载时排开水的重量（或体积），是衡量船舶大小和载重能力的关键指标。  ▲4.改变形状以增大排水量：对于质量一定的物体，将其做成空心、碗状或船形，可以大大增加其浸入水中时能够排开水的体积，从而获得比自身重力更大的浮力。这就是沉的材料能造船的根本原理。  ★5.稳定性概念：船舶抵抗倾覆的能力。宽大的底部和较低的重心（如将重物放在船底）有助于提高稳定性。船在加载时倾斜，往往是重心偏移或初始稳定性不足的信号。  ▲6.工程设计与制作要点：(1)设计权衡：没有完美设计，需在载重量、稳定性、航行阻力、制作难度等因素间取得平衡。(2)密封性：对于空心船体，接缝处的紧密密封是防止漏水、保证浮力的关键工艺。(3)精确性：准确的测量、划线、折叠是保证设计从图纸变为现实的基础。  ★7.工程实践流程（迭代模型）：完整的工程活动通常遵循“明确问题→方案设计→制作模型→测试评估→分析改进→再设计…”的循环迭代过程。每一次测试的反馈都是优化的宝贵输入。  ▲8.从模型到现实：钢铁巨轮能浮，是因为其巨大的船体结构创造了远大于钢铁自身重量的排水量，从而获得巨大浮力。现代船舶还采用水密隔舱设计（将船体内部隔成多个独立舱室），即使部分舱室进水，也能保持整体浮力，极大提升了安全性。  ▲9.船舶分类与特点（拓展）：货轮（船体肥大，追求大载货量）、油轮（甲板平整，舱室密闭）、集装箱船（上层建筑靠后，甲板可堆放集装箱）、航母（平直甲板供飞机起降，舰岛位于一侧）、双体船（两个并排船体，稳定性极佳）等，其外形与结构均服务于特定功能。  ▲10.科学精神与工程伦理：在探究中保持好奇与实证，在设计中敢于创新与试错，在协作中学会倾听与担当，在面对失败时理性分析与坚持不懈。理解技术是人类智慧的结晶，应被用于造福社会与保护环境。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析从当堂巩固训练反馈与记录单的批阅来看，90%以上的学生能够准确解释沉的材料能造船的原理，并能在优化设计中提及“增大底面积”、“加高船帮”、“密封角落”等具体策略，表明知识目标与能力目标中的原理应用部分达成度较高。情感目标在课堂热烈的小组协作与测试环节得到生动体现，学生在模型成功时的欢呼与失败时的积极讨论，展现了良好的学习心向。然而，工程思维中的“系统权衡”与元认知中的“深度策略反思”仅在高阶任务和部分优秀生的表述中有所体现，对于大多数学生而言，这仍是需要长期培养的思维习惯。  （二）核心环节有效性评估导入环节的认知冲突成功激发了全员探究欲望。“任务一”的原理演示直观有效，是破解前概念的“关键一击”。“任务二至五”构成的工程设计循环是本节课的主