探秘动物智慧：从“聪明的乌龟”到仿生设计（小学三年级综合实践活动）

探秘动物智慧：从“聪明的乌龟”到仿生设计（小学三年级综合实践活动）一、教学内容分析  本课内容根植于《中小学综合实践活动课程指导纲要》中“亲近并探究自然，发展实践创新意识”的核心要求，属于“考察探究”活动领域。从学科语境看，它深度融合了小学科学（生命科学领域）、劳动技术（简易设计与制作）及道德与法治（生命关怀、合作意识）等多学科元素，旨在以“动物行为与生存智慧”为锚点，引导三年级学生开启一次跨学科的探究之旅。知识技能图谱上，学生需从观察与描述具体的动物行为（乌龟的防御、觅食等）入手，理解“适应性行为”这一核心概念，进而初步关联到“仿生设计”的粗浅原理，构成“现象观察→概念抽象→初步应用”的认知链条。过程方法上，本课强调“观察比较联想设计”的科学探究路径，培养学生有目的、有顺序的观察习惯，以及基于现象进行合理推演与创造性联想的思维能力。素养价值渗透方面，课程承载着激发学生探究自然奥秘的好奇心、树立尊重生命与自然的观念、以及萌芽“通过模仿自然解决实际问题”的创新意识等多重育人目标，这些素养将在模拟观察、小组协作与创意设计中得以无声浸润。  学情诊断方面，三年级学生正处于具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的关键期，他们对动物有天然的兴趣和一定的生活观察经验（如养宠物、观看纪录片），这是宝贵的教学起点。然而，他们的观察往往停留于表面，难以系统化；其联想也易天马行空，缺乏与科学原理的有机联系。可能的认知障碍在于：难以从纷繁的动物行为中聚焦“智慧”（即适应性）的本质；在将生物特征转化为工程设计时，思维跨度较大。因此，教学需通过提供结构化的观察支架、创设循序渐进的联想阶梯来搭建认知桥梁。课堂上，将通过“观察记录单”的填写质量、小组讨论中的发言指向、以及设计草图呈现的逻辑性，作为动态把握学情的形成性评价手段。针对不同层次学生，支持策略将差异化呈现：对于观察记录有困难的学生，提供带有提示选项的表格；对于联想能力较强的学生，则鼓励其列举更多跨物种的仿生例子并简述理由。二、教学目标  在知识目标维度，学生将能够准确描述乌龟在特定情境下（如遇到危险时）的典型行为特征，并初步理解这些行为是其适应环境、维持生存的“智慧”体现；能够结合实例（如乌龟壳与头盔），用自己语言解释“仿生设计”是指人们从生物界获得灵感进行发明创造的基本思想。  在能力目标维度，学生将学会使用“行为功能”观察记录表，有条理地记录和分析动物行为；能在小组合作中，基于观察到的生物特征，通过集体brainstorm提出至少一项简单的仿生设计构想，并能用图画辅以简短文字进行初步表达。  在情感态度与价值观目标维度，学生将在探究活动中感受到自然界的奇妙与生物的生存智慧，建立起对生命的尊重与惊叹之情；在小组协作完成设计任务的过程中，体验集思广益的乐趣，愿意倾听同伴的想法并贡献自己的创意。  在科学思维目标维度，本节课重点发展学生的“类比思维”与“结构功能观”。通过引导性问题链，如“乌龟的壳和我们的什么东西作用很像？”“它的这种行为是为了解决什么问题？”，促使学生将生物的结构、行为与其生存功能相联系，并尝试迁移到人造物的设计中。  在评价与元认知目标维度，学生将尝试使用简单的评价量规（如“设计是否清晰说明了灵感来源？”“设计是否解决了一个小问题？”）对小组及他组的仿生设计草图进行初步评价；并在课后反思“我从哪种动物身上得到的启发最大？为什么？”，开始有意识地关注知识、灵感的来源。三、教学重点与难点  教学重点在于引导学生通过观察与讨论，理解动物特定行为背后的生存意义（即适应性），并建立“生物特征/行为→解决生存问题→人类可借鉴的灵感”这一初步的逻辑关联。其确立依据在于，这是课标“探究自然”要求落实的关键认知节点，是连接现象观察与创新应用的核心枢纽，也是培养学生科学思维（结构功能观）的主要载体。