基于杠杆原理的省力取物工具设计与制作-五年级综合实践活动教学设计

基于杠杆原理的省力取物工具设计与制作——五年级综合实践活动教学设计一、教学内容分析  本课隶属于小学五年级综合实践活动课程“技术与工程”领域。从《义务教育综合实践活动课程标准》出发，本课旨在引导学生经历“发现需求知识探究方案设计模型制作测试优化”的完整工程思维过程。其知识技能图谱的核心在于理解“杠杆”这一简单机械的基本原理（支点、动力、阻力），并迁移应用于解决“取拿高处或远处物品”的真实生活问题，这既是力学知识的初步应用，也是从现象观察走向原理探究的关键节点。过程方法上，本课将科学探究中的“控制变量”思想与工程设计中的“迭代优化”方法相融合，通过设计对比实验验证杠杆省力的条件，并依据测试结果改进工具原型。素养价值渗透方面，本课以“技术服务于人”为价值引领，在工具设计中培育学生的同理心（如为身高不足者考虑）与工程伦理意识，在合作制作中强化工匠精神与团队协作能力，从而将知识学习升华为解决真实问题的社会责任感与创新实践能力。  学情诊断显示，五年级学生对于“撬动”现象有丰富的生活经验，但普遍停留在感性认知层面，对“为何省力”、“如何更省力”缺乏科学原理的支撑。可能存在的认知误区包括：认为所有杠杆都省力，或混淆力的大小与移动距离的关系。基于此，教学对策将遵循“具象抽象再具象”的认知路径：首先激活学生已有经验，继而通过结构化探究活动引导其发现规律、建构概念，最终将抽象原理应用于具象的设计任务。在教学过程中，将通过“探究任务单”的分层问题设置、小组合作中的角色分工（如记录员、操作员、汇报员）以及教师巡视时的针对性提问，动态评估不同学生的概念建构水平与思维深度，并为有困难的学生提供“原理提示卡”或简化版实验器材，为学有余力者提出“效率与便利性如何权衡”等进阶挑战。二、教学目标  知识目标：学生能够准确识别杠杆结构中的支点、动力点和阻力点，并用自己的语言解释杠杆省力的基本原理（当动力臂长于阻力臂时省力）；能列举至少两种生活中应用杠杆原理的取物工具实例，并分析其力臂关系。  能力目标：学生能够以小组为单位，遵循明确的设计要求，绘制取物工具的设计草图，并利用给定材料合作制作出可工作的物理原型；能够设计简单的对比实验，通过操作自制杠杆模型，有控制地验证动力臂长度对省力效果的影响，并规范记录实验数据。  情感态度与价值观目标：在小组协作中，学生能主动承担个人责任，耐心倾听同伴意见，并在方案冲突时尝试协商解决；通过对工具使用场景的讨论，体会到技术设计应蕴含人文关怀，初步形成“为需求而设计”的责任意识。  科学思维目标：重点发展学生的模型建构与推理论证思维。能够将复杂的取物工具抽象简化为杠杆模型进行分析；能够基于实验观察到的现象和数据，进行“如果…那么…”的逻辑推理，归纳出省力条件，并运用此原理论证自身设计方案的合理性。  评价与元认知目标：学生能够依据“稳固、省力、实用”三项基本评价量规，对他组设计的工具原型进行客观评价，并提出一条改进建议；能在活动结束后，通过“反思便利贴”简要回顾自己“最成功的做法”与“遇到的最大挑战”，初步养成反思学习过程的习惯。三、教学重点与难点  教学重点：理解杠杆省力的条件（动力臂>阻力臂），并能将此原理应用于取物工具的设计构思中。其确立依据在于，该原理是本课所涉工程技术问题的核心科学支撑，是连接现象观察与方案设计的理论桥梁。掌握这一原理，学生方能从盲目的“试错”制作转向有理有据的“设计”，从而实现从经验到科学的思维跨越，这亦是课程标准中“探究与创新”素养的关键体现。  教学难点：一是将抽象的杠杆原理与具体、多变的取物工具结构建立准确联系；二是在设计制作中综合考虑省力、结构稳固、使用便利等多重约束条件。难点成因在于，学生空间想象与系统思维尚在发展初期，易拘泥于工具外观而忽略力学结构本质，且在有限时间内平衡多项设计指标存在挑战。预设通过提供多种实物工具（如夹子、起钉器）进行拆解分析，搭建从具象到抽象的“脚手架”；通过设计任务书的明确分项要求，引导学生有序思考，逐步突破难点。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含生活情境视频、杠杆原理动画）；实物投影仪。