高中二年级物理跨学科项目式学习：基于STEAM理念的不倒翁创意设计与制作教案

高中二年级物理跨学科项目式学习：基于STEAM理念的不倒翁创意设计与制作教案

一、课程背景与设计理念

【非常重要】本教学设计立足于《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中关于“强调以学科大概念为核心，促进学科核心素养的落实”以及“倡导基于项目的学习（PBL）等更具综合性的教学方式”的核心理念。本课并非简单的劳技制作课，而是一个深度融合物理原理探究、工程设计思维、数学建模与艺术表达的跨学科项目式学习案例。通过“不倒翁”这一经典而富有文化意蕴的载体，引导学生从被动观察转向主动创造，在“做中学”、“研中创”，深度理解“力与运动”、“平衡与稳定”等物理大概念，并亲历从原理分析、方案设计、材料选择、模型构建到测试优化的完整工程实践流程。本设计旨在打破学科壁垒，培养学生解决真实复杂问题的综合能力，实现物理学科核心素养（物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任）的全面落地。

二、教学对象与课时安排

教学对象：高中二年级学生（物理选修已完成必修内容，具备一定的力学基础和实验探究能力）。

课时安排：共4课时（每课时45分钟），可根据实际情况整合为两个连堂（90分钟）。

第一课时：原理探秘与创意构思（实验室/教室）

第二课时：结构设计与原型制作（通用技术教室/创客空间）

第三课时：测试优化与艺术呈现（通用技术教室/创客空间）

第四课时：成果展示与项目答辩（教室/多功能厅）

三、教学目标设计

【核心素养靶点】

（一）物理观念

1.理解重心（质心）与稳定平衡的关系，能够运用二力平衡条件解释不倒翁“扳不倒”的现象。【重要】

2.深入理解稳定性的概念，明确影响物体稳定性的主要因素：重心高度和支持面大小。【基础】

3.能够从力矩平衡的角度定量分析倾斜后不倒翁恢复原状的条件。【难点】

（二）科学思维

1.建模思维：能够将真实的不倒翁抽象为物理模型（如半球体+配重），分析其受力情况和平衡类型（稳定平衡、不稳定平衡、随遇平衡）。【重要】

2.批判性思维：能够针对自己设计的不倒翁在测试中出现的“不稳定”或“过于灵敏”等问题，基于物理原理提出合理的改进假设。

3.创新思维：能够在遵循基本原理的前提下，突破传统不倒翁的形态限制，进行结构、功能和艺术外观上的创意设计。

（三）实验探究

1.能够设计简单的方案来测量或比较自制不倒翁的重心位置和稳定程度。

2.能够根据测试数据（如倾斜角度、摇晃次数、复位时间等）对作品进行量化评估和迭代优化。【高频考点，体现科学探究能力】

3.经历“问题-设计-制作-测试-改进”的完整工程实践cycle。

（四）科学态度与责任

1.在小组合作中，培养沟通、协作和共享的团队精神。

2.养成精益求精的工匠精神，尊重科学规律，严谨对待设计和制作中的每一个细节。

3.体会中国传统玩具中蕴含的科学智慧，增强文化自信。

四、教学重难点分析

（一）教学重点【重要】

1.理解物体平衡条件，特别是重心位置与稳定性的关系。

2.能够运用所学原理，自主设计并制作一个结构稳定、外观有创意的“不倒翁”。

（二）教学难点【难点】

1.如何通过调整配重的质量、形状和位置，精确控制不倒翁整体的重心高度，使其既能快速复位又不至于晃动过度。

2.如何将抽象的物理原理（如力矩平衡、稳定系数）应用到具象的、有特定要求（如特定复位时间、抗干扰能力）的创意设计中。

3.如何引导学生从“模仿制作”跨越到“基于原理的创意设计”，实现思维层面的跃迁。

五、教学准备

（一）教师准备

1.多媒体课件：包含各类平衡现象（走钢丝、比萨斜塔、帆船）、传统不倒翁原理动画、不同形态现代创意不倒翁（如机器人、动物造型）案例、力矩平衡分析图解。

2.实验器材：分组提供重心测量模板、电子秤、量角器、直尺、不同材质的配重物（铁块、橡皮泥、沙子、小石子）、胶水、胶带等。

3.教学环境：联系并协调好通用技术教室或创客空间的使用，确保有足够的制作空间和工具（热熔胶枪、剪刀、美工刀等，需强调安全使用规范）。

4.项目手册：设计一份包含项目流程、原理导学、设计草图区、测试记录表、反思改进栏的《项目学习手册》，发放给每组学生。

（二）学生准备

1.知识储备：复习重力、重心、二力平衡、力矩等概念。

2.材料搜集：以小组为单位，搜集、清洗并带来作为不倒翁主体的废旧材料（如乒乓球、蛋壳、塑料瓶盖、纸杯、气球等）和装饰材料（彩纸、颜料、布料、毛线等）。【体现环保与资源利用意识】

