“飞向太空”单元内容解析与教学策略

孙宏 李冷仪 周易

摘要在小学科学课程标准的引领下，“飞向太空”单元内容突出技术与工程领域学习的特点，在“建模”思想框架下，以技术与工程领域的学习内容标准为切入点制定相应的教学策略，落实教材关于技术与工程领域学习的进阶特点。

关键词技术工程;教学策略;建模

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.007

Content Analysis and Teaching Strategy of "Flying into Space"

SUN Hong1，LI Lengyi2，ZHOU Yi1

（1. Guangnei Branch of Beijing Primary School，Beijing 100032;

2. The Primary School Affiliated to the Normal School of Xicheng District of Beijing，Beijing 100032）

Abstract：Under the guidance of the primary school science curriculum standards，the content of the "flying to space" unit highlights the characteristics of learning in the field of technology and engineering. Under the ideological framework of "modeling"，take the learning content standards in the field of technology and engineering as the starting point，formulate corresponding teaching strategies，and implement the advanced characteristics of learning in the field of technology and engineering in the teaching materials .

Keywords：technical engineering;teaching strategy;modeling

1内容解析

“飛向太空”是人教鄂教版《科学》六年级下册的第四单元，也是本册的最后一个单元。在前一单元“探索宇宙”中，学生认识了太阳系，了解了人类探索宇宙的历程。在此基础上，本单元引导学生认识飞行器，了解各种飞行器的动力;通过探究活动了解反冲力，将学习到的知识运用到设计与制作火箭模型的工程实践中;让学生模拟探索火星，思考如何制订火星定居计划，跨出他们探索宇宙的第一步。

本单元以飞向太空为线索和情境，教学内容按照顺序可以看作飞向太空的三个阶段，同时按照工程设计和技术应用难度进行分析，由易到难，由简单到复杂，层层递进。

1.1飞向太空的三个阶段

阶段一：飞起来离开地面，在天空中飞行。

阶段二：飞出大气层，由地球到火星，在太空中飞行。阶段三：飞到火星，到达火星并安全降落。

要飞向太空先要“飞起来”，就需要了解飞行技术，找到相关技术来源，即认识飞行器中的仿生学。解决了“飞起来”的问题还不够，因为飞机等只能在大气层内飞行，要飞向太空探索宇宙需要相应的运载工具，这就引出了“飞出大气层”。飞出大气层的核心任务是制作火箭，需要根据具体的需求不断设计、制作、测试、改进火箭，以达到任务要求。借助火箭飞到了火星还不够，还需要安全降落，这就引出了“飞到火星”，要求飞行器在火星上安全降落，保证人的生存。在这一模拟任务中，需要综合运用多种技术完成复杂的工程。

1.2利用技术的三个层级

从应用技术的角度进行分析，这个单元从简单了解技术的由来到利用简单的技术，再到综合运用多种技术，逐级上升。

第一层级：了解技术来源——仿生学。

第二层级：利用技术——反冲原理。

第三层级：整合多种技术——和生存相关的复杂技术。

1.3工程设计的三个层级

从工程设计角度进行分析，三个任务都需要一定的设计思维，这些活动也是由易到难逐级发展。

第一层级：利用已有技术，尝试对飞行器进行设计。第二层级：按照具体需求对单一系统工程进行设计。第三层级：利用多种技术，按照需求对复杂多系统工程进行设计。

2建立模型的教学策略

经过六年的科学学习，学生应已形成了一定的工程技术思维能力和自主探究能力。根据学生和教学内容的特点，教师可以先确定三个重点教学内容，并以技术与工程领域的学习内容标准为切入点展开教学：认识仿生学，在自然界中找到原型;引导设计，了解工程是运用科学和技术进行设计解决实际问题;认识一个工程需要由多个系统组成。然后制定相应的教学策略，引导学生使用“建立模型”的方法开展工程设计。

模型建构是科学探究和工程实践的核心思维之一。模型的类型各异，每个模型都是物质世界的某一系统抽象而成的具象模型。研究和设计的系统，既要建构具象模型，也要建构抽象模型。这里所说的具象模型是指图片和图表的结合，即所有帮助科学家和工程师理解被研究的物体或要解决问题的物质模型、数学模型或计算机模拟。模型与物质世界的关系类似于地图与地图所代表的实地之间的关系。

“飞向太空”单元教学是对实际工程设计的模拟，既是对工程设计流程的模拟，也是对工程中应用技术的模拟，还是对过程中解决实际问题的模拟。下面结合本单元各课介绍建立模型的教学策略。

