初中科学七年级下册《力与空间探索》单元教学设计（牛津上海版·五四学制）

初中科学七年级下册《力与空间探索》单元教学设计（牛津上海版·五四学制）

一、单元设计理念与背景

本设计基于“双新”背景下素养导向的单元整体教学理念，以牛津上海版（五四学制）科学七年级下册第十二章“宇宙与空间探索”中的第二节“力与空间探索”为核心内容，进行深度整合与重构。本设计打破传统课时中知识点孤立的现状，围绕“如何利用力学原理实现并保障人类的空间探索活动”这一单元核心驱动性问题，构建“知-探-用”一体化的学习路径。设计中深度融合项目化学习与跨学科实践，将抽象的力学概念（重力、摩擦力、反作用力）置于真实的航天工程情境中，引导学生像工程师和科学家一样思考，在解决具体问题（如设计返回舱减速装置、分析火箭发射过程）的过程中，自主建构知识、发展科学思维、提升探究实践能力，并内化科学态度与责任，特别是感悟中国航天精神。

二、单元教学目标设计

（一）科学观念（【基础】【重要】）

1、通过观察与实验，认识重力是由于地球（或其他天体）的吸引而使物体受到的力，理解重力的方向是竖直向下的，并知道其大小与质量成正比（G=mg）。

2、通过体验与分析，认识摩擦力是阻碍相对运动的力，理解压力大小和接触面粗糙程度对滑动摩擦力大小的影响，了解流线型、气垫、滚珠轴承等减小摩擦力的方法及其在航天工程中的应用。

3、通过火箭模型与情境分析，理解力的作用是相互的，能运用反作用力解释火箭的推进原理。

4、建立力与运动的初步联系，知道力可以改变物体的运动状态，为后续牛顿第一定律的学习奠定基础。

（二）科学思维（【非常重要】【难点】）

1、模型建构思维：能通过自制水火箭、降落伞等模型，将复杂的航天器运动抽象为简单的力学模型进行分析。

2、推理论证思维：能在探究“影响摩擦力大小因素”和“重力与质量关系”的实验中，基于收集的数据（如弹簧伸长量、测力计示数），运用比较、归纳、概括的方法，得出科学结论，并能用证据支持自己的观点。

3、创新思维：在“改进降落伞设计”或“优化水火箭发射”的工程任务中，能针对测试中发现的问题（如开伞失败、下落过快、火箭偏航），提出创造性的解决方案，并进行迭代优化。

（三）探究实践（【重要】【高频考点】）

1、实验操作技能：规范使用弹簧测力计测量力的大小，能准确读取数据；能根据探究问题，设计简单的实验方案（如控制变量法探究摩擦力），并独立完成实验操作。

2、工程实践能力：经历“设计-制作-测试-评估-改进”的典型工程实践流程，完成“简易降落伞”或“水火箭”的制作与发射任务，形成初步的技术与工程素养。

3、合作交流能力：在小组合作中有效分工，能清晰、准确地表达自己的设计思路和实验结论，对他人的观点进行合理质疑与评价。

（四）态度责任（【热点】）

1、通过了解万户飞天的传说、中国载人航天“三步走”战略、嫦娥探月、天问探火等伟大成就，增强民族自豪感和爱国情怀，认同“自力更生、勇攀高峰”的航天精神。

2、在探究实践中，养成严谨认真、实事求是的科学态度，乐于在团队中协作，勇于面对失败并进行反思。

3、辩证地看待科学技术的双刃剑效应，如关注空间碎片（太空垃圾）问题，萌发对人类未来可持续发展的责任感。

三、教学重难点分析

1、【重点】重力的概念、方向及大小测量；影响滑动摩擦力大小的因素；力的相互作用原理及其在火箭推进中的应用；规范使用弹簧测力计进行实验探究。

2、【难点】理解“失重”状态并非重力消失，而是重力全部用来提供向心力或处于自由落体状态的表现；在真实情境（如航天器对接、返回舱着陆）中，综合运用多种力学知识进行系统分析和问题解决；在工程设计中，权衡性能、成本、安全等多重因素，实现“最优解”。

四、单元教学准备

1、实验器材：铁架台、弹簧、钩码（若干）、弹簧测力计（5N，多种量程）、木板、毛巾、棉布、玻璃板、小车、木块、砝码、气球、2L塑料饮料瓶（学生自备）、打气筒、发射架、降落伞材料（塑料袋、细线、胶带、剪刀、各种重物）、Phyphox（手机物理工坊）软件。

2、教学资源：中国空间站“天和”核心舱发射及对接视频、嫦娥五号/六号月面采样动画、天问一号降落过程模拟动画、神舟飞船返回舱着陆视频、各类航天器图片、多媒体课件、学习任务单。

