小学六年级“工程与设计”跨学科主题学习：承重纸箱小屋的设计与建造教案

小学六年级“工程与设计”跨学科主题学习：承重纸箱小屋的设计与建造教案

一、课题基本信息

（一）课题名称：小学六年级“工程与设计”跨学科主题学习：承重纸箱小屋的设计与建造教案

（二）授课对象：小学六年级学生

（三）课时安排：共4课时（每课时40分钟）

（四）学科融合：主要融合小学科学（技术与工程、物质科学）、小学数学（图形与几何、测量与数据）、小学美术（造型·表现、设计·应用）及综合实践活动（劳动技术、问题解决）。

二、教学背景与设计理念

（一）教学背景分析

1.课程标准依据：本设计严格遵循《义务教育科学课程标准（2022年版）》中关于“技术与工程”领域的核心要求，特别是工程设计与物化、技术与工程、人与自然和谐发展的理念。同时，融合《义务教育数学课程标准（2022年版）》中“综合与实践”领域的主题活动要求，强调在真实情境中综合运用数学知识解决实际问题，并参照《义务教育艺术课程标准（2022年版）》中关于设计应用与审美判断的目标，培养学生的创新思维与实践能力。

2.学情分析：六年级学生已具备初步的几何图形认知、测量计算能力（如周长、面积），对力的作用有感性认识，具备一定的动手操作和小组合作经验。他们对具有挑战性、创造性的项目式学习充满兴趣，但缺乏系统的工程设计思维、结构稳定性分析与优化、以及根据承重要求进行选材与加固的系统方法。本课题旨在将学生的兴趣引向严谨的工程实践与科学探究。

（二）设计理念

3.项目式学习（PBL）驱动：以“为班级流浪猫建造一个能承重的过冬小屋”为真实驱动性任务，将学习置于有意义的项目情境中，激发学生的内生动力与责任感。

4.工程思维贯穿：引导学生经历“明确问题—前期研究—设计方案—制作与测试—评估与优化—展示与反思”的完整工程实践流程，培养系统思维、统筹规划与迭代优化意识。

5.跨学科深度融合：不进行学科知识的简单拼凑，而是在解决工程问题的每一个环节中，自然融入数学的精确计算、科学的原理探究、美术的审美表达和劳动的技能训练，实现深度学习。

6.学为中心与深度协作：强调学生在项目中的主体地位，通过小组合作、图纸会审、成果互评等方式，培养沟通协作、批判性思维与问题解决能力。

三、教学目标（指向核心素养）

（一）科学观念与应用【重要】：了解不同纸材（瓦楞纸、卡纸）的特性（强度、防水性）。理解结构与稳定性之间的关系，初步认识三角形结构的稳定性、立柱与横梁的承重原理。能将科学原理应用于小屋的结构设计中。

（二）工程思维与创新【非常重要】：能运用基本的工程设计流程，经历从需求分析、方案设计、模型制作到测试优化的完整过程。能针对“承重”这一核心要求，提出富有创意的结构加固方案（如增加斜撑、制作双层墙体、设计拱形结构等）。【难点】【高频考点】

（三）数学能力与实践【重要】：能准确测量并计算所需材料的尺寸（长、宽、高），并能根据设计图进行比例缩放或实际放样。能通过数据（如承重测试结果、材料用量）对设计方案进行定量评估与优化。

（四）艺术表现与审美：能运用造型、色彩、装饰等艺术语言，使小屋兼具实用性与美观性，体现功能与形式的统一。能欣赏并评价自己与他人作品中的创意与美感。

（五）合作态度与责任：能在小组中承担具体角色（如设计师、结构师、建造师、美化师），乐于沟通，主动配合，共同完成项目任务。养成安全操作、珍惜材料、保持工作环境整洁的良好劳动习惯。【基础】

