小学三年级下册综合实践活动《纸牌工程挑战：结构设计与稳定性探究》教案

小学三年级下册综合实践活动《纸牌工程挑战：结构设计与稳定性探究》教案

一、教学理念与设计思路

（一）学科定位与核心素养指向

本节课是小学三年级下册综合实践活动课程中的设计与制作类主题活动。本设计严格遵循《中小学综合实践活动课程指导纲要》精神，以项目式学习（PBL）为基本范式，深度融合科学、技术、工程与数学（STEM）教育理念。活动旨在引导学生经历“明确问题—设计方案—制作测试—评估改进”的完整工程思维过程，培养学生动手实践、创新设计与协作探究的核心素养。

（二）设计思路

活动以“用扑克牌搭建稳定高塔”这一富有挑战性的任务驱动，将抽象的力学原理（如重心、承重、结构稳定性）转化为直观可操作的探究活动。通过递进式的挑战任务设计，引导学生从无意识尝试走向有目的的设计，从个体经验走向团队协作与科学反思。整个教学设计体现了“做中学”、“思中创”的综合实践课程本质，强调过程性体验与形成性评价。

二、教学背景分析

（一）学情分析

三年级学生处于具体运算阶段向形式运算阶段过渡期，其认知特点是：

1.已有经验：具备基本的折叠、拼插等手工技能；对“高”和“稳”有感性认识；有一定的合作游戏经验。

2.认知起点：对三角形、四边形等基本图形有初步认识；具备简单的比较、测量能力；但将几何形状与结构稳定性相联系的能力较弱。

3.心理特征：好奇心强，乐于动手尝试，但持久性和目的性有待加强；团队协作中易出现分歧，需要明确的角色分工与合作策略指导。

4.潜在困难：在失败后容易气馁；难以系统分析失败原因并据此改进方案。

（二）教学内容与资源分析

1.核心知识/技能载体：扑克牌。其材质（纸质）、尺寸（标准）、特性（光滑、有一定硬度）本身即构成设计约束条件，是引发学生思考材料特性与结构关系的天然媒介。

2.关键概念渗透：稳定性、承重结构、重心、对称性、摩擦力、三角形稳定性原理。

3.资源准备：

1.4.学生材料：扑克牌（每组2副，共108张）、直尺、记录单、平板电脑（用于拍照记录过程）。

2.5.教师材料：多媒体课件（展示著名高塔建筑、各类结构示意图）、示范模型（几种基础结构单元）、评价量表、计时器。

3.6.环境布置：教室桌椅分组排列，确保每组有足够操作平面；预留作品展示与测试区。

三、教学目标

（一）价值体认

在挑战与协作中感受工程设计的乐趣与严谨，体会耐心、细致、坚持品质的重要性，初步建立通过理性设计与不断优化来解决问题的信念。

（二）责任担当

在小组内承担明确角色（如设计师、建造师、测试员、记录员），履行各自职责，学会倾听、表达与妥协，共同为团队目标负责。

（三）问题解决

1.能根据任务要求（搭高且稳），提出初步的搭建构想。

2.能在搭建过程中，发现并尝试解决结构不稳、容易倾倒等实际问题。

3.能通过观察、比较、测试，归纳出影响纸牌塔稳定性的关键因素（如底部面积、结构对称、重心位置、连接方式等）。

（四）创意物化

1.能运用折叠、插接、组合等多种方法处理纸牌，构建不同的结构单元（如立柱、三角支架、平面基座）。

2.能设计并制作出具有一定高度并能承受一定干扰（如风吹测试、轻度桌面晃动）的纸牌塔模型。

3.能用语言、图示简要说明自己作品的设计思路与特点。

四、教学重难点

1.教学重点：引导学生在动手搭建过程中，有意识地探索并应用增强结构稳定性的方法。

2.教学难点：帮助学生将实践中的感性经验上升为初步的结构设计原理认知，并能用此指导设计的迭代优化。

五、教学过程实施（共计2课时，80分钟）

第一课时：启航·设计与初建（40分钟）

环节一：情境导入，明确挑战（5分钟）

1.视觉冲击：播放埃菲尔铁塔、广州塔、应县木塔等中外著名高塔图片，提问：“这些建筑为什么能建得这么高又屹立不倒？”

2.挑战发布：出示扑克牌，宣布“纸牌工程挑战赛”任务。

核心任务：以小组为单位，在20分钟内，仅用54张扑克牌，搭建一座尽可能高的“塔”。最终高度以垂直测量为准，且必须在不触碰的情况下，独立稳定站立10秒钟以上。

3.明确标准与约束：共同解读任务要求，强调“稳定”与“高度”两个核心指标，以及材料数量的限制。出示《工程挑战记录单》，说明记录要求。

环节二：探究讨论，初步设计（10分钟）

1.个体思考与草图绘制：每人1分钟静思，在记录单上画出自己的第一想法（草图）。

2.小组头脑风暴与方案决策：

1.3.组内分享各自草图，阐述想法。

2.4.教师提供“思维支架”提问引导：“怎样让底部更稳？”“一层搭宽一点好还是窄一点好？”“牌和牌之间怎么连接更牢固？”“如果遇到晃动怎么办？”