五、教学实施过程（【核心环节，占绝大部分篇幅】）

本单元总课时建议为3课时，具体实施过程整合如下：

第一课时：从地面出发——重力与摩擦力初探

（一）情境创设：跨越400公里的引力

（播放视频：从神舟飞船看地球，航天员在舱内飘浮的画面。）

【师】同学们，刚才大家看到的是距地面约400公里的中国空间站。画面里的航天员为什么可以自由地飘浮？他们是否完全不受地球引力了？而我们的飞船和火箭，又是如何克服地球引力，将重达几十吨的空间站组件送入太空的呢？要解答这些问题，我们必须从一种最熟悉、最基本的力说起——这就是重力。

【设计意图】用震撼且具有认知冲突的画面导入，迅速聚焦核心概念“重力”，激发探究欲望，并引出本单元的核心驱动性问题。

（二）概念建构：重力的奥秘（【基础】【重要】）

1、重力的产生

【师】请大家回忆，当你跳起来，无论跳多高，最终总会落回地面；抛出去的粉笔，最终也会下落。是什么力量把它们拉回来的？

【生】地球的吸引力。

【师】非常准确。【非常重要】我们把由于地球的吸引而使物体受到的力，叫做重力。通常用字母G表示。从这个定义我们可以知道，重力的施力物体是地球。

【活动】用手托起一个钩码，感受它的“重量”；松手，钩码下落。再次确认重力的存在和效果——没有支持的物体会下落。

2、重力的方向

【师】重力不仅有大小，还有方向。请观察老师手中的重垂线（用细线悬挂一个重物），它静止时，细线的方向指向哪里？

【生】竖直向下。

【师】这就是重力的方向——【重要】总是竖直向下的。注意，是“竖直向下”而不是“垂直向下”。垂直指向的是与某个平面呈90度，而竖直向下特指指向地心的方向。

【应用】请大家利用桌上的重垂线和三角板，检查一下你的桌面是否水平？你是如何判断的？

【生】动手操作，将重垂线靠在三角板的竖直边上，观察重垂线与三角板另一直角边是否平行。

【设计意图】将抽象的概念与直观的生活现象、动手体验相结合，深化对重力方向的理解，并立即应用于解决实际问题，体现知识的价值。

3、重力的大小——探究之旅（【非常重要】【高频考点】【难点】）

【师】不同物体受到的重力大小一样吗？你觉得它可能和什么有关？

【生】质量、材料、形状……

【师】大家提出了假设。科学需要用数据说话。今天我们就来重点探究重力与质量的关系。请看桌上的器材：弹簧测力计、不同数量的钩码（每个钩码质量为50g）。请大家以小组为单位，设计实验。

【探究活动1：探究重力大小与质量的关系】

（1）认识器材：观察弹簧测力计的量程、分度值，学会如何调零。强调【非常重要】使用时必须沿轴线方向拉，且所测力不能超过量程。

（2）实验步骤：小组讨论并制定方案——依次将1个、2个、3个……钩码挂在弹簧测力计下，分别读出静止时的示数，即为其重力。将质量m和重力G记录在表格中。

（3）数据收集与分析：学生动手实验，教师巡视指导，纠正不规范操作（如视线未与指针齐平、读数不估读等）。

（4）结论得出：引导学生观察数据，计算G/m的比值。会发现，在误差范围内，这个比值几乎是恒定的。

【师】大家发现，G/m是一个常数，大约是9.8N/kg。这说明了什么？

【生】物体所受的重力大小与它的质量成正比。

【师】完全正确！【重要】如果用g表示这个比值，我们就可以得到一个非常重要的公式：G=mg。其中g=9.8N/kg，它表示质量为1kg的物体，在地球表面附近受到的重力约为9.8N。在粗略计算时，g可以取10N/kg。

【拓展】将这个结论与航天情境结合。师：如果一个航天员在地球上的质量是70kg，他在地球上受到的重力是多少？当他到达空间站后，质量变了吗？他受到的地球引力还存在吗？这引出了下一课时的悬念。

（三）延伸思考：无处不在的阻力——摩擦力初探

【师】刚才我们研究了拉着物体下落的力。现在请大家看一段视频（播放神舟飞船返回舱穿越大气层、最后打开降落伞的画面）。返回舱从高空高速下落，最后安全着陆，除了重力，还有谁在帮助它？