掌握此逻辑，方能实现从“看热闹”到“探门道”的转变，为后续更复杂的探究活动奠基。  教学难点在于学生完成从具体的生物“智慧”到抽象的“仿生设计”概念的跨越，并能有逻辑地表达自己的设计构想。成因在于三年级学生的抽象概括与迁移应用能力尚在发展初期，且容易将仿生简单理解为外形模仿。预设依据来自常见学情：学生可能说出“我想设计一个像乌龟一样的汽车”，但却难以清晰阐述是借鉴了龟甲的缓冲保护功能，还是其流线外形以减少阻力。突破方向在于提供丰富的、功能指向明确的仿生实例（如蜂巢结构与抗震建筑、猪嘴与防毒面具）作为思维“脚手架”，并通过“功能对应”的提问引导，帮助学生聚焦“解决什么问题”，而非仅仅“像什么”。四、教学准备清单1.教师准备  1.1媒体与教具：包含乌龟多种行为（缩壳、游泳、捕食等）的高清短视频或系列图片；蜂巢、猪嘴、苍耳子、雷达与蝙蝠等经典仿生实例的图片或简单动画课件；小组活动任务卡。  1.2学习材料：“聪明的乌龟”观察记录单（分基础版与进阶版）；仿生设计构想草图模板（含“灵感来源生物”、“解决了什么问题”、“我们的设计”等栏目）；小组互评星级卡。2.学生准备  预习：观察一种自己熟悉的动物（宠物、小区鸟类等），思考它有什么特别的本领或习惯。带来彩色笔。3.环境布置  课桌按46人小组拼合，便于讨论与合作；教室后方预留作品展示墙区域。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与冲突引发：“同学们，我们都听过《龟兔赛跑》的故事，故事里乌龟靠坚持赢了兔子。但今天，老师要给大家讲一个‘新编龟兔赛跑’：比赛路上突然出现了一只狐狸！兔子吓得立刻飞速跑掉，而乌龟却不慌不忙，做了个动作——（播放乌龟迅速将头、尾和四肢缩入壳中的短视频）。猜猜最后怎么了？狐狸对着这个硬硬的‘石头’无可奈何，只能走开。你们觉得，在这个新故事里，乌龟靠什么保护了自己？”  1.1核心问题提出：“看来，乌龟的壳和它‘缩进去’的行为，可真是一种生存的‘智慧’。那么，大自然中还有哪些动物拥有类似的‘智慧’呢？这些‘智慧’能给我们人类带来什么启发吗？这节课，就让我们一起化身‘自然侦探’和‘灵感工程师’，去探秘动物智慧，并试试把它们‘搬’到我们的设计中来！”  1.2路径明晰与旧知唤醒：“我们的探秘之旅分三步：第一步，仔细观察，发现‘智慧’；第二步，联想对比，寻找灵感；第三步，合作设计，创意变身。上节课我们学习了观察事物的方法，谁还记得要有顺序、抓特点？”第二、新授环节  任务一：聚焦观察，解码乌龟的“智慧”  教师活动：首先，清晰说明观察任务：“我们的第一位观察对象就是‘聪明的乌龟’。请大家接下来观看三段短视频，分别关于乌龟遇到危险、在水中游泳和吃东西。观看时，请带着问题：‘它在做什么？它为什么这么做？’”。播放视频，每段后暂停，提出引导性问题：“看，当树枝轻轻碰到它时，它瞬间就缩成了一团，这个动作给它带来了什么好处？”“它在水里划动四肢的样子，和我们游泳有什么不同？这帮助它更好地做了什么？”“它吃食物时，没有牙齿却有个坚硬的喙，这适合处理什么样的食物？”接着，分发差异化的观察记录单（基础版：提供“行为描述”选项勾选及“可能的原因”填空；进阶版：空白表格，自行记录）。巡视小组，重点指导记录有困难的学生抓住“行为功能”关联进行描述，例如可以提示：“你看它缩起来，是不是就像一个带了盾牌的战士？”  学生活动：认真观看视频，针对教师提问进行思考和简短的口头回答。领取观察记录单后，在小组内交流所见，合作完成记录。使用教师提供的语言支架进行描述，如：“当……时，乌龟会……，这可以帮助它……。”  即时评价标准：1.观察记录是否准确描述了至少两种乌龟的行为。2.对行为原因（功能）的推断是否合理，能联系生存需要（如保护自己、获取食物）。3.小组成员间是否有交流与补充。  形成知识、思维、方法清单：  ★动物行为具有适应性：动物的特定行为（如乌龟缩壳）往往是为了适应环境、满足生存需要（如防御敌害）。