2.1《认识飞行器》教学策略分析

人类认识世界的行为实际上是先在自己的头脑中构建模型。古人向往神秘莫测的天际，却上天无路，只能寄托于神话般的幻想，于是出现了嫦娥奔月、蜡制羽翼、飞车、飞毯等神话传说。

事实证明，作为自然界高等智能动物的人类并非万能，人类的许多发明创造和设计灵感来自自然界的其他生物，即所谓“师法自然”：以自然为师，效仿自然。空中翱翔的鹰，扑翼飞行的蝴蝶，甚至天上飘浮的白云、风中飘舞的树叶……自然界中种种飞舞、飘动的事物都足以引起人们对飞行的向往。古人就是通过长时间的观察生活，顺应自然规律，想象出许多能在天地间飞来飞去、具有腾云驾雾本领的人物传说。

在这个学习过程中，学生通过查阅资料和观察比较，知道设计飞行器首先要从自然界中获取创造灵感，寻找合理的设计原型。

2.1.1认识仿生模型

对生物原型的某种结构与功能进行仔细研究、合理简化，可以提出一个仿生模型。人类天生没有翅膀，但是经常看到振翅飞行的鸟，渴望自己可以像鸟儿一样自由翱翔，于是就有人开始尝试动手制作类似翅膀的模型让它飞行。学生通过资料知道中国在汉代以前就发明了风筝，它是中国劳动人民对人类实现飞行梦想的最杰出的贡献之一，被传到西方后，许多航空先驱者就是从研究和试验风筝开始的。

风筝是依靠风力、借自然空气动力原理飞行的飞行器，造型多种多样，有“鹰”形、“蝶”形、“龙”形、“蜻蜓”形等。我们选择了北京人熟悉的“沙燕”风筝，引导学生进行观察。学生很快发现，风筝在形态上模仿的就是鸟类，有头、躯干、尾还有翅膀，他们觉得这应该是模拟小燕子飞翔时的样子。

在这个环节，学生通过观察、讨论熟悉的沙燕风筝，认识人类最初对飞行的研究就是从模拟自然界中鸟类和昆虫等的飞行状态开始的。这样教学，能够激活学生头脑中的设计思维，帮助他们建构仿生模型。

2.1.2探索飞行原理

19世纪，飞机的研制进入一个空前活跃的时期。有关飞机升力、阻力、稳定与操纵的理论初步建立起来，对动力飞机的探索、研制取得了可贵的经验。尽管先驱者们没有最终研制成功有动力、可持续飞行的飞机，但他们的工作为莱特兄弟打下了坚实基础。空气动力学之父英国乔治·凯利，发现鸟类的翅膀不只是提供动力，还提供了升力。他发现空气在不同形状的面流过时产生的压力不同，提出了通过固定机翼提供飞行升力的想法。这里，我们要让学生认识和感受这项技术，感受科学家在研究仿生学时的探索和尝试，并对学生提出问题：“像飞机这样庞大而沉重的身體是怎么攀升到空中，并在空中飞行呢？”引发他们进一步思考。

首先，我们将问题聚焦到飞机机翼。学生针对以上问题，能很快说出：因为飞机的设计灵感来源于鸟类，小鸟利用翅膀飞上天，应该和机翼有关。学生回答问题后，教师引导他们观察机翼具有“上凸下平”的结构，和鸟类翅膀一样，从而认识到机翼的横截面是“翼型”。然后，引导学生分析机翼的设计：有翼型的飞机飞翔状态会更好。到底是不是这样呢？引导学生设计实验，对有翼型和没有翼型的飞机飞行状态进行比较，体验科学家的探索过程。

2.1.3感受仿生学技术

仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来。通过观察和实验，学生知道了翼型的设计灵感来源于鸟类翅膀的结构，飞机升力的产生与翼型密不可分，也体会到升力的产生是非常复杂的，与飞机整体的气动外形、飞机姿态和飞机附近气流都有关系。到此，学生对飞行器仿生学的发展有了一定的认识。人类为了完成飞天梦想，从观察身边事物中不断获取灵感。学生认识了飞行器的发明是从模仿开始的，从简单模拟形态，到深入研究功能，制造、发明出了一代又一代的飞行器。

仿生学不仅仅是简单的形态仿生，更重要的是在仿生中找寻灵感解决实际问题。本环节借助学生熟悉的飞行器——飞机，具体分析飞机各部分的仿生技术，如双翼形态、流线型机身、尾翼状态等，这些都是对鸟类形态的仿生设计。学生通过感受仿生技术，为后面利用仿生技术尝试设计飞行器打好基础。

