小学四年级科学《设计制作：个性化LED手环》教学设计

小学四年级科学《设计制作：个性化LED手环》教学设计一、教材与学情分析（一）教材分析本课是苏教版四年级上册“专项学习”部分的核心内容，属于技术与工程领域的实践课程。在科学课程标准（2022年版）中，本课对应“技术与工程改变了人们的生产和生活”这一核心概念，要求学生能够举例说出典型技术和工程对生活的影响，并尝试设计和制作某种产品的简化实物模型，反映其中的部分科学原理1。本册教材将工程实践细化为六个基本环节：明确问题、前期研究、设计方案、制作模型、测试改进和展示交流。这是继三年级初步接触工程实践后的螺旋式上升阶段，重点指导学生掌握“前期研究”“制作模型”和“展示交流”三个关键环节的具体方法410。通过制作LED手环这一真实任务，引导学生综合运用本单元所学的简单电路知识（如闭合回路、导体与绝缘体等），同时融入美术、数学等跨学科知识，培养学生综合运用知识与技能解决实际问题的能力。（二）学情分析【基础】四年级学生对电路已有一定的感性认识，生活中接触过许多用电器和电动玩具，知道用电器需要通电才能工作，开关可以控制电路的通断。通过本单元前三课的学习，学生已经认识了简单电路的组成元件，能够连接基本的闭合回路使小灯泡发光，了解了导体和绝缘体的概念26。这些知识为本课的工程实践奠定了坚实的基础。【难点】尽管学生具备基本的电路连接能力，但将电路知识应用到真实的产品设计中仍面临挑战：如何将平面的电路图转化为立体的可穿戴产品？如何在有限的空间内实现稳定的电路连接？如何兼顾产品的功能性（发光）与美观性（装饰）？这些都是四年级学生初次遇到的实际问题。此外，学生对工程师的工作方式了解有限，对“前期研究”“测试改进”等工程环节的意义认识不足，容易出现急于动手、忽视设计规划的情况。【兴趣点】LED手环贴近学生的生活，具有趣味性和实用性，能够激发学生的创作欲望。学生愿意为制作个性化的作品投入时间和精力，这种内在动机是完成工程实践的重要保障5。二、教学目标【科学观念】【基础】1.知道不同类型的工程师具有绘图、制作模型、运用科学数学知识、使用工具仪器等共同素养4。2.理解一个简单的电路是由电源（纽扣电池）、用电器（LED）、导线（铜箔胶带）和开关组成的闭合回路。3.知道导体（如铜箔胶带）可以让电流通过，绝缘体（如彩色胶带、布料）可以防止漏电并起保护作用。【科学思维】【重要】1.能够从真实需求出发明确工程任务，分析完成任务可能遇到的问题和限制条件。2.能够通过查阅资料、实验探究等多种方式进行前期研究，获取解决问题的思路和方法10。3.能够用设计草图呈现自己的创意，并用文字说明设计方案，体现策划性思维和构建性思维4。【探究实践】【非常重要】【高频考点】1.能够经历工程实践的六个基本环节，重点掌握前期研究、制作模型和展示交流的方法。2.能够选择合适的材料（LED、纽扣电池、铜箔胶带等），按照设计方案制作出满足发光、安全、美观要求的LED手环5。3.能够对手环进行测试，发现存在的问题并进行改进，体验产品迭代的过程。【态度责任】1.通过了解工程师的素养，激发发明创造的愿望和对工程职业的向往1。2.在小组合作中学会倾听他人意见，分享自己的发现，体会交流与合作的重要性。3.意识到技术产品要满足人的需求，设计中要考虑安全、美观、实用等因素。三、教学重难点【教学重点】【高频考点】在制作LED发光手环的完整过程中，领会前期研究、制作模型和展示交流三个环节的基本方法，能够按照工程流程完成作品的制作与改进。【教学难点】【难点】选择合适的材料连接LED电路，实现稳定可靠的闭合回路，同时对手环进行个性化装饰，兼顾功能性与美观性45。四、教学准备（一）教师准备1.教学课件：包含不同类型工程师工作场景的图片和视频、LED手环示例、电路连接示意图、制作过程指导视频等。2.演示材料：完整的LED手环样品、各种制作材料的展示板。3.评价工具：小组评价量表、作品展示台。（二）学生分组材料【重要】每组准备：发光二极管（LED）2个（红、蓝等不同颜色）、纽扣电池（3V）1个、铜箔胶带（导电胶带）若干、彩色绝缘胶带若干、彩绳/彩纸条/毛线等装饰材料、剪刀、双面胶、设计图纸记录单57。五、教学过程（一）导入新课：认识工程师的共同素养（预设7分钟）1.情境引入教师出示京张铁路、改良蒸汽机、港珠澳大桥等图片，提问：这些伟大的工程都是由谁设计和建造的？