这是自然选择的结果，是它们的“生存智慧”。（教学提示：避免使用“聪明”拟人化，而是引导到“适应”这一科学概念。）  ★“结构功能”观察法：观察动物时，不仅要看它“做了什么”（行为），更要思考“这有什么用”（功能），将行为与生存需求联系起来。（认知说明：这是科学探究中重要的思维方式起点。）  ▲记录与交流：使用表格等工具可以帮助我们有条理地记录观察信息；与同伴交流能丰富和修正自己的发现。  任务二：联想拓展，搜寻自然界的“智慧宝库”  教师活动：承接任务一，提出拓展性问题：“乌龟给了我们这么多启发，大自然可是一个更大的‘智慧宝库’。你课前观察的动物，或者你知道的哪种动物，也有让你觉得特别‘聪明’的本领？”给予1分钟小组快速交流。随后，教师展示经典仿生实例图片（蜂巢抗震结构、猪嘴防毒面具、苍耳子魔术贴、蝙蝠雷达），但不直接揭示答案。每展示一组，便提问：“请大家找找看，左边的生物特征和右边的人造发明，它们之间有什么联系？人类借鉴了生物的什么‘智慧’来解决什么问题？”引导学生从功能角度进行类比。例如，“蜂巢一个个小格子紧紧挨着，这种结构有什么特点？（坚固、节省材料）所以人们用它来设计更轻更稳的建筑。”  学生活动：分享自己观察或了解的动物本领。观看教师展示的图片对，积极思考并进行类比联想，尝试用语言描述两者间的联系。例如：“苍耳子有小钩子可以粘住动物皮毛传播种子，魔术贴也是用小钩子钩住毛绒面来粘合东西。”  即时评价标准：1.分享的动物本领是否具体。2.在类比联想中，是否能超越外形相似，提及功能或原理上的借鉴（如“都是为了让东西更牢固”、“都是为了探测东西”）。3.能否倾听同伴的联想并做出回应。  形成知识、思维、方法清单：  ★仿生设计概念：人类模仿生物的特殊本领（包括结构、功能、行为等），来发明创造新产品或解决技术问题的科学方法，就叫仿生学或仿生设计。（教学提示：用“模仿本领”比“模仿样子”更精准，强调功能核心。）  ★类比思维：寻找不同事物（生物特征与人造物）之间在功能或原理上的相似之处，是进行仿生联想的关键思维方法。（认知说明：这是跨学科创新的一种基础思维能力。）  ▲实例积累：了解一些经典的仿生设计实例，可以帮助我们拓宽思路，理解仿生的广泛应用。（如：船桨模仿鸭蹼，飞机机翼模仿鸟翼等。）  任务三：合作创想，设计我们的“仿生作品”  教师活动：发布核心挑战任务：“现在，轮到我们‘灵感工程师’小组大显身手了！请你们从乌龟，或者刚才讨论的其他生物，甚至是你想到的任何生物身上，获取灵感，设计一个可以帮助我们解决生活或学习中小问题的物品或方案。”明确要求：1.确定灵感来源生物及其特殊本领。2.明确你们的设计想解决什么具体问题。3.画出设计草图，并配上简单文字说明。分发设计草图模板。巡视指导，针对不同小组提供差异化支架：对思路受阻的小组，提供“问题菜单”（如“如何让书包更省力？”“如何让教室里的粉笔灰少一点？”）引导其反向寻找可能提供灵感的生物；对进展顺利的小组，则挑战他们思考设计的细节或可能的改进。过程中，不断用提问推动思考：“你们借鉴的是这种生物的哪个特点？”“这个设计是怎么运用那个特点来解决问题的？”  学生活动：小组成员围绕任务进行头脑风暴，确定设计方向。共同商讨，分工合作（有人主画，有人补充文字，有人准备汇报）。利用草图模板完成设计作品。积极利用教师提供的资源和提问深化设计思路。  即时评价标准：1.设计是否有明确的生物灵感来源。2.设计构想是否尝试解决一个具体问题，并且与生物灵感有功能上的关联。3.小组成员是否全员参与，分工协作有序。  形成知识、思维、方法清单：  ★仿生设计流程（初步）：①观察生物特征/行为→②分析其功能（解决什么生存问题）→③联想人类需求（有什么类似问题需解决）→④构思设计方案（如何借鉴该功能）。（教学提示：此为简化流程，旨在建立基本设计逻辑意识。）  ★从问题出发的创新：设计往往始于发现一个需要解决的问题。“我们需要什么？”