小学三年级科学探究课教学设计：探究身边的建筑材料及其性能

小学三年级科学探究课教学设计：探究身边的建筑材料及其性能

  一、课程理念与设计总览

  本教学设计以《义务教育科学课程标准（2022年版）》为根本遵循，立足于小学三年级学生的认知发展规律与生活经验基础，践行“素养导向、综合学习、注重实践”的课程理念。设计核心在于超越传统知识传授模式，构建一个以学生为主体的、开放式的科学探究情境。通过引导学生对身边触手可及的建筑材料进行系统性探究，不仅达成对材料基本物理性质（如硬度、承重性、保温性、防水性）的认知目标，更重要的是培养其像科学家一样思考（提出可探究的问题、设计简单实验）、像工程师一样解决问题（基于性能权衡进行选材与简单设计）的综合性实践能力。课程巧妙融合物质科学领域（材料的性质）与技术与工程领域（材料的选用），并关联社会与环境议题（材料的环保与循环利用），旨在培养学生的科学观念、科学思维、探究实践能力与责任态度四大核心素养。

  二、学情深度剖析

  三年级学生正处于具体运算阶段向形式运算阶段过渡的关键期。他们对周围世界充满强烈的好奇心和探究欲，尤其对居住的房屋、学习的校舍等建筑有天然的亲近感，这为本课提供了强大的内在动机。学生已具备初步的观察和描述能力，能够依据颜色、形状、粗糙度等单一特征对物体进行简单分类。然而，他们的思维仍以具体形象为主，对于材料“性能”这类抽象概念的理解存在困难，往往将材料的名称（如“砖头”）与其直观印象等同，而难以主动关联其内在属性（如“承重能力强”）。在探究技能上，学生能进行简单的观察比较，但设计对比实验、控制单一变量、基于证据得出结论等系统性探究能力尚处于萌芽阶段，需要教师提供结构化的“脚手架”。此外，三年级学生小组合作意识初步形成，但分工协作与有效交流的能力有待引导和培养。因此，本设计将探究任务分解为层层递进的阶梯式活动，提供丰富的结构化材料支持，并通过清晰的步骤指导和关键问题引导，帮助学生实现认知与技能的跨越。

  三、素养化教学目标

  （一）科学观念

  通过动手操作与观察比较，知道常见建筑材料（如砖、木材、玻璃、钢材、混凝土等）具有不同的特性，并能将这些特性（如硬度、承重性、保温性、透光性、防水性）与它们在建筑物中的具体用途关联起来，初步建立“结构、材料、功能”相统一的科学观念。