3.5.小组整合意见，确定一个首选共建方案，并推选角色（设计师1名，负责整体把控；建造师2名，负责主要搭建；测试记录员1名，负责测量、记录问题与拍摄）。

6.技术点拨（微型讲座）：教师利用课件和简单模型，介绍三种基础结构单元：

1.7.“V”型或“A”型立柱（将牌对折形成）：强度高，适合做支撑。

2.8.三角框架（三张牌相互依靠）：最稳定的平面结构。

3.9.平面网格底座（多张牌平铺交错）：增大底面积，分散压力。

（注：只做展示和原理简述，不规定必须使用，旨在打开思路。）

环节三：初次建造与过程观察（20分钟）

1.建造开始：各小组根据选定方案开始搭建。教师巡回指导，策略如下：

1.2.观察性提问：“你们现在搭的部分是塔的哪个部位？为什么选择这种方法？”“刚才倒了一次，你们觉得可能是什么原因？”“看看旁边组的底座，和你们的有什么不同？”

2.3.针对性支持：对陷入混乱或气馁的小组，帮助其暂停，回顾最初方案，分析当前主要问题。

3.4.鼓励记录：提醒测试记录员及时记录搭建过程中的“成功时刻”和“故障分析”。

5.中期暂停（第10分钟）：全体暂停1分钟。邀请两个有代表性（一个进展顺利，一个遇到困难）的小组简要分享现状与思考。强调“在工程中，暂停评估和调整计划是正常且重要的环节。”

环节四：整理与预告（5分钟）

1.安全存放：各小组将未完成的作品做好标记，小心移至展示区指定位置。

2.课后思考：布置思考题——“回顾今天的搭建，你认为让纸牌塔更高的最大阻碍是什么？让塔更稳的关键又是什么？回家可以查阅关于‘结构’的资料。”

第二课时：竞合·优化与评价（40分钟）

环节一：回顾反思，优化再设计（10分钟）

1.观察与反思：各小组观察自己及其他组第一课时的作品现状（有些可能已倒塌），结合课后思考，进行组内讨论。

2.优化方案制定：基于反思，小组决定是继续完善原作品，还是推翻重来。在记录单的“优化设计图”区域绘制修改方案，并简要写明优化理由（如：“我们决定加宽底座，因为上次倒是因为头重脚轻”）。

3.材料调整：宣布本期可使用全部108张牌，鼓励大胆尝试。

环节二：优化建造与极限测试（20分钟）

1.深度建造：各小组实施优化方案。教师指导重点转向促进深度学习：

1.2.引导对比实验：“你们用了两种方法做柱子，哪种感觉更结实？能不能设计个小实验比一比？”

2.3.鼓励跨组学习：“第三组的三角形支架用得很有特点，可以去友好地‘技术侦察’一下。”

3.4.渗透工程思想：“你们现在是在做‘原型测试’，每一次修改都让设计更接近成功。”

5.终极测试与数据记录（最后5分钟）：

1.6.高度测量：使用直尺垂直测量塔尖到桌面的距离，由记录员填写。

2.7.稳定性测试：通过“扇风测试”（用硬皮书在距塔30cm处扇风3下）和“载重测试”（在塔顶轻放一枚硬币，保持5秒）进行分级挑战。记录测试结果。

环节三：成果展评与概念升华（10分钟）

1.工程发布会：每个小组派1-2名代表，携作品（或照片）进行90秒介绍。需说明：塔高、设计亮点、遇到的最大挑战及解决方法。

2.互动提问与点评：其他小组和教师可进行提问。教师点评紧扣结构原理，将学生的感性语言转化为学科术语：

1.3.当学生说“底下大一点不容易倒”，肯定其并指出“这实际上是增大了底面积，降低了重心”。

2.4.当学生说“几张牌互相靠着站得稳”，引出“三角形结构具有天然的稳定性”。

5.评选与表彰：设立多元奖项：“至高荣誉奖”（最高）、“稳如泰山奖”（最稳）、“巧夺天工奖”（设计最巧）、“精益求精奖”（改进最大）。强调每个奖项的价值。

6.总结延伸：

1.7.展示世界级扑克牌建筑图片，让学生感受创意的无限。

2.8.总结关键收获：“今天，我们像真正的工程师一样，经历了设计、建造、测试、改进的完整过程。我们发现，好的建筑不仅是材料的堆积，更是科学智慧的结构设计。”

3.9.延伸思考：“如果换用更软或更小的纸片，我们的设计策略要做哪些改变？”（将探究引向材料特性与结构的关系）

六、教学评价设计

采用表现性评价与发展性评价相结合的方式，贯穿活动始终。

1.《纸牌塔工程挑战记录单》（过程性评价）：

1.2.个人草图（考察参与度与初始想法）

2.3.小组设计方案图（考察合作与规划能力）

3.4.“我们的挑战与对策”记录栏（考察问题发现与解决能力）

4.5.优化设计图及理由（考察反思与迭代能力）

5.6.最终测试数据（考察目标达成度）

7.课堂观察评价表（教师用）：

1.8.合作性：能否积极参与讨论，履行角色职责，友好解决分歧。

2.9.探究性：是否主动尝试不同方法，乐于测试并观察结果。

3.10.坚韧性：面对失败时的态度，是否愿意尝试改进。

4.11.创造性：结构设计是否具有独特、合理的创意。

12.成果展评（终结性评价）：

1.13.通过工程发布会评价学生的表达、逻辑与成果质量。

2.14.多元奖项评选，肯定不同维度的努力与成就。

七、教学反思与特色

本教案的核心特色在于将一项常见的游戏活动，系统化、学术化地提升为一个完整的微型工程项目。其成功实施的关键在于：

1.真实的工程情境：有限材料、明确目标、真实约束，营造了真实的工程挑战氛围。

2.思维的可视化：通过草图、记录单、阶段性分享，迫使学生