（工程师）工程师是设计产品、结构或系统来改善人们生活的人5。生活中处处都有工程师的杰作，如我们手中的手机、居住的房屋、出行的汽车等。2.探究工程师的素养教师提问：不同职业门类的工程师（如土木工程师、电子工程师、机械工程师）虽然从事的具体工作不同，但他们具有哪些共同的素养？请同学们阅读教材资料，小组讨论后分享14。学生汇报，教师提炼并板书：【重要】工程师的共同素养：（1）能绘制图纸——用图纸表达设计想法；（2）会制作产品模型——先做出样品检验效果；（3）能运用数学和科学知识解决问题——把科学原理用到产品中；（4）会使用各种工具和仪器——熟练操作专业设备；（5）懂心理学、社会学、美学——设计的作品要满足人的需求，让人喜欢用4。3.引出本课任务教师小结：工程师就是这样一群拥有综合素养的人，他们通过设计和创造来改善人们的生活。今天，我们也来当一回“小小工程师”，像工程师那样去思考和工作，完成一个有趣的项目——制作一个能发光的、有个性的LED手环57。【设计意图】在三年级认识各种类型工程师的基础上，进一步提炼工程师的共同素养，既是对前知识的深化，也为后续的工程实践提供精神引领和方法借鉴。（二）环节一：明确问题——我们做什么？（预设5分钟）1.创设真实情境教师出示各种漂亮的发光手环图片或视频：很多同学喜欢佩戴手环，还希望晚上戴时能闪闪发光。于是，各种LED发光手环应运而生14。今天，我们的任务就是运用所学的简单电路知识，亲手设计并制作一个属于自己的LED手环。2.明确任务要求教师引导学生讨论：一个好的LED手环应该满足哪些要求？学生发言后，师生共同归纳出工程要求510：【基础】工程任务：设计并制作一个LED手环。【重要】工程要求：（1）发光——手环上的LED灯能够亮起来；（2）安全——电路部分不能漏电，佩戴舒适安全；（3）美观——手环外形漂亮，有个性化的装饰；（4）耐用——结构稳固，LED不易脱落，电池方便更换。3.确认限制条件教师补充说明：我们只有两节课的时间，每组可用的材料有限（LED、纽扣电池、铜箔胶带、装饰材料等），成本控制在10元以内4。这些是我们在设计时需要考虑的限制条件。【设计意图】通过真实情境激发学生的兴趣，明确任务和具体要求，让学生知道“做什么”以及“做到什么程度算好”，为后续的设计制作确立评价标准。（三）环节二：前期研究——我们需要知道什么？（预设8分钟）1.头脑风暴：列出可能遇到的问题教师引导：要完成这个任务，我们可能会遇到哪些困难和问题？请各小组用3分钟时间展开头脑风暴，把想到的问题都记录下来410。学生汇报，教师归纳板书：（1）怎样让LED亮起来？（电路怎么连接？）（2）怎么加入开关？（如何控制灯的亮灭？）（3）可以选用哪些材料做装饰？（用什么材料既美观又安全？）（4）手环的尺寸怎么确定？（长度多少合适？）（5）怎样让连接更稳固？（电池和LED如何固定？）2.分组研究：用多种方法寻找解决方案教师：这些问题怎么解决？工程师在动手之前会做大量的前期研究——查阅资料、做小实验、调查市场等。现在，我们就用这些方法来研究以上问题10。【重要】研究活动一：探究LED电路的连接（实验研究）教师出示LED和纽扣电池：请大家回忆本单元学过的简单电路知识，尝试用LED、纽扣电池和导线（铜箔胶带）连接一个闭合回路，看看怎样让LED亮起来5。学生动手尝试，教师巡视指导。学生发现：LED有两个引脚，长的为正极，短的为负极5；纽扣电池也有正负极，光滑的一面通常是正极（+），有刻字的一面是负极（）5。连接时，必须将LED的正极与电池的正极相连，负极与电池的负极相连，形成闭合回路，LED才会亮。【重要】研究活动二：探究开关的制作方法（查阅资料+实验）教师提问：如果想让LED一直亮着，电池很快就会耗尽。怎么加入开关，控制灯的亮灭呢？请同学们查阅资料或参考教师提供的样例，看看可以用什么材料制作简易开关57。学生查阅后汇报：可以用回形针、铝片等导体材料制作简单的搭扣开关。将两片导体分别接入电路，当它们接触时电路接通，分开时电路断开。【基础】研究活动三：探究装饰材料的选择（调查+思考）教师提问：LED亮起来了，用什么材料装饰手环呢？这些材料有什么要求5？学生讨论后明确：装饰材料应该用绝缘体（如彩纸条、彩绳、毛线、绝缘胶带），不能导电，这样既能美化手环，又能防止短路和漏电，确保安全56。