  （二）科学思维

  1.能在教师引导下，从“哪种材料更合适”的真实问题中，提炼出可探究的具体科学问题（如“哪种材料的承重能力更强？”）。

  2.学习运用比较与分类的方法，依据材料的某种性能对其进行排序或分组。

  3.初步尝试基于观察和简单的实验现象，运用归纳推理的方法，得出“某种材料具有某种特性”的结论，并能用语言或图画进行初步解释。

  （三）探究实践

  1.能使用感官并借助简单工具（放大镜、滴管、小重物等），对多种建筑材料的表面特征和物理性能进行有目的的观察和测试。

  2.能在小组内合作，尝试设计并执行简单的对比实验（如比较不同材料的防水性），初步感悟“公平比较”的重要性。

  3.能基于对材料性能的测试结果，进行简单的工程设计：为一个特定的建筑部件（如窗户、墙体、屋顶）选择合适的材料，并陈述理由。

  （四）责任态度

  1.在探究活动中乐于合作，愿意倾听同伴的想法，并分享自己的发现。

  2.认识到不同材料各有优劣，在选择材料时需要综合考虑多种因素。

  3.初步关注建筑材料的来源与废弃处理问题，树立节约资源和环保意识的萌芽。

  四、教学重点与难点

  教学重点：引导学生通过一系列探究活动，亲身体验并概括出几种常见建筑材料的突出特性，理解材料特性决定其用途。

  教学难点：帮助学生从对材料“是什么”的表象认识，过渡到对材料“怎么样（性能）”的深层探究；指导学生在简单的对比实验中，初步建立“控制变量”以进行公平比较的意识。

  五、教学资源与环境创设

  （一）材料准备（每组一套）

  1.材料样本盒：内含小块实体样本（红砖、松木块、透明玻璃片、亚克力板、金属片（如铝片）、泡沫板、瓦片、防水卷材片段、不同粗细的树枝）。

  2.探究工具包：放大镜、滴管、小烧杯（装水）、纸巾、相同的小重物若干（如50g钩码或象棋）、塑料直尺、手电筒、记录夹板。

  3.实验装置：简易承重测试台（由两个等高积木块做桥墩，中间搭放待测材料作为“桥面”）、保温对比测试箱（两个相同带盖纸盒，内壁分别贴上待测材料）。

  4.多媒体资源：展示古代（茅草屋、木屋、石屋）、现代（钢筋玻璃幕墙大厦、砖混住宅）及未来（环保材料建筑）建筑的图片或短片；互动白板课件，内含材料特性分类活动。

  （二）环境创设

  将教室布置为“小小建筑科学院”情境。墙面张贴巨幅建筑工地场景图，设立“材料发现墙”用于张贴学生记录单。课桌按四人探究小组排列，中间留有集中讨论区。营造安全、开放、鼓励试错的探究氛围。

  六、教学实施过程详案（两课时连排，共80分钟）

  （一）第一课时：聚焦真问题，初探材料特性（40分钟）

  第一阶段：情境驱动，问题生成（预计用时：8分钟）

  活动流程：教师播放一段约90秒的短片，内容从学生熟悉的校园建筑快速切换至城市地标、乡村民居，最后定格在一个施工现场，工人们正在使用各种材料。短片结束，教师出示一张“小鸟巢”和“松鼠树洞”的图片。

  核心任务：教师抛出本单元的核心驱动性问题——“如果我们像小鸟或松鼠一样，需要为自己设计并建造一个‘家’，我们应该选择哪些材料？为什么？”

  思维引导：教师引导学生思考：“小鸟为什么用树枝和草叶，而不用冰块？松鼠的树洞为什么在树干里，而不是在树叶上？”通过对比，让学生初步感知“不同的需求需要不同特性的材料”。进而，将问题具体化到人类的建筑：“我们建造房屋时，需要考虑哪些问题？（遮风、挡雨、保暖、坚固、采光……）要解决这些问题，我们对材料有什么要求？”学生自由发言，教师将关键词（如“结实”“防水”“保暖”“透光”等）板书在“我们的材料需求清单”区域。

  设计意图：从宏大的建筑世界聚焦到与学生生命经验相关的“筑巢”问题，激发共情与探究兴趣。将抽象的材料学习转化为解决真实问题的需求，明确本课探究的终极目标。清单式板书将零散的想法结构化，为后续探究指明方向。

  第二阶段：材料博览会，观察与预设（预计用时：12分钟）

  活动流程：各小组领取“材料样本盒”。教师布置第一项探索任务：“作为一名材料研究员，请你仔细观察和触摸这些可能用来建房子的‘候选者’，它们分别叫什么？给你最直观的感觉是什么？”

  探究步骤：学生以小组为单位，利用感官和放大镜自由观察，在《材料研究员记录单（第一部分）》上用画图或词语记录每种材料的外观、触感、轻重等初步特征。教师巡视，引导学生使用更科学的描述词汇（如“粗糙/光滑”“坚硬/柔软”“有光泽/哑光”）。

  思维进阶：观察约5分钟后，教师组织全班分享。分享后，教师提出挑战：“仅凭看和摸，我们能决定用哪种材料做墙壁，哪种做窗户吗？还差什么信息？”引导学生意识到，需要更深入地测试材料的“本领”（性能）。接着，教师指向黑板上的“需求清单”：“针对‘坚固’这个需求，我们可以怎么测试材料的本领？”鼓励学生提出自己的想法（如压一压、掰一掰）。教师顺势介绍“承重测试台”，并示范如何安全、公平地进行测试（材料放置位置统一，重物轻放）。同理，引导学生思考如何测试“防水”（滴水看变化）、“保温”（用手感觉或设计实验）、“透光”（用手电筒照）等性能。

  设计意图：从自由观察到指向性思考，完成从“认识材料”到“想要测试材料性能”的心理过渡。记录单的第一部分尊重学生的直观感受，为后续的科学测试提供对比参照。引导学生自己提出测试方法，即便不完善，也保护并激发了其主动探究的思维。

  第三阶段：设计探究，初试性能（预计用时：18分钟）

  活动流程：各小组选择1-2项最感兴趣的性能测试开始初步探究。例如，选择承重测试的小组，领取测试台，尝试比较木块、泡沫板和砖块的承重能力。选择防水测试的小组，用滴管在瓦片、木材、金属片上滴等量水，观察水珠的形状和渗透情况。