1.2实验与制作材料：杠杆尺、钩码盒若干套；长尾夹、镊子、食品夹、开瓶器等常见杠杆工具；学生制作材料包（含不同长度的木条/塑料杆、转轴、绳子、胶带、挂钩、小篮子等）。1.3文本资料：分层探究任务单、设计规划书、课堂评价量表。2.学生准备2.1知识预备：观察生活中“取拿”物品的不便之处或有巧思的工具。2.2物品携带：常规文具；鼓励携带自己感兴趣的简易取物工具。3.环境布置3.1座位安排：46人异质分组围坐，便于合作探究与制作。3.2板书记划：预留“原理区”、“设计区”与“问题区”。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：（播放短片：值日生踮脚擦高处的黑板很费力，图书管理员用带钩的长杆取顶层书籍很轻松，老人弯腰捡东西很困难。）“同学们，短片里的人们都在‘取拿’物品，感受却大不相同。这是为什么呢？那个长杆子有什么魔力？”1.1提出核心问题：“看来，借助合适的工具，能让‘取’和‘拿’这件事变得省力又方便。那么，这些工具背后藏着什么共同的科学秘密？我们能否像工程师一样，自己设计制作一个解决特定取物难题的‘省力助手’呢？”1.2明晰学习路径：“今天，我们就化身小小工程师，先揭开省力的科学面纱（探究原理），再动手创造我们自己的工具（设计制作）。大家准备好接受挑战了吗？”第二、新授环节任务一：观察与初探——寻找工具的“发力秘密”教师活动：分发长尾夹、镊子、食品夹等工具。“请大家动手玩一玩这些工具，重点感受一下：你是从哪里施力的？工具哪个点在工作？哪个点看起来像是不动的‘司令官’？试着在任务单的简图上标出你认为的这三个点。”巡视各组，用问题引导：“用手捏的地方是？夹住东西的地方是？整个工具绕着转动的中心是？”学生活动：分组操作并观察工具，尝试找出施力点、工作点和转动中心，并在示意图上进行标注。组内讨论：“这些工具的工作方式有什么相似之处？”即时评价标准：1.能否通过操作准确指出工具的转动中心（支点）。2.能否在讨论中用“这里用力”、“这里干活”等生活化语言初步区分动力点和阻力点。形成知识、思维、方法清单：★杠杆结构三要素：支点、动力作用点、阻力作用点。这是分析所有杠杆类工具的起点。▲生活化类比：支点就像跷跷板中间的支撑架，是杠杆转动的“轴心”。方法提示：在观察不明确定转动中心的工具时，可以模拟其工作动作，手指轻压寻找其相对不动的点。任务二：建模与探究——揭秘“省力”的条件教师活动：“刚才我们找到了工具身上的‘三点’，现在用更标准的杠杆尺来研究。请看，现在动力臂和阻力臂等长，挂上相同钩码，什么状态？”“对，平衡。那如果我们想让这边（动力臂）更省力，可以怎么做？大家先猜想，再用实验验证。”提供分层提示卡：A卡（基础）：尝试改变钩码数量；B卡（进阶）：尝试改变钩码悬挂的位置。学生活动：小组利用杠杆尺和钩码进行实验探究，尝试通过改变动力臂、阻力臂的长度或动力大小，使杠杆在省力状态下平衡。记录不同组合下的实验现象。即时评价标准：1.实验操作是否规范（平稳悬挂钩码）。2.是否能记录至少两种实现省力平衡的方案。3.讨论中是否能用“这边变长了”、“这边挂少了”等语言描述变量关系。形成知识、思维、方法清单：★核心原理（省力条件）：当动力臂长度大于阻力臂长度时，可以省力。★概念辨析：省力不省“功”，动力移动的距离通常会比阻力移动的距离大。▲控制变量思想：研究力臂对省力效果的影响时，应保持阻力不变，这是科学探究的重要方法。思维提示：“为什么用螺丝刀撬瓶盖时，手握得越靠后越省力？”——这本质就是增长了动力臂。任务三：原理应用与分析——解构生活中的杠杆教师活动：“原理我们发现了，现在请大家当一回‘原理侦探’。”展示图片（剪刀、核桃夹、船桨、钓鱼竿）。“这些工具都是杠杆吗？如果是，请分析它是省力、费力还是等臂杠杆？并说明判断依据。”组织小组竞赛，要求结合实物或图片，指出三要素并判断杠杆类型。学生活动：分组讨论，应用刚学的原理分析各类工具。争议点可能在钓鱼竿（费力杠杆）上，需通过模拟比划力臂来理解。各组派代表陈述分析结论与理由。即时评价标准：1.分析判断是否有明确的原理依据（比较力臂长短）。2.能否清晰地指出所分析工具的三要素位置。形成知识、思维、方法清单：★杠杆类型判断：比较动力臂与阻力臂的长短是关键。