【生】降落伞、空气……

【师】对，这个帮助它减速的力，就是阻力。当物体在空气或液体中运动时，会受到阻力。当两个接触的物体发生相对运动或有相对运动趋势时，也会产生阻力，这就是摩擦力。

【活动】用手掌在桌面上滑动，感受摩擦力的存在。

【师】我们将在下一节课，像研究重力一样，深入研究摩擦力这个“帮手”和“对手”。

第二课时：挣脱引力的束缚——摩擦力与反作用力

（一）温故知新：从重力到失重

【快速问答】请一位同学回答，重力的公式是什么？方向如何？

【情境辨析】师：在轨运行的中国空间站里，航天员为什么还会“飘浮”？（展示空间站绕地球飞行示意图）其实，地球对空间站和航天员的引力依然存在，大约相当于地面的90%。但他们处于一种“失重”状态。这是因为他们并不是静止在空中，而是在高速绕地球做圆周运动，地球的引力全部用来充当他们做圆周运动的“向心力”了，所以他们感觉不到自己在被向下拉。这就好比你坐过山车冲到最高点时，也会有瞬间“飘”起来的感觉。

【设计意图】及时澄清前概念中的误区，用形象的方式解释“失重”这一难点，为后续理解空间探索中的力学现象扫清障碍。

（二）探究实践：摩擦力的是与非（【重要】【热点】）

1、什么是摩擦力？

【师】请把书本平放在倾斜的木板上，它会滑下来。而把橡皮放在同样斜度的木板上，它可能就不动。为什么？

【生】因为受到了摩擦力的阻碍。

【师】当两个物体接触并发生相对运动（或有相对运动趋势）时，在接触面上产生的一种阻碍相对运动的力，就是摩擦力。

2、探究影响滑动摩擦力大小的因素（【非常重要】【高频考点】）

【驱动性问题】在神舟飞船发射时，火箭表面覆盖的泡沫材料是为什么？（隔热，也为了减少空气阻力）在飞船返回时，为什么表面会被烧得通红？（空气摩擦生热）摩擦力的大小到底和什么有关？

【探究活动2：探究影响滑动摩擦力大小的因素】

（1）提出假设：学生讨论可能因素——接触面的粗糙程度、压力大小、接触面积大小、运动速度……

（2）设计实验：【非常重要】当有多个因素时，我们用什么方法？——控制变量法。

教师引导学生重点设计如何探究“接触面粗糙程度”和“压力大小”两个因素。关键难点：如何测量摩擦力？引导学生理解，用弹簧测力计水平匀速拉动木块，此时拉力等于摩擦力（二力平衡，此为后续物理知识，此处可先作为结论给出）。

（3）分组实验：

第一组：保持压力（木块+一个砝码）不变，分别在木板、毛巾、玻璃板上匀速拉动，记录摩擦力。

第二组：保持接触面（木板）不变，改变压力（木块上不加砝码、加一个、加两个砝码），匀速拉动，记录摩擦力。

（4）数据分析与结论：学生汇报数据，共同总结——【重要】摩擦力的大小跟接触面的粗糙程度有关，接触面越粗糙，摩擦力越大；跟压力大小有关，压力越大，摩擦力越大。

（5）延伸探究（课后思考）：摩擦力跟接触面积有关吗？你如何设计实验来证明？（提示：用同一个木块，分别用平放和侧放的方式，保证压力和接触面不变，比较摩擦力。）

3、辩证看待摩擦力——航天工程中的应用

【师】了解了影响摩擦力的因素，我们再来看看工程师们是怎么处理摩擦力的。

（观看视频：火箭升空（整流罩抛脱落）、飞船返回舱打开降落伞、空间站太阳翼展开）

【师】视频中，哪些地方需要增大摩擦？哪些地方需要减小摩擦？分别用了什么方法？

【小组讨论与汇报】

生1：火箭升空时与空气的剧烈摩擦，需要利用耐高温材料和烧蚀材料来应对，这是摩擦生热，要防止它破坏箭体。

生2：返回舱打开降落伞，是巨大的空气阻力（一种摩擦力）帮助减速，这需要增大阻力（通过增大截面积）。

生3：空间站的太阳翼展开，其转轴处需要非常光滑，可能用了滚珠轴承或润滑剂，来减小机械部件之间的摩擦，确保可靠展开。

【师】非常好！可见，摩擦力既可以是帮助我们的“朋友”，也可以是消耗能量、造成磨损的“敌人”。我们的任务就是认识和利用规律，让它在不同的场合发挥恰当的作用。

（三）进阶探索：飞向太空的动力之源——反作用力（【非常重要】）

【活动体验】每个小组发一个充满气的气球，松开手，气球会怎样运动？用手感受一下喷出的气流。

【生】气球猛地向前飞去，喷气口有风。

【师】气球为什么会飞？

【生】喷出的气体给了空气一个力，空气反过来给了气球一个力。

【师】太棒了！这其实就是牛顿第三定律（力的作用是相互的）的体现。当物体A对物体B施加一个力时，物体B同时也对物体A施加一个大小相等、方向相反的力，这个力就是反作用力。