2.1.4利用仿生学灵感设计飞行器

本环节学生将尝试设计一款飞行器，他们的设计中会运用“苍蝇的平衡棒导航原理”“墨鱼喷射功能”“蝙蝠的微波导航原理”“蜻蜓的翅痣结构”等仿生技术。学生的设计可能还不尽如人意，但还是成功迈出了第一步，为下节课打下基础。

2.2《制作“火箭”》教学策略分析

从飞行器过渡到制作“火箭”需要搭建思维转换的平台，先明确为什么选择火箭这种飞行器，再探索火箭的基本原理。

2.2.1比较火箭和其他飞行器

可以先对上一课进行回顾并提出问题：我们该选择怎样的飞行器离开地球，遨游太空？学生在比较和讨论过程中，发现不管是研究飞行器的动力、最大高度，还是研究飞行器的飞行速度，设计和制作“火箭”是最好的选择。

2.2.2探索火箭原理

此环节对火箭的动力——反冲力进行讨论，通过两个反冲实验了解反冲力。学生通过讨论，分别从火箭动力、火箭结构以及使用材料三个方面讨论设计方案。在讨论过程中，学生多次调整想法和思路。最后，学生分组设计、展示火箭模型设计图。展示者要倾听其他同学的改进意见，修订、完善设计思路。

2.2.3了解火箭技术的发展

在测试和发射“火箭”后，有的学生体会到发射成功的喜悦，也有学生会因为没有发射成功而失落。这时可以切入科技史的故事，介绍现代火箭技术之父——罗伯特·戈达德的例子，鼓励失败的学生继续探索。学生像现代火箭之父那样发现自己“火箭”的问题，再次设计制作“火箭”，体验火箭技术的改进和发展历史。最后，介绍我国长征系列运载火箭的发展。

综上所述，学生在制作需求的推动下，通过技术迭代，感受科学技术的发展。这节课，可以在学生心里埋下一颗飞向太空的种子，让他们学会运用科学和技术进行设计，解决实际问题和制造产品。

2.3《模拟探索：到火星上去》教学策略分析

本课重在让学生通过模拟探索火星和火星居住地，体会探索火星是一个复杂的工程，理解一项工程是由多个子系统组成。

本课的工程任务可分为三个阶段。第一阶段，分析想要在火星定居有哪些需求。第二阶段，引导学生进一步分析火星探测器的组成部分，并完成单一任务的设计。第三阶段，带领学生分析、制订一份较为完整的“火星定居计划”。下面重点介绍后两个阶段。

制作“火星探测器”是一项很复杂的任务，学生的构想很难实际做出来并进行测试，教师可以引导他们重点设计、制作“火星探测器”中的一个子系统——着陆装置。在这一环节中，首先引导学生解决如何让“火星探测器”安全着陆这一问题。

学生提出初步猜想后，引导他们想办法进行验证。学生可能提出利用鸡蛋进行模拟实验来验证，然后设计着陆装置。学生探究完“火星探测器”如何安全着陆后，引导他们思考“火星探测器”还需要哪些装置。最后总结：“火星探测器”的设计是一个非常困难的任务，可以将这一复杂的问题分解成多个较为单一的问题，将检测装置、能源装置、行驶装置、通信装置等一系列问题逐一解决后，再进行汇总，最终我们就可以完成“火星探测器”的设计。

制订“火星定居计划”也是一个复杂的工程任务。首先，引导学生认识火星与地球有很多不同，知道人类以及地球上的各种生物，都不能直接在火星上生存，还需要做一些准备。然后，引导学生对比火星与地球，发现火星与地球的环境不同，进而思考在火星上生活会遇到哪些问题，如缺乏氧气、温度极端、缺少水、光线辐射强等。学生围绕这些问题，搜集相关资料，进行讨论，形成书面的“火星定居计划”，然后分组解决这些问题。以下是一些小组“计划”的部分内容。

1组：要解决温度、居住、食物、能量供应等问题。我们设计了氧舱、蓄水池、植物大棚、堡垒式的住宅和工作区。由于火星环境恶劣，不容易在地表活动，这些建筑物之间应该有管道连通。除此之外，我们还设置了风力发电装置，为各种设备提供电力。