3.组建团队：4-5人一组，明确分工（如：首席物理学家、结构工程师、艺术设计师、测试与记录员、项目汇报人）。

六、教学实施过程（核心环节，详细展开）

第一课时：原理探秘与创意构思（45分钟）

（一）情境导入，激发兴趣（5分钟）

【非常重要】教师播放一组视频剪辑：包括惊险的走钢丝、倾斜的比萨斜塔、大风中摇晃的高楼、以及传统的“扳不倒”玩具。提出问题：“为什么有些物体‘摇摇欲坠’，而有些物体却‘屹立不倒’？一个小小的不倒翁，背后隐藏着怎样的大道理？”引导学生从感性认知走向理性思考，直接点明本项目的核心任务——探究平衡的奥秘，并亲手创造一个独一无二的不倒翁。

（二）原理探究，建构模型（20分钟）

1.体验与观察：每组发放一个传统不倒翁玩具。学生通过反复拨动、按压、观察，思考其内部结构。教师引导学生用准确的物理语言描述现象：倾斜时，重心升高；外力撤销后，在重力矩作用下，物体绕支点转动，直至恢复平衡。【基础】

2.模型建构：【重要】教师引导学生将真实的不倒翁抽象为物理模型。提问：“如果我们想用最简单的方式来模拟不倒翁，可以将其看作哪几个部分的组合？”引导学生总结出：一个光滑的曲面底部和一个固定在低处的重物。教师板书，并用几何画板或动画演示，帮助学生建立“上轻下重，底部圆弧”的结构模型。

3.理论深化：【难点】对于学有余力的学生，教师引入力矩分析。在不倒翁倾斜一个微小角度θ时，重力G的作用线偏离支点，产生一个恢复力矩M=G×d，其中d是重力臂，与重心高度h、偏移角度θ相关。可以定性推导出：重心越低，在相同倾斜角度下，恢复力矩可能越大，稳定性越好。但不引导学生进行复杂的定量计算，重在理解物理逻辑。

4.拓展讨论：播放走钢丝演员手持长杆的图片，引导学生讨论：“长杆的作用是什么？”（降低整体重心，增加转动惯量，延长调整时间），将课堂知识延伸到更广阔的实际应用。

（三）创意风暴，明确设计（15分钟）

1.跨界启发：教师展示一系列融合了不同艺术风格和功能设计的创意不倒翁图片，如卡通人物、建筑模型、抽象雕塑等。打破学生对不倒翁就是“老翁”的刻板印象，激发其创作灵感。强调艺术设计的加入不能违背核心物理原理。【热点，体现跨学科融合】

2.设计任务发布：【非常重要】教师正式发布项目任务：“请各小组基于今天所学的平衡原理，结合你们搜集到的废旧材料，在《项目学习手册》上完成一份‘创意不倒翁设计方案’。方案需包含：作品名称、设计理念、结构草图（需标明预期重心位置、配重方式、底部形状）、所需材料清单、预期的功能或效果。”鼓励学生大胆设想，但要基于科学。

3.小组讨论与初步构思：各小组开始头脑风暴，首席物理学家引导成员讨论如何实现“上轻下重、底部稳定”的结构，艺术设计师开始构思外观，结构工程师初步设想配重如何固定。教师巡回指导，适时提出启发式问题：“你们的配重用沙子好还是用铁块好？为什么？”“如果想让不倒翁在摇摆时更有趣，可以在结构上做哪些变化？”

（四）课堂小结与课后任务（5分钟）

教师简要总结本节课的核心原理——重心与稳定的关系。布置课后任务：1.各小组完善设计方案，完成设计草图和材料清单。2.根据设计方案，准备更精准的制作材料和工具。3.首席物理学家带领组员预习与重心测量相关的方法。

第二课时：结构设计与原型制作（90分钟，建议连堂）

（一）方案论证与迭代（15分钟）

【重要】各小组展示初步设计方案，进行组内或邻组间的“同行评议”。重点论证方案的可行性：设计是否符合“上轻下重”原则？配重是否稳固？底部曲率是否合适？材料选择是否合理？记录的反馈意见，由结构工程师在草图上进行第一轮方案迭代。