四、教学重难点

（一）教学重点【非常重要】：

1.经历完整的工程设计与物化过程，掌握设计图的规范绘制方法。

2.探索并应用三角形、拱形等结构增强承重能力的原理。

3.学会根据设计需求选择合适的连接与加固方式（如插接、粘接、组合支撑）。

（二）教学难点：

4.如何将抽象的力学原理（如压力分布、重心、稳定性）创造性地应用于具体结构设计中，解决承重问题。

5.如何在小组协作中，平衡创意构想与实际材料、工艺的限制，实现方案的可行性与优化。

6.精确测量、切割与组装过程中的手部精细动作控制。

五、教学准备

（一）教师准备：

1.材料：多种规格的瓦楞纸板（厚度不同的新纸板及回收纸板）、卡纸、硬纸筒（可作为立柱原型）、白乳胶、热熔胶枪及胶棒（教师指导使用）、美工刀（教师专用或学生安全刀）、剪刀、直尺、三角板、铅笔、橡皮、彩色笔或颜料。

2.工具与模型：不同结构（平面、三角形、拱形、圆柱）的承重演示模型、桥梁或建筑结构图片/视频、承重测试用砝码（或沙袋、书本）、电子秤。

3.环境：准备安全的美工操作区（铺设切割垫板），明确工具借用与回收规则。

（二）学生准备：

4.以小组为单位（4-5人/组），收集干净、平整的各类纸箱、纸板。

5.预习与结构相关的简单知识，思考生活中见过的坚固结构。

6.准备基本文具。

六、教学实施过程（核心环节）

（一）第一课时：任务驱动与构想设计——工程师的蓝图

1.创设情境，发布任务【基础】（约5分钟）

教师展示一组校园流浪猫在寒风中蜷缩的照片或视频，引发学生的同情与关注。“同学们，天气渐冷，我们如何利用身边的废旧材料，为校园里的流浪猫朋友设计和建造一个既温暖又能承受冬日雨雪（模拟承重测试）的小屋呢？今天，我们每个小组都将成为一个‘工程设计公司’，承接‘承重纸箱小屋’的建设项目。”【驱动性问题】明确项目最终要求：小屋内部空间至少能容纳一只猫（规定最小内部尺寸，如长40cm宽30cm高30cm），顶部需能承受至少5千克（kg）的模拟雪载或重物压力，且整体结构稳定，造型美观。

2.工程师第一步：明确需求与前期研究【基础】（约10分钟）

（1）小组讨论：“一个合格的猫屋，除了承重，还需要满足哪些条件？”引导学生从猫咪需求（保暖、安全、进出口）、环境适应性（防潮）、材料来源（废旧纸箱）和美观角度进行思考，形成初步的项目指标清单。

（2）观察与发现：【重要】教师出示不同结构的模型或图片（如平板、折叠的瓦楞板、三角形支架、拱门、圆柱），引导学生思考：“为什么平板纸板容易弯折，而折叠成波浪形或做成三角形支架后，它就能承受更大的力？”引导学生初步感知“结构改变强度”的工程思想，引出“三角形稳定性”、“拱形承压”、“圆柱抗弯”等核心概念。鼓励学生联系生活中的例子（如大桥的钢架、蛋壳、纸箱的瓦楞）进行解释。

3.工程师第二步：绘制设计蓝图——草图构思【非常重要】（约20分钟）

（1）教师讲解设计图的要素：一个合格的工程蓝图应包含【难点】：

A.整体外观图（从哪个角度看，画出基本形状）。

B.三视图（或简单立体图）雏形：初步构想小屋的长、宽、高，并标注关键尺寸。

C.【非常重要】结构细节图：重点标注“承重设计”。你准备在哪里加固？用什么方法？例如：是加厚墙体（双层瓦楞板），是在墙角加装三角形支撑板（角撑），还是在屋顶下添加“人”字梁或立柱？要求学生用简单的图示和文字在图纸上表达出至少两处增强承重能力的设计。

D.材料标注：计划使用什么类型的纸板（单层/双层瓦楞）用于哪个部分。

（2）小组合作构思与绘图：学生以小组为单位进行头脑风暴，在A4或A3纸上开始绘制草图。教师巡视指导，重点关注学生对“承重结构”的思考与表达，鼓励他们大胆设想，不必拘泥于绘图的精确性，重在记录想法。提醒学生考虑门洞的位置（不宜过大破坏墙体结构）、屋顶的形状（平顶、尖顶、拱顶对承重的影响）。

4.课堂小结与任务布置（约5分钟）

请1-2个小组简要介绍他们的初步构想和独特的承重设计。教师肯定创意，并布置课后任务：继续完善设计图，特别是尺寸标注和结构细节。以小组为单位，根据设计图初步收集和准备所需的特定尺寸的纸板。