3.归纳启示教师小结：通过前期研究，我们解决了“怎么做”的问题——电路要连成闭合回路，开关可以用导体材料制作，装饰要用绝缘材料。这些研究成果将为我们接下来的设计提供重要依据10。【设计意图】前期研究是工程实践的关键环节。通过让学生经历“提出问题—研究问题—获得启示”的过程，培养他们主动获取信息、解决问题的能力，避免盲目动手。（四）环节四：设计方案——我们的创意是什么？（预设10分钟）1.明确设计要求教师出示设计图纸记录单，说明设计要求45：（1）功能要求：LED能发光，有开关控制；（2）技术指标：电路连接可靠，节能（不常亮），安全（不漏电）；（3）外观要求：手环大小适合自己手腕，颜色搭配美观，有个性化装饰；（4）耐用性：结构稳固，LED和电池不易脱落。2.头脑风暴与设计构思教师引导：请各小组展开讨论，想一想：手环做成什么形状？LED放在什么位置？开关设计成什么样式？用什么颜色和材料装饰？每个人都要有自己的想法，小组内可以互相交流、借鉴5。3.绘制设计草图【重要】学生分组绘制设计草图，用图示和文字说明以下内容410：（1）电路连接图：画出LED、电池、开关、导线的连接方式；（2）手环结构图：画出环带的形状、长度，各部件的位置；（3）装饰设计图：标注使用的装饰材料和颜色搭配；（4）制作步骤：简要列出制作的先后顺序。4.交流与优化设计方案各小组展示设计草图，介绍自己的创意。其他同学和教师提出建议，小组根据建议修改完善设计方案5。教师巡视指导，重点关注：电路图是否正确（闭合回路），LED正负极连接是否正确，开关的位置是否便于操作，手环长度是否合适，装饰材料是否绝缘等。【设计意图】“先设计后制作”是工程思维的重要体现。通过绘制设计草图，将抽象的想法转化为可视化的方案，培养策划性思维和构建性思维。交流与修改环节让学生学会倾听与吸纳他人意见。（五）环节五：制作模型——把设计变成实物（预设20分钟）1.材料与工具介绍教师出示准备好的材料：LED（各种颜色）、纽扣电池（3V）、铜箔胶带（代替导线）、回形针/铝片（制作开关）、彩色绝缘胶带、彩绳/彩纸条/毛线（装饰）、剪刀、双面胶等57。2.制作要点指导教师结合视频或演示，讲解制作要点：（1）测量手围：先用软尺或纸条测量自己手腕的周长，确定手环的长度5；（2）铺设电路：按照设计图，用铜箔胶带在纸条或绝缘胶带上出电路路径，注意留出电池和LED的位置；（3）安装元件：将LED的引脚用铜箔胶带固定在电路上，注意正负极方向5；将纽扣电池正极朝上（或按设计方向）放置在电池位，用铜箔胶带固定负极引出的部分；（4）制作开关：用回形针或铝片制作一个可开合的触点，接入电路57；（5）测试电路：闭合开关，检查LED是否亮起；若不亮，检查各连接点是否接触良好；（6）美化装饰：电路测试成功后，用彩色绝缘胶带、彩绳等绝缘材料对裸露的电路进行包裹和装饰，注意不要覆盖开关部位5。3.学生动手制作【难点】学生分组制作，教师巡视指导。重点关注：（1）安全提示：不能用剪刀等金属工具触碰电池两极造成短路；测试时不能将手环戴在手上，应放在桌上进行5；（2）技术指导：铜箔胶带要压平贴紧，确保导电；LED引脚要确保与铜箔接触良好；电池固定要稳固，避免松动；（3）问题解决：对遇到困难的小组给予针对性指导，如LED不亮时，引导他们检查电路是否闭合、正负极是否接反、接触点是否导通等。4.初步测试与调整各小组完成初步制作后，进行第一次测试。记录测试结果：LED是否亮？亮度如何？开关是否灵敏？手环长度是否合适？【设计意图】制作模型是将设计方案物化的过程，考验学生的动手能力和解决问题的能力。教师提供必要的技术支持和安全指导，让学生在“做中学”，在实践中深化对电路原理的理解。（六）环节六：测试改进——怎样让作品更好？（预设12分钟）1.明确测试标准师生共同商定测试标准45：（1）功能测试：开关是否能控制LED的亮灭？LED亮度是否正常？（2）安全测试：手环佩戴时是否有漏电现象？裸露的电路是否有短路风险？（3）结构测试：电池和LED是否固定牢固？开关是否便于操作？（4）外观测试：装饰是否美观？手环大小是否合适？2.小组互测与记录各小组交换作品，按照测试标准进行相互测试，并填写测试记录表，记录发现的问题和改进建议4。3.