（二）原型制作与原理物化（60分钟）

这是将物理原理转化为实体作品的关键环节，也是STEAM教育理念落地的核心实践。

1.主体制作：

a.底部制作：根据设计，选择合适的中空物体（如乒乓球切半、大塑料瓶底）作为不倒翁的下半身。要求底部必须是光滑的圆弧面，以保证能自由摇摆。【基础】

b.配重安装：【非常重要】这是制作的核心技术环节。学生需将准备好的配重物（橡皮泥、铁块、沙子等）牢固地固定在底部的最低点。教师巡回指导，强调“固定”的重要性，防止配重在摇摆过程中移位。对于使用沙子的同学，建议先用小袋封装或用胶水固定。同时引导学生思考：配重的多少直接影响重心高度和稳定程度。

c.上部连接：使用轻质材料（如纸筒、塑料瓶上半部分、轻质彩泥）构建不倒翁的上半身，并将其与底部稳固连接。连接处需确保整体结构重心依然在底部。

2.原理应用即时反馈：

教师在巡视过程中，不断引导学生将操作与原理挂钩。“你们把配重按在这里，是为了让重心更低，对吧？”“看看你们的不倒翁，是不是轻轻一推就能复位？如果推不倒，可能是什么原因？”通过即时提问，强化学生对物理概念的理解。

3.艺术初呈现：

在主体结构完成后，艺术设计师带领组员开始进行初步的外观装饰。使用彩纸、颜料、布料等进行包裹和美化，赋予作品鲜明的个性和艺术感染力。【跨学科，体现艺术素养】

（三）初步测试与数据记录（10分钟）

1.第一轮功能测试：原型制作完成后，各小组迫不及待地对自己的作品进行“首秀”。测试员负责操作，轻轻拨动不倒翁，观察其摇摆和复位情况。记录员在《项目学习手册》的测试记录表上，记录下观察到的问题，如：“摇晃幅度太小”、“复位太慢”、“往一边倒”等。

2.定性描述与问题聚焦：引导学生将观察到的现象与物理原理建立联系。“往一边倒”说明重心不在中心轴上；“复位太慢”说明恢复力矩可能偏小或阻尼较大。这些问题将成为第三课时迭代优化的起点。

（四）课堂整理与问题梳理（5分钟）

学生整理工具、清洁桌面，归还未用完的材料。教师简要总结本课时制作和测试中发现的共性问题，为下一课时的优化改进做好铺垫。布置课后任务：各小组针对测试中发现的问题，讨论可能的改进方案。

第三课时：测试优化与艺术呈现（90分钟，建议连堂）

（一）基于数据的量化测试与问题诊断（20分钟）

【高频考点，体现科学探究的严谨性】

引入更量化的测试方法，引导学生科学地诊断问题。教师示范并指导各小组进行标准化测试：

1.稳定性测试：使用量角器，将不倒翁倾斜至同一角度（如30度）后释放，用秒表测量其恢复到静止状态所需的时间。或者记录其来回摇摆的次数，直至停止。

2.抗干扰能力测试：用同一个力（如用弹簧测力计拉到1N）从同一方向推动不倒翁，观察其最大倾斜角度和能否恢复。

3.重心位置简易测量：将制作好的不倒翁放在一个薄的、水平的硬板上，缓缓抬起硬板一端，记录不倒翁刚好要翻倒时的临界角度。这个角度可以间接反映其稳定程度（角度越小越稳定）。

各小组根据自己作品的特点，选择1-2个量化指标进行测试，并将数据详细记录在《项目学习手册》中。

（二）工程迭代：基于证据的方案优化（40分钟）

【非常重要】这是整个项目学习的精髓所在。学生必须学会根据测试数据和观察到的现象，运用物理原理进行“归因”，并提出有针对性的改进方案。

1.问题诊断与归因：

教师引导学生分析数据背后的物理原因。例如：“我们的不倒翁复位时间太长”可能的原因是什么？引导学生讨论：是重心不够低（配重太轻/位置偏高）？还是底部摩擦力太大（底部不够光滑）？或者是阻尼太大（外形设计过于累赘）？