（二）第二课时：方案深化与材料准备——从图纸到现实

1.图纸会审与可行性分析【非常重要】（约10分钟）

（1）组内互审：每个小组成员轮流介绍自己设计的部分，共同讨论设计的优点和可能遇到的问题（例如：“这个尖屋顶很漂亮，但斜面的连接处能粘牢吗？”，“这个立柱用纸筒，它和屋顶怎么连接？”）。

（2）教师引导焦点：组织全班进行关键问题探讨【难点】：“如何让墙体之间的连接更牢固？”（引出插接法、L型连接、使用加强筋等）。“屋顶如何有效分散上方压力？”（再次巩固三角形桁架、拱形结构、网格状加固等概念）。教师结合实物投影或图片，展示几种典型的纸板连接与加固工艺，如“插入式榫卯”、“双层墙中加竖筋”等，为学生提供技术脚手架。

2.精确测量与材料规划【重要】（约15分钟）

（1）数学工具的应用：各小组根据最终确认的设计图，开始计算所需材料的尺寸。教师强调【基础】：“设计图上的尺寸是‘成品尺寸’，我们在下料时，必须考虑纸板的厚度和连接方式预留的余量。比如，如果你要做一个双层墙，内墙和外墙的尺寸分别应该是多少？如果你要采用插接结构，插槽的宽度和深度如何精确计算？”

（2）实践操作：学生使用直尺、三角板在收集来的纸板上进行放样，用铅笔轻轻画出切割线。过程中需反复测量、核对，培养严谨的科学态度。教师巡回指导，纠正测量方法，帮助学生理解“净尺寸”与“毛尺寸”的关系。

3.安全培训与工具试用【基础】（约10分钟）

（1）【非常重要】安全教育：教师严肃讲解美工刀等工具的安全使用规范。“刀片伸出长度适中，保持刀刃锋利（钝刀更危险），切割时身体位于刀后，另一只手按住尺子和纸板，手指远离切割线，采用多次、轻划的方式，而不是一次用力过猛。”强调必须在专用切割垫板上操作。

（2）工具试用与练习：学生在废纸板上练习直线、曲线的切割技巧，熟悉热熔胶枪的使用方法（预热、点胶、按压固定的时机）。教师逐一检查学生的操作手法，确保安全。

4.下料与初步切割（约5分钟）

各小组根据放样结果，开始初步切割主体结构的大块板材。考虑到时间有限，此环节主要为启动，重点在于分工协作。一部分学生负责切割，另一部分学生负责整理边角料备用（可用于制作加固件）。教师全程监督安全，并提供切割技巧指导（如切割长直线时，如何用夹子固定尺子）。

（三）第三课时：主体建造与结构加固——小工匠的协作

1.组装地基与墙体【基础】（约10分钟）

（1）各小组按照设计，开始组装小屋主体。通常从底板开始，然后依次安装四面墙体。教师引导学生思考组装的顺序：“是先装墙再装地板，还是先装地板再装墙？怎样操作更方便且结构更稳固？”

（2）【重要】连接工艺指导：重点指导墙与墙、墙与地板的连接。推荐使用“L型插接”或“双层板错位粘接”。对于直接粘接，强调涂抹胶水的面积要足够，按压时间要充足，必要时在内部转角处增加三角形纸板进行“角撑”加固，这是提升整体稳定性的关键步骤。教师展示如何制作并安装角撑。

2.核心任务：承重结构施工【非常重要】（约20分钟）

这是本课时的重中之重，直接关系到项目成败。

（1）屋顶结构的安装与加固：

A.对于平顶设计：指导学生在屋顶面板的下方，增加“横梁”或“龙骨”。即用长条纸板（可多层粘合增加厚度）纵向或网格状粘在屋顶板下，再将两端支撑在墙体上。教师强调：“这就像房子的楼板下面有梁，可以把屋顶受到的压力均匀传递到墙体。”

B.对于尖顶设计：重点指导学生制作“三角形屋架”。即用纸板切割出两个相同的直角三角形或等腰梯形，作为山墙，然后在两侧斜坡面上覆盖屋面板。屋面板与山墙的连接点需重点加固。中间的三角形空隙本身就是非常稳定的结构。