和“自然生物是如何解决类似问题的？”是两个关键的思考起点。  ▲团队协作与表达：复杂任务需要团队合作，汇集多元想法；将创意清晰地图示和说明，是展示与交流的重要能力。第三、当堂巩固训练  分层训练体系：  1.基础层（全员参与）：“请你担任解说员，向同桌介绍你们小组的仿生设计。要说清楚：灵感来自哪种生物的什么本领？你们想用它来解决什么问题？”（直接应用本节课核心知识与表达逻辑）  2.综合层（小组选择完成）：“如果想让你们的设计更完善，还可能需要注意哪些方面？比如：它用什么材料做？大概有多大？试着在草图旁边补充一两条备注。”（在新情境中综合运用知识，考虑设计的初步可行性）  3.挑战层（学有余力个人或小组选做）：“思考一下，你们的这个设计，会不会带来新的小问题？比如，借鉴乌龟壳设计的坚固书包，会不会太重了？你有什么办法可以平衡‘坚固’和‘轻便’吗？”（涉及开放性与辩证思考，初步接触工程设计中的权衡观念）  反馈机制：首先进行小组内解说与互评，使用简单的“星级互评卡”（针对“讲解清晰”、“创意有趣”、“关联合理”等维度打星）。随后，教师邀请23个有代表性（如不同类型生物灵感、不同复杂度）的小组上台展示。展示后，引导全班进行“点赞与建议”式评价：“你觉得他们设计最巧妙的地方是什么？”“如果想让这个设计更好，你能提一个小建议吗？”教师最后进行集中点评，重点褒奖功能关联明确的创意，并针对共性问题（如模仿外形而非功能）进行温和指正与强化。第四、课堂小结  知识整合与反思：“同学们，今天的自然侦探之旅即将结束。谁能用‘我发现了……我学会了……我惊讶于……’这样的句式，来分享你最大的一个收获？”引导学生从知识、方法、情感多维度进行自主总结。教师顺势板书，形成简易思维导图：中心“动物智慧与仿生设计”，延伸出“观察（行为功能）”、“联想（类比）”、“设计（问题灵感方案）”三个主干。  作业布置：1.基础性作业（必做）：完善课堂上的仿生设计草图，并准备一段1分钟的家中介绍词，下次课与组员最终整合。2.拓展性作业（选做）：寻找生活中一个你认为可能应用了仿生原理的物品（如荷叶效应雨伞、鲨鱼皮泳衣），试着研究一下它模仿了哪种生物。3.探究性作业（挑战选做）：如果给你一种动物的本领（如壁虎的爬墙能力），你可以为老年人或残疾人设计什么辅助生活的工具呢？画一个简单的示意图。最后，预告下节课将举办“班级仿生创意博览会”，对各组最终设计进行展示与投票，激发持续期待。六、作业设计  基础性作业：  请回家后，将课堂上小组的仿生设计草图进一步美化，线条画清晰，颜色涂好。并准备一段大约1分钟的介绍，像个小发明家一样，向家人介绍你们的作品。介绍需包含：①设计名称；②灵感来源（什么动物的什么本领）；③想解决什么问题；④设计的主要特点。下次课将用此介绍与组员进行最终汇总。  拓展性作业：  做一名“生活中的仿生发现者”。观察你的家、学校或社区，有没有哪些物品或设施的设计，让你觉得可能“模仿”了某种生物？比如，某种特别防滑的鞋底、某种形状特别的建筑屋顶等。选择一个，用拍照或画图的方式记录下来，并写下你的猜想：它可能模仿了什么生物？为什么这么猜？（例如：我发现游泳馆的屋顶是拱形的，很像蛋壳，我猜这样可能更坚固。）  探究性/创造性作业：  “假如我有超能力”创意设计坊。假如科学家赋予你一种来自动物的非凡能力（三选一：A.章鱼的变色与拟态能力；B.电鳗的发电能力；C.信鸽的远程导航能力），请你为未来城市设计一项创新应用，让这种能力造福人类生活。请以“未来城市新发明”为主题，绘制一幅创意宣传画，并附上简短的产品说明书（包括：产品名、应用的动物能力、主要功能、使用场景）。期待你的天马行空！七、本节知识清单及拓展  1.★适应性行为：指动物为了在特定环境中生存和繁殖而表现出来的、对其生存有利的行为。如乌龟缩壳是为了防御敌害，属于一种适应性行为。这是动物“智慧”的本质，是长期自然选择的结果。  2.★“结构功能”观：一种重要的科学思维方式。