又如：“我们的不倒翁总是往一个方向歪”可能的原因是什么？引导学生分析：是配重没有放在正中心？还是上半身的重量分布不均，导致整体重心偏离了几何中心？

2.方案设计与实施：

基于诊断结果，各小组制定优化方案：

a.如果重心偏高：增加底部配重，或将现有配重位置下移。

b.如果重心偏移：重新调整配重的位置，使其落在中心轴上。

c.如果阻尼过大：打磨底部，使其更光滑；或者简化外形设计，减少空气阻力。

d.如果稳定性不足（容易倒）：进一步降低重心，或略微增大底部面积（注意不能破坏整体造型）。

各小组按照优化方案，对作品进行“微创手术”和改进。这是一个充满试错、思考和调整的动态过程，教师应鼓励学生大胆尝试，耐心观察每一次改动带来的变化。

（三）精细化艺术呈现与功能融合（20分钟）

在结构优化基本完成后，学生可以进行最终的艺术装饰。此时，教师可以引导学生思考艺术与功能的融合，使作品不仅美观，更具深意。例如，将不倒翁设计为“环保小卫士”，其摇摆的动作象征着唤醒人们的环保意识；或者设计为“不倒的胡杨”，寓意着坚韧不拔的精神，使其成为一个有内涵的艺术品。这超越了简单的装饰，实现了科学与人文的深度交融。【热点，体现深层次跨学科】

（四）准备项目答辩（10分钟）

【重要】教师明确第四课时“成果展示与项目答辩”的要求。各项目组需要准备：

1.作品展示：呈现最终版创意不倒翁。

2.海报/PPT（可选）：简要展示项目历程，包括：初始设计、遇到的问题、基于哪些原理进行了哪些改进、量化测试数据的对比（改进前vs改进后），以及最终的成品效果和设计理念。强调要讲出一个“科学故事”。

3.分工与感悟：简要介绍小组成员的分工和项目学习过程中的感悟。

各小组开始内部梳理和准备，项目汇报人统筹，首席物理学家和结构工程师负责梳理技术路线，艺术设计师负责美学陈述。

第四课时：成果展示与项目答辩（45分钟）

（一）精彩亮相与创意阐述（30分钟）

【非常重要】课堂变身为“产品发布会”或“创客博览会”。各小组轮流上台，全方位展示他们的作品。

1.作品展示：汇报人首先展示精美的不倒翁成品，并阐述其独特的名称和艺术设计理念，给人以美的享受。

2.原理与工程故事：【核心环节】首席物理学家或结构工程师上台，讲述他们从设计到优化的“科学故事”。他们需要清晰地说明作品如何体现“上轻下重”的原理，在测试中遇到了什么困难，如何运用物理知识进行归因，并实施了怎样的改进方案。最好能用数据说话，展示改进前后的对比照片或测试数据。

3.现场测试：为了证明作品的“实力”，小组可以进行现场测试，如经受住几次大力推动，或展示其独特的摇摆姿态，赢得同学们的阵阵掌声。

（二）互动答辩与多维评价（12分钟）

1.同学互评：台下同学可以就展示内容进行提问，如：“你们是怎么想到用这种材料做配重的？”“如果想让你们的作品能左右摇摆得更久，你们会怎么做？”这不仅是检验展示小组的学习深度，也是全体同学互相学习的过程。

2.教师点评与提升：【重要】教师的点评需基于整个项目过程，超越作品本身的好坏。应从以下几个维度进行点评：

a.科学性（40%）：作品是否准确理解和应用了重心与稳定性的原理？问题诊断和优化方案是否基于科学推理？

b.创新性（25%）：设计是否有独特的创意？材料运用是否巧妙？问题解决方法是否有新意？

c.工艺与美学（20%）：制作是否精良？外观设计是否美观、有感染力？

d.团队协作与表达（15%）：分工是否明确？汇报是否清晰、有逻辑、有热情？

教师的点评应具有启发性和鼓励性，既指出亮点，也提出未来可以深入探究的方向，将学习引向更深更广的领域。

（三）课程总结与价值升华（3分钟）

【非常重要】教师对本项目进行总结：“今天我们不仅制作了不倒翁，更重要的是，我们像科学家一样思考，像工程师一样实践，像艺术家一样创造。我们用物理学的眼睛，洞见了平凡玩具背后的伟大原理；我们用自己的双手，将抽象的理论变成了灵动的实物。这个小小的不倒翁，不仅是力的平衡之作，更是我们思维与实践达到平衡的见证。希望大家记住这次经历，在未来的人生道路上，无论遇到何种‘倾斜’，都能像我们的不倒翁一样，找到让自己‘复位’的力量——那是科学的力量，是创新的力量，是团队的力量。”

七、教学评价设计

本教学设计采用过程性评价与终结性评价相结合的方式，全面评估学生的学习成效。

（一）过程性评价（占比60%）

1.课堂参与度（10%）：学生在原理探究、小组讨论中的发言质量和积极性。

2.《项目学习手册》完成情况（30%）：设计草图的科学性、创意性；测试数据的真实性和完整性；反思改进栏的深