C.对于拱顶设计：指导学生如何用多层纸板裁切成拱形并叠加粘合，形成具有一定强度的拱肋。

（2）墙体薄弱环节加强：

A.门洞的处理：门洞是墙体最脆弱的部位。指导学生将门洞四周用纸条或纸板“包边”，形成一圈加固框。

B.立柱的添加：若内部空间允许，可在屋中心或四角添加纸筒立柱，上顶屋顶，下连底板，成为主要承重柱。指导学生如何确保立柱垂直，并与上下板面充分粘合。

（3）【难点突破】教师巡回，针对各小组的具体问题提供技术支持。例如，发现某小组墙体摇晃，引导他们检查连接处是否牢固，或建议增加横向的“圈梁”（即围绕墙体内部一周的加固带）。

3.承重前初步稳固与调试（约5分钟）

主体结构基本完成后，留出时间让各小组检查并微调。轻轻晃动小屋，感受其稳定性。对于不稳固的连接点进行补胶或增加辅助支撑。教师强调：“好的结构是‘一体化’的，每个部分都相互支撑。”

4.收尾与清理（约5分钟）

整理工具，清理废料，将半成品放置在安全、通风处晾干，为下节课的最终装饰与测试做好准备。

（四）第四课时：美化装饰与终极测试——产品的诞生

1.艺术美化与功能完善【重要】（约15分钟）

（1）审美引导：教师展示一些经过艺术化处理的纸板建筑或猫屋图片，引导学生讨论如何利用色彩、图案、造型让小屋更具美感，同时兼顾猫咪的习性（如内部尽量素净，外部可鲜艳活泼）。

（2）【基础】动手装饰：学生使用彩色笔、颜料、贴纸或彩色纸片，为小屋外墙进行装饰。可以画上图案，模拟砖墙、木纹，或者进行抽象涂鸦。同时，可以为小屋添加一些功能性细节，如用小块纸板制作一个屋檐、一个门牌，或者用废旧布料制作一个柔软的内垫（不计入承重测试）。

2.终极挑战：承重测试与评估【非常重要】（约15分钟）

（1）测试准备：教师宣布测试规则。将小屋平稳放置在桌面上。准备已知重量的砝码或重物（如书本，需提前用电子秤称重并标记重量）。

（2）【高频考点】【热点】承重测试：

A.静态承重测试：将重物（如5kg沙袋或等重书本）轻轻放置于屋顶最脆弱的中心位置，观察30秒，记录小屋是否出现明显变形、坍塌或关键连接点脱胶。

B.极限承重探索（可选）：对于结构非常稳固的小组，在征得他们同意后，可以逐步增加重量，直至结构破坏，记录最大承重值。这不仅是对他们作品的考验，更是生动的“极限状态”工程教育。

（3）过程观察与记录：在测试过程中，全体同学共同观察。教师引导学生关注：失败的小组，问题出在哪里？（是材料撕裂？连接处脱开？还是整体垮塌？）成功的小组，他们的关键加固点在哪里起了作用？

3.成果展示、反思与评价【重要】（约10分钟）

（1）小组陈述：每个小组用1分钟介绍自己的设计理念、最得意的承重设计，以及制作过程中遇到的困难和解决方法。

（2）互动评价：采用“工程师评审会”形式。其他小组和教师从“科学/工程（结构、承重力）”、“艺术/创意（美观、巧思）”、“团队协作”三个维度进行点赞或提出改进建议。评价不仅看结果，更看重设计思路和问题解决过程。

（3）教师总结：肯定所有小组的努力与创造，回顾整个项目历程，再次强调整合学习、系统思维、迭代优化的工程核心素养。引导学生认识到，真正的工程产品正是在这样不断的设计、测试、改进中诞生的。

七、教学评价设计

本设计采用过程性评价与终结性评价相结合，自评、互评与师评相结合的方式。

（一）过程性评价（占60%）：

1.工程设计图（15%）：【重要】评价设计图的完整性（尺寸、结构标注）、创造性（承重设计的巧思）及可行性。

2.小组协作表现（15%）：【基础】评价成员参与度、分工合理性、沟通协作情况及安全操作规范。

3.阶段性任务完成情况（30%）：评价材料准备、测量精度、切割质量、结构组装及美化工作的效率与质量。

（二）终结性评价（占40%）：

4.终极承重测试（20%）：【非常重要】以能否通过预设的5kg承重测试为