问题诊断与改进【重要】教师引导各小组分析测试中发现的问题，讨论改进方案：（1）如果LED不亮——检查电池是否有电、LED是否损坏、各连接点是否接触良好、电路是否形成闭合回路5；（2）如果时亮时不亮——检查接触点是否松动，铜箔胶带是否压平贴紧；（3）如果开关失灵——检查开关触点是否氧化或接触不良；（4）如果手环太松或太紧——调整环带的长度；（5）如果外观不够美观——增加或调整装饰材料。学生根据改进方案，对自己的作品进行修改和完善。4.二次测试改进完成后，再次进行测试，验证改进效果。【设计意图】测试改进是工程实践中不可或缺的环节，体现了产品迭代的思想。通过明确标准、互测互评、诊断改进，让学生认识到优秀的作品需要不断修改和完善，培养精益求精的工匠精神。（七）环节七：展示交流——分享我们的成果（预设13分钟）1.展示形式指导教师说明展示交流的要求：可以采用PPT、实物模型、工程设计报告、小报等多种形式，尽可能详细地说明自己的设计思路和产品的工作原理410。2.小组展示与交流【非常重要】各小组轮流上台展示自己的作品，介绍内容包括45：（1）我的设计构想——最初的创意是什么？（2）我的制作材料——用了哪些材料？为什么选这些材料？（3）我的制作过程——遇到了什么困难？怎么解决的？（4）我的测试改进——发现了什么问题？做了哪些改进？（5）我的心得体会——通过这次活动学到了什么？3.质疑与答辩展示结束后，其他小组可以提出问题或建议，展示小组进行解答和回应4。教师引导提问要聚焦于产品的设计思路、科学原理、创新点等方面。4.教师点评与总结教师对各小组的作品和展示进行点评，肯定优点，指出努力方向。同时，引导学生回顾整个工程实践的六个环节，总结每个环节的关键要点10：【重要】工程实践六环节要点：（1）明确问题——明确任务和要求；（2）前期研究——列出问题，查阅资料，实验探究；（3）设计方案——绘制草图，交流优化；（4）制作模型——按图施工，注意安全；（5）测试改进——对照标准，反复测试，不断改进；（6）展示交流——分享成果，听取建议，互相学习。【设计意图】展示交流是工程实践的收官环节，也是学生综合素养的集中体现。通过介绍作品、解答质疑，学生锻炼了表达能力和应变能力；通过听取他人建议，学会虚心接受批评，为后续改进积累经验。（八）课堂总结与拓展延伸（预设5分钟）1.知识回顾教师引导学生总结本课的收获：（1）科学知识方面——复习了简单电路的组成和闭合回路原理；（2）工程方法方面——经历了工程实践的六个环节，学会了像工程师那样思考和解决问题；（3）综合素养方面——锻炼了动手能力、合作能力、创新能力和表达能力。2.情感升华教师：今天我们当了一回“小小工程师”，亲手设计制作了LED手环。在这个过程中，大家可能体会到了工程师工作的特点——既要懂科学原理，又要会动手操作；既要有创意，又要考虑实际可行性；既要独立钻研，又要团队合作。希望同学们把这种工程思维运用到今后的学习和生活中，去发现需求、解决问题、创造价值15。3.拓展延伸教师提出拓展性问题：（1）如果想制作一个能变换颜色的LED手环，电路应该怎么设计？（2）除了手环，还能用今天学的方法制作什么发光产品？（如发光发卡、发光书签、发光钥匙扣等）（3）如果把电池换成太阳能电池板，能不能做出不用换电池的发光手环？鼓励有兴趣的同学课后继续探究，不断完善和拓展自己的作品。【设计意图】通过总结提炼升华学生的认识，通过拓展延伸激发持续探究的兴趣，让课堂学习延伸到课外，实现“学会”到“会学”的转变。六、板书设计设计制作：个性化LED手环一、工程师的共同素养绘制图纸制作模型运用科学数学使用工具仪器懂心理学、社会学、美学二、工程实践六环节明确问题→前期研究→设计方案→制作模型→测试改进→展示交流（做什么）（查资料、实验）（画草图）（动手做）（找问题、修改）（分享成果）三、LED手环制作要点1.电路：闭合回路（LED正负极、电池正负极）2.开关：导体制作触点3.装饰：绝缘材料保安全4.测试：安全第一，反复改进七、教学评价设计【基础】过程性评价（占60%）1.参与态度：是否能积极参与小组讨论和动手实践，认真完成分配的任务。2.合作能力：是否能与小组成员友好合作，倾听他人意见，分享自己的发现。3.探究精神：是否能主动思考问题，尝试多种方法解决困难。4.规范操作：是否能按照安全要求使用工具和材料，保持实验桌整洁。【重要】成果性评价（占40%）