★费力杠杆的价值：虽然费力，但可以节省距离、加快速度或改变用力方向（如钓鱼竿、镊子）。▲技术的人文性：工具设计是科学原理与人类需求的结合，没有最好，只有最适合。教学点睛：“大家看，核桃夹为了省力，动力臂做得很长；而镊子为了能精细操作，做成了费力杠杆。工具的设计，首先是为了解决特定的问题。”任务四：需求定义与方案构思——我们的设计挑战教师活动：发布“设计挑战书”：“请为以下任一场景设计制作一个省力取物工具：1.帮助坐轮椅的同学从高书架取书；2.帮奶奶不弯腰捡起地上的物品；3.从窗户安全地取回掉落在雨棚上的球。工具必须运用杠杆原理。”引导小组讨论确定设计场景，并运用“设计规划书”梳理：要解决的核心问题、使用者是谁、工具大致形状、如何体现省力原理（标出预估的三点两臂）。学生活动：小组选定设计场景，进行头脑风暴。明确需求后，合作绘制设计草图，并在图上标注出预想的支点、动力点和阻力点，讨论如何确保动力臂足够长。即时评价标准：1.设计方案是否紧密围绕选定场景的特定需求。2.设计草图上是否能有意识地标识出杠杆三要素，并体现出对省力条件的考虑。形成知识、思维、方法清单：★工程设计起点：明确并理解用户需求是设计的首要步骤。★从原理到结构：将抽象的杠杆三要素转化为具体工具的结构部件（如长杆作力臂，转轴作支点）。▲设计约束：除了省力，还需考虑材料、安全性、易用性等现实约束。鼓励话语：“大家的草图可能不那么漂亮，但清晰的思路比漂亮的图画更重要。关键是想明白你的工具怎么实现省力。”任务五：原型制作与初步测试——将想法变为现实教师活动：分发材料包，强调安全与合作。“现在是动手时间！请根据你们的设计图，选择合适的材料进行制作。制作过程中可以随时调整优化你们的方案。制作完成后，请先组内测试一下基本功能。”巡回指导，重点关注学生对支点固定的稳定性处理、力臂长度的实现，以及是否出现原理性错误。学生活动：小组分工合作，根据设计图选择材料，进行裁剪、组装、固定，制作出取物工具的原型。完成后在组内进行取物模拟测试，观察是否省力、是否稳固。即时评价标准：1.制作过程是否有合理分工与协作。2.成品是否基本实现设计功能，结构是否相对稳固。3.能否在测试中描述其省力效果。形成知识、思维、方法清单：★工程实践：设计图与实物制作之间常需调整，这是一个动态迭代的过程。★结构与功能：结构的稳定性（如支点牢固）直接决定功能的实现。▲迭代意识：测试不是为了证明完美，而是为了发现问题以便改进。课堂互动：“哎，我发现这个小组的支点用了两颗螺丝固定，真牢固！大家觉得他们为什么这么做？”第三、当堂巩固训练  基础层（全员参与）：各小组轮流展示本组的工具原型，并派一名代表进行1分钟介绍，需阐明：①设计用途；②杠杆三要素在工具上的体现；③如何实现省力。  综合层（小组互评）：使用教师提供的评价量表（包含“原理应用”、“实用性”、“结构稳固”、“创意”等维度），以小组为单位对其他至少一个小组的作品进行书面评价，并提出一条建设性改进建议。“请大家不仅看热闹，更要学会用我们今天的知识从专业角度看一看门道。”  挑战层（选择性拓展）：引导部分提前完成或思维活跃的小组思考：“你们的工具在省力的同时，有没有牺牲其他方面（如便携性、操作速度）？如果想让工具既能省力又能快速取物，可能的方向是什么？”启发他们思考复合杠杆或与其他简单机械（如滑轮）结合的初步想法。  反馈机制：教师根据小组展示和互评情况，进行集中点评。选取一个在原理应用上特别清晰的案例和一个在结构上有待改进的案例进行对比分析，强化原理核心地位。将互评建议汇总后反馈给各小组，作为课后优化的依据。第四、课堂小结  知识整合：“同学们，今天我们完成了一次从科学家到工程师的旅程。谁能用一句话概括，我们收获的最重要的科学原理是什么？”“对，动力臂大于阻力臂能省力。我们又怎样运用这个原理的呢？”“是的，把它变成了解决实际问题的创意工具。”  方法提炼：引导学生回顾流程：“我们发现需求探究原理设计方案动手制作测试评价。这其实就是工程师解决问题的基本思路。下次你遇到生活难题时，不妨也试试这个思路。”  作业布置：必做作业：1.修改完善本组的设计图与作品，根据课堂互评建议，思考优化方向。2.在家中寻找至少3种应用了杠杆原理的工具，并判断其类型。