  教师指导重点：此阶段不要求完整严谨的实验，重在体验探究过程。教师巡视的关键指导语围绕“公平”展开：“你们比较这两种材料时，哪些条件应该保持一样？（如重物下落高度、水滴大小）”“你怎么知道这种材料更防水？（看水是流走了还是渗进去了）”。鼓励学生用简单的语言或图画在记录单第二部分记录现象和初步结论（如“砖头上放三个棋子还没弯，泡沫板放一个就弯了，砖头更结实”）。

  阶段性小结：临近下课时，教师召集学生进行简短交流。请一两个小组分享他们的发现和遇到的困惑。教师总结：“今天我们发现，材料有很多隐藏的‘本领’，需要设计一些方法去测试。我们也初步感受到，要公平地比较，需要注意方法。下节课，我们将成为更专业的测试工程师，系统地揭开这些材料的秘密，并最终做出我们的设计选择！”

  设计意图：给予学生有限的自主选择权，保持探究热情。在相对开放的尝试中，初步体验科学测试的雏形，并自然遭遇“如何公平比较”这一科学方法的核心问题，为第二课时的精研做好认知铺垫。课时的断点设置在“初有发现，意犹未尽”之处，维持学习期待。

  （二）第二课时：精研探本质，综合作决策（40分钟）

  第一阶段：回顾聚焦，明确任务（预计用时：5分钟）

  活动流程：快速回顾上节课的初步发现和提出的测试方法。教师展示“小鸟之家”设计图草图（仅有结构轮廓），并发布本课时核心任务：“现在，我们要成立‘小鸟之家’工程项目部。每个项目部需要完成两项使命：第一，作为‘材料检测中心’，对关键材料进行严格的性能测试并出具报告；第二，作为‘设计工作室’，根据测试报告，为设计图中的不同部分（墙壁、屋顶、窗户）选择最合适的材料，并绘制最终设计图。”

  设计意图：用更富角色感和任务感的情境承接上节课，将探究活动升级为一项完整的工程实践项目，赋予学习更强的目的性和整体性。

  第二阶段：深度探究，获取证据（预计用时：20分钟）

  活动流程：各小组转为“材料检测中心”模式。教师提供更具结构化的《材料性能检测报告单》。报告单将测试分为三个必选项目（承重性、防水性、透光性）和一个自选项目（保温性或其他）。每个项目下有明确的步骤提示和记录要求。

  探究活动一：系统的承重测试。要求学生在承重测试台上，使用统一规格的“桥墩”间距，依次测试相同尺寸（长宽厚）的木条、泡沫板、硬纸板、瓦片。逐步增加相同重物，记录材料明显弯曲或坍塌时的重物数量。强调“每次只改变材料种类，其他条件不变”。

  探究活动二：对比防水实验。在材料样本上滴等量水（如5滴），静置一分钟后，用纸巾轻触，观察纸巾浸湿程度及材料背面是否潮湿。引导学生区分“防水”（水珠滚落）、“抗渗”（缓慢吸收）和“吸水”（快速湿润）的不同现象。

  探究活动三：透光性比较。在暗处（或用纸箱罩住）用手电筒紧贴材料照射，观察透光情况，分类为“透明”（如玻璃）、“半透明”（如磨砂亚克力）、“不透明”（如砖头）。

  探究活动四（进阶）：简易保温测试。将两个装有等量温水的试管，分别放入内壁贴有泡沫板和金属片的对比测试箱，盖上盖子。5-10分钟后，用手背感知两个试管外壁的温度差异。

  教师角色：在此阶段，教师巡回于各组，身份是“技术顾问”和“质量监理”。重点观察学生是否在执行中贯彻“公平测试”原则，及时介入指导。同时，通过提问引导学生深入思考：“为什么瓦片承重不错但很脆？”“木材防水性一般，为什么古代很多房子用木头？它可能有什么优点？（轻、易加工、有一定弹性、保暖）”

  设计意图：提供结构化的报告单，将探究活动规范化、系统化，帮助学生建立有序的数据收集习惯。分项测试使学生能更专注地理解每一种性能的评估方法。教师的提问旨在引导学生辩证地看待材料，认识到性能的多样性及其优劣共存的特点，为后续的权衡选择奠定思维基础。

  第三阶段：工程决策，设计应用（预计用时：12分钟）

  活动流程：各小组转为“设计工作室”模式。整合《材料性能检测报告单》的数据，围绕“小鸟之家”的设计需求进行讨论和决策。

  核心任务：为“墙壁”（要求坚固、保温）、“屋顶”（要求防水、坚固、轻质）、“窗户”（要求透光、挡风）分别从样本库中选择1-2种主要材料，并将选择结果绘制或拼贴在最终的设计图上。