指在观察生物时，有意识地将生物的身体结构（如龟壳的坚硬、形状）或行为方式，与其所实现的生存功能（如保护、减少阻力）联系起来思考。这是理解生物适应性的钥匙。  3.★仿生学/仿生设计：一门模仿生物的特殊本领，来建造先进技术设备或解决工程问题的科学。其核心不是简单模仿外形，而是学习生物系统的原理，将其转化为技术创新。例如，雷达模仿蝙蝠回声定位。  4.★类比思维（在仿生中的应用）：通过发现和比较生物特征与人造物或技术问题之间在功能或原理上的相似性，从而获得设计灵感的思维过程。例如，发现蒲公英种子轻飘飘降落与降落伞减速功能的相似性。  5.观察记录方法：进行科学观察时，使用表格等工具，有目的、有顺序地记录“现象（做了什么）”和“推断（可能为什么）”，能使观察更系统、更深入。  6.▲经典仿生实例（拓展认知）：  蜂巢蜂窝材料：模仿蜂巢六边形结构，制造出质轻、强度高、隔音隔热好的新型材料，用于航天、建筑。  猪嘴防毒面具：第一次世界大战时，科学家根据野猪用泥土过滤毒气的行为，发明了内装活性炭等多层吸附材料的防毒面具。  苍耳子魔术贴：瑞士工程师乔治从苍耳子粘附衣物的小钩子得到灵感，发明了尼龙搭扣（魔术贴）。  翠鸟新干线车头：日本新干线列车改进车头，模仿翠鸟入水时阻力最小的喙部形状，解决了隧道音爆问题并降低了能耗。  7.仿生设计的基本思路（简化版）：1)明确一个需要解决的实际问题；2)寻找自然界中是否存有解决类似问题的生物方案；3)研究该生物方案的工作原理（结构、行为、材料等）；4)将该原理抽象、转化，应用于人工设计中。  8.从自然到设计的伦理思考（启蒙）：人类向自然学习进行发明创造，同时也应心怀敬畏，保护这些给予我们灵感的生物及其家园。仿生学是人与自然和谐共生的一个美好例证。八、教学反思  （一）目标达成度与环节有效性评估  本课预设的知识与能力目标基本达成。从观察记录单的填写和最终设计草图的呈现来看，大多数学生能建立起动物行为与其生存功能的初步联系，并能基于此进行有一定逻辑的仿生联想。“他们真的能从‘乌龟壳硬’想到‘安全头盔’，而不仅仅是‘做一个龟壳书包’，这说明‘功能类比’的引导起了作用。”核心任务“合作创想设计”是驱动学生综合应用新知的关键，其有效性体现在高参与度和创意多样性上。但部分小组的设计仍停留在表面模仿，反映出“结构功能”观的迁移应用对部分学生而言仍需更多练习和实例支撑。导入环节的“新编故事”成功制造了认知冲突，迅速聚焦了“行为智慧”这一主题；而巩固环节的分层训练与互动评价，则较好地关照了不同进度学生的需求，并提供了即时反馈。  （二）学生表现深度剖析与教学策略归因  课堂中，学生群体呈现出明显的分化。约三分之一的学生（多为平常观察细致、知识面广者）思维活跃，能迅速建立联系并提出多元创意，如在讨论中联想到“变色龙和迷彩服”、“啄木鸟和减震头盔”。对于他们，任务三的开放性和挑战层问题恰好满足了其探究欲。另有约一半的学生能在小组讨论和教师、同伴的脚手架支持下，跟随节奏完成概念理解和设计任务，他们是课堂的“大多数”。教学的成功在于提供了结构化的记录单、清晰的实例和小组协作的环境，降低了他们的认知负荷。“看着他们在组里从不确定地小声说到能指着草图解释，这就是支架在发挥作用。”然而，仍有少数学生显得较为被动，观察记录依赖同伴，设计贡献度低。究其原因，可能是抽象思维转换确实存在困难，或缺乏在集体中表达的信心。尽管提供了差异化记录单和个别指导，但如何在有限时间内给予他们更持续、个性化的关注，是后续需改进之处。或许可以提前安排“观察小助手”的角色给这些学生，或设计更直观的实物模型供其操作联想。  （三）后续改进计划  1.前测细化：在课前预习中，增加一个简单的小调查或口头询问，如“你觉得动物聪明吗？请举个例子。”以此更精准地把握学生对“动物智慧”的前概念水平，特别是识别那些可能持“动物没有思想”简单观点的学生，以便在课上针对性引导。2.“脚手架”的弹性化：准