【核心知识构建】火箭的工作原理正是基于此！展示火箭结构图与原理动画。

【师】火箭燃料燃烧，产生高温高压气体，从尾部高速喷出。火箭对气体施加一个向下的巨大作用力，同时气体对火箭施加一个向上的、同样巨大的反作用力，这个力就是推动火箭腾空而起的推力。

【资料阅读与分享】阅读教材或资料中关于“万户飞天”的故事。

【师】明朝的万户陶成道，是世界上第一个利用火箭尝试飞天的人。他虽然失败了，甚至献出了生命，但这种勇于探索、为科学献身的精神，至今仍激励着我们。为了纪念他，国际天文学联合会将月球背面的一座环形山命名为“万户”。今天，从“神舟”到“嫦娥”再到“天问”，中国航天人正继承着这种精神，一步步将古人的梦想变为现实。

【设计意图】通过具身体验活动建立“反作用力”概念，再用这一原理解释火箭发射这一宏大工程，实现从生活到科学、从科学到技术的跨越。穿插航天史和爱国教育，润物无声。

第三课时：工程挑战赛——我是小小航天工程师

（一）项目发布与明确任务

【情境导入】播放一段激动人心的中国航天成就混剪视频（长征火箭发射、空间站对接、玉兔月球车、祝融火星车、嫦娥采样返回）。

【师】同学们，经过前两节课的学习，我们已经掌握了重力、摩擦力、反作用力等帮助人类探索空间的“利器”。今天，我们要来一场真正的挑战——“拯救返回舱”工程设计赛。

【任务发布】假设你是航天工程师，需要为“神舟N号”返回舱设计一套减速着陆系统（即降落伞+缓冲装置）。要求：用一个生鸡蛋模拟“航天员”，你的任务就是设计并制作一套装置，将它从3米高的地方释放，使其能够安全着陆（鸡蛋不破裂）。材料不限（提供塑料袋、细线、一次性纸杯、海绵、棉花、胶带等），但成本（材料使用量）要尽可能低。

【驱动性问题】如何设计一个既能有效减速，又能保证稳定、成本可控的返回舱减速系统？

（二）方案设计与论证

【小组活动1】

1、头脑风暴：小组内讨论设计方案。回顾力学知识：如何增大空气阻力（增大伞面、改变伞形）？如何保证稳定（伞绳长度、重心位置）？如何缓冲（用海绵包裹鸡蛋）？

2、绘制草图：在任务单上绘制出设计图，标注各部分名称、使用材料，并简要说明设计意图。

3、方案论证：小组代表向全班简要介绍设计思路，接受老师和同学的提问与建议。例如，有小组提出用多个小伞代替一个大伞，是否更稳定？教师引导学生从结构、材料、性能等方面进行初步评估。

（三）制作与测试

【小组活动2】

1、制作原型：根据设计图，领取材料，开始制作。过程中鼓励学生动手，遇到困难（如伞绳打结、伞面不开）组内讨论解决。

2、初次测试：在教室或走廊的指定区域，从3米高度（如站在椅子上）进行试放。

3、记录与归因：用秒表记录下落时间，观察降落伞的姿态，检查鸡蛋（用真鸡蛋，但可在纸杯内用软质材料模拟）是否破裂。将测试数据记录在任务单上。

【非常关键】失败是成功之母。如果鸡蛋破裂或下落过快，小组需立刻讨论归因：是伞面太小？伞绳受力不均？还是配重不合适？这引导他们主动关联本单元所学的摩擦力（空气阻力）大小与哪些因素有关。

4、迭代改进：基于归因分析，对设计进行修改。比如，换用更大的塑料袋做伞面；调整伞绳长度使其等长；在鸡蛋周围包裹更多海绵等。

（四）成果展示与评价

【终极挑战】全班进行最终测试。各小组依次从指定高度释放自己的“返回舱”。记录下每次的成败。

【评价维度】除了鸡蛋是否完好（安全着陆）这一硬指标，还设有：

1、设计创意奖：设计新颖，结构巧妙。

2、最佳分析奖：能清晰解释设计原理和迭代改进的依据，逻辑清晰。

3、精准控制奖：下落时间最长且稳定，落点准确。

4、杰出工程师奖：综合表现最佳，并能在失败中快速找到原因并进行有效修正。

【教师总结】今天大家经历的过程，和真正的航天工程师研制返回舱的过程非常相似——从