  思维引导：教师提供决策支架——“我们的选择理由”。要求学生在图纸旁注明：①我们为【部件】选择了【材料】；②因为我们的测试显示，这种材料在【某项性能】上表现突出（可引用数据，如“能承受5个重物”）；③同时，我们也考虑了【其他因素】（如成本、获取难度、环保等，此条为开放性思考）。

  小组活动：学生激烈讨论，可能产生分歧（如墙壁选砖头坚固但冷，选木头保暖但怕虫蛀），这正是工程思维中“权衡”与“优化”的体现。教师鼓励他们基于证据说服同伴，或达成妥协方案（如“主体用砖，内壁加木衬板”）。

  设计意图：这是将科学探究成果应用于工程实践的关键环节，是素养的综合体现。学生需要分析、整合多组数据，在多重约束条件下做出最优或最合理的决策。这个过程深刻地诠释了“材料性能决定用途”的核心观念，并让学生初步体验真实的工程决策过程——没有完美答案，只有更优选择。

  第四阶段：成果展评，迁移反思（预计用时：8分钟）

  活动流程：举办“小鸟之家”设计方案发布会。每个小组派代表，借助设计图，向全班介绍他们的材料选择方案及理由。其他小组和教师可以扮演“评审专家”，从“科学性”（选择理由是否基于测试证据）、“创新性”（是否有独特考量）和“可行性”角度进行提问或点评。

  总结提升：教师引导学生共同梳理全课的探索脉络：从产生需求（问题）→观察材料→测试性能（获取证据）→基于证据进行选择（解决问题）。并进一步将思维引向更广阔的空间：

  1.联系古今：展示从茅草、木头、石头到砖瓦、钢铁、玻璃，再到现代复合材料的演变图，让学生感受人类如何不断利用和改造材料以适应需求和环境。

  2.关注环保：提出问题：“我们使用后的建筑废料去了哪里？有没有可以循环利用的‘绿色’建筑材料？”展示再生砖、竹材等生态材料的图片，在学生心中种下可持续发展的种子。

  3.课后延伸：布置开放式实践任务——在家庭或社区中寻找三种不同的建筑材料，调查它们分别用在了建筑的哪个部位，并尝试用本课学到的知识解释为什么。

  设计意图：展评环节是对学习成果的公开检验与交流，锻炼学生的表达与反思能力。教师的总结不是知识的简单复述，而是将本课所学置于科技发展史和当代社会议题的宏大背景下，实现认知的升华与价值的引领。课后任务将课堂探究延伸至真实世界，促进知识的应用与内化。

  七、教学评价设计

  本课采用“嵌入过程、促进学习”的形成性评价为主，结合终结性成果评价。

  1.过程性观察：教师利用巡视记录表，重点关注学生在小组探究中的参与度、合作情况、使用工具的技能、记录数据的习惯以及提出问题的能力。通过即时性、描述性的口头反馈（如“你们组注意到了控制水滴量，这很科学！”）进行引导和激励。

  2.作品分析：对《材料研究员记录单》和《材料性能检测报告单》进行分析，评价学生观察的细致程度、记录的真实性与条理性、从现象到结论推理的合理性。

  3.成果评价：制定“小鸟之家设计方案”简易量规，从“材料选择的科学性（与证据的关联度）”、“设计的合理性（满足基本需求）”、“阐述的清晰度”三个维度进行星级评价。评价主体包括教师、同伴和学生自评。

  4.概念建构评价：通过课末的总结性提问（如“为什么我们不能用玻璃做承重墙？”）或简单的课后小测验，评估学生对“材料特性决定用途”这一核心观念的理解程度。

  八、教学反思与特色创新

  （一）深度反思

  本设计的成功实施有赖于以下几个关键支撑点：一是真实、有趣且富有挑战性的驱动性问题，它像一根红线贯穿始终，赋予所有探究活动以意义；二是充足、有结构且安全的材料支持，这是探究得以发生的物质基础；三是教师精准的角色定位——从知识的传授者转变为学习情境的设计者、探究过程的支架者、思维深化的推动者。

  可能面临的挑战及应对策略：其一，三年级学生在对比实验中极易忽略变量控制。本设计采用了“先试错，后规范”的策略，并在规范化实验阶段提供了明确的步骤提示