选做作业（二选一）：1.为你优化的取物工具设计一个简单的广告语，突出其核心优点。2.尝试用其他材料（如废旧物品）制作一个不同功能的省力杠杆小工具。六、作业设计基础性作业：  1.原理巩固：绘制杠杆示意图，标注出支点、动力作用点、阻力作用点，并写出省力杠杆的条件。  2.生活观察员：在家中或社区里，寻找并拍摄（或画出）3种不同的杠杆工具，在作业本上简要说明每种工具的用途，并判断它属于省力、费力还是等臂杠杆。拓展性作业：  “优化大师”报告：基于课堂上小组互评的建议，与你的组员讨论（可通过线上方式），撰写一份简短的优化方案。内容包括：①我们工具的优点；②收到的主要建议；③我们计划如何改进（可以文字描述或画修改草图）；④改进预计能带来什么效果。探究性/创造性作业：  未来工具设计师：想象一下，10年后人们取拿物品可能会有哪些新需求（例如，在太空微重力环境下、为老年人设计的智能取物器等）？请你运用杠杆原理，结合你的想象，绘制一个“未来取物工具”的概念设计图，并用一段文字描述它的创新之处和如何工作。七、本节知识清单及拓展★杠杆：在力的作用下能绕着一个固定点（支点）转动的硬棒。它是一种最基本的简单机械。★杠杆三要素：支点（O）、动力作用点（F1）、阻力作用点（F2）。准确识别三要素是分析任何杠杆问题的第一步。★动力臂与阻力臂：从支点到动力作用线的距离叫动力臂（L1），从支点到阻力作用线的距离叫阻力臂（L2）。注意，“距离”是垂线距离，这是理解的关键。★核心原理（杠杆平衡条件）：动力×动力臂=阻力×阻力臂（F1×L1=F2×L2）。由此可推导：当L1>L2时，F1<F2，为省力杠杆，但动力移动距离大于阻力移动距离。★省力杠杆实例：指甲剪（手按部分）、钢丝钳、撬棍、开瓶器等。特点：动力臂长，用较小的力可克服较大的阻力。★费力杠杆实例：镊子、钓鱼竿、筷子、人的前臂。特点：动力臂短于阻力臂，虽然费力，但可以节省距离、放大动作或改变用力方向。★等臂杠杆实例：天平、跷跷板（两人体重相同时）。特点：既不省力也不费力。▲杠杆原理中的“权衡”：省力杠杆通常牺牲距离和速度，费力杠杆则用增大力的代价换取距离和速度的优势。工具设计是特定需求下的最优选择。▲从工具中抽象模型：分析复杂工具时，可忽略次要形状，将其简化为绕支点转动的杆，从而聚焦力学本质。▲工程设计流程（简化版）：定义问题（需求）→调查研究→产生创意→方案设计→原型制作→测试评估→改进优化。本课体验了该流程的核心环节。▲结构稳定性：对于杠杆工具，支点的牢固性是功能实现的基础。在制作中，转轴的固定方式是关键工艺点。▲技术伦理启蒙：设计应充分考虑使用者（如残疾人、老人）的实际情况，技术应蕴含人文关怀与公平理念。（课堂用语示例：“找支点时，想想它在工作时真的‘不动’吗？”；“看，这个夹子，手捏的地方到支点这么长（比划），这就是它省力的秘密！”）八、教学反思一、教学目标达成度分析  本课预设的知识与能力目标基本达成。通过探究任务单反馈和原型展示环节观察，约80%的学生能准确指出自制工具上的杠杆三要素，并解释其省力设计；在小组协作下，所有小组均完成了具备基本功能的作品。能力目标中，“设计对比实验”因课堂时间限制，部分小组未能深入，更多是在教师引导下完成验证，此为部分达成。情感与价值观目标在小组合作和需求讨论中体现明显，学生表现出较高的参与热情和对“为需要的人设计”的认同感。（一）核心环节有效性评估  “任务二：建模与探究”是概念建构的枢纽。采用分层提示卡，有效支持了不同认知水平的学生切入探究。但巡视中发现，部分学生仍停留在“多挂钩码”来平衡的层面，对“力臂”这一核心变量的主动探究意识不足。下次可增加一个前置活动：用笔在杠杆尺上标记不同距离的点，让学生直观感受“位置”这个变量，再引入“力臂”概念。“任务四：需求定义与方案构思”是连接科学与工程的桥梁，学生兴趣浓厚。但部分小组在构思时天马行空，忽略了材料与时间的约束，导致“任务五”的制作环节出现困难。未来需在“设计规划书”中强化“可行性”自查条目。（二）学生表现的差异化剖析  在异质分组中，不同特质学生的优势得以发挥：善于动手的学生在制作环节大显身手；善于表达的学生在汇报环节条理清晰；而逻辑思维强的学生在原理分析和方案论证中扮演了“军师”角色。