2组：要解决食物问题。我们组设计了火星农场规划图，它由信号塔、种植区、养殖区、监控室等组成。

组内确定方案后就可以搭建，从而更加直观、形象地表达设计，除了利用沙盘搭建，还可以自制模型进行搭建。

通过以上教学活动，学生可以充分体会一项工程的复杂性，理解工程是由多个子系统组成，而不仅是一些要素的简单叠加。

3技术与工程领域学习进阶特点

“飞向太空”单元是本套教材最后一个技术与工程内容，旨在帮助学生更好地认识和理解建立模型在解决问题中的作用。建立模型是高年级技术与工程领域学习的主要方法，也体现了人教鄂教版《科学》教材关于技术与工程领域学习的进阶特点。综观技术工程内容的特点，我们发现，本套教材的技术与工程单元主题在难度上呈阶梯式上升，符合不同年级学生的认知规律：从观察了解生活中常见事物到关注仿生学原理，从简单的任务出发到通过需求推动技术迭代，从熟悉技术工程流程到理解工程子系统思想，每一步的升级改变都在帮助学生更好地体验科学家、建造师、工程师的思维过程和严谨的工作态度，推进他们的思维发展。除了培养科学思维，本套教材关于技术与工程领域的学习进阶还有以下特点：

3.1由“展示与改进”到“测试与改进”

从一年级到三年级上学期，技术工程的任务分别由设计制作简易笔筒，到设计制作指南针、制作小船、创意发明以及设计与制作建筑模型，每一项制作过程都遵循具体的流程。一年级学生对自己的作品要进行“展示与改进”，到了二年级和三年级，逐步变为“测试与改进”。对于一年级学生来说，主要鼓励他们勇于展示自己的作品，在展示交流、小组互评中思考作品存在的问题和改进方法。从二年级开始，要求学生通过简单“测试”的方法来发现问题并解决问题。由“展示”到“测试”的词汇变化，也是让学生由“通过简单交流来说明制作物品的优缺点”到“用测试结果说明制作物品优缺点”的一个转变，是技术与工程领域學习的一个重要发展进阶过程。

3.2从“具体任务”到“根据需求”

工程的关键是设计，学生要针对一个具体任务，按照设计的基本步骤设计一个产品或完成指定任务。例如，四年级下册《设计和制作日晷》到六年级下册《制作“火箭”》形成一个进阶，引领学生从简单的设计到根据现实的需要设计简单的器具或完成任务，不断地进行“设计一建造一测试”这一“技术流程”的循环。

3.3从“认识经验型技术”到“认识科学型技术”

技术的核心是发明，是人们对自然的利用和改造，技术发明通常蕴含着一定的科学原理，学生对于发明的了解和认识是逐渐深入的。

中年级要让学生知道一些著名的工程师、发明家的事迹，了解他们的设计和发明过程。这里的技术发明属于经验型技术，如三年级上册《小小建筑师》中列举了鲁班发明了锯子、墨斗、刨子等工具。高年级学生要说出工程师利用科学原理发明创造的实例，了解科学型技术，如六年级下册《认识飞行器》中的仿生学。

3.4由“技术”到“工程”

“工程”包含“技术”，比“技术”的范畴更大、更复杂。本套教材低年级呈现的多是技术内容，到了中高年级后，慢慢趋向工程设计。例如，一年级下册的《制作指南针》，学生需要学会用磁化的方法制作小磁针，设计、制作、改进指南针的过程都属于技术内容。六年级上册的《建造“植物工厂”》是一项生物工程，材料的选择、设计的构思、搭建的过程都要更加全面地考虑，明显要复杂且系统化。这样，在帮助学生夯实科学知识和技术能力后，逐步由“技术”过渡到“工程”，能够发展学生综合运用所学知识的能力，让他们逐步体会科学、技术、数学和工程之间的融合关系。

3.5由“简单”到“复杂”，由“外”而“内”

按照不同年级学生的认知特点，各年级技术与工程单元的设计与制作的物品在选取上有所不同，由一个小笔筒到指南针、小船的模型，再到建筑模型和小车模型，学生完成了三个梯度的学习过程。由观察外观后就可以设计制作（笔筒），到了解物质性质和各部分组成后才能设计制作（指南针与小船），再到充分了解内部结构搭建原理、内部动力装置原理后，进行设计制作（建筑模型与小车模型），这种让学生由观察外形特点到深究内部原理的工程任务，在思维上的要求是由“简单”到“复杂”、由“外”而“内”，这样的学习梯度符合学生的认知水平，也使他们面临更多的挑战。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[2]黄国胜.小学科学“技术类”课型教学策略[C].浙江省教育厅教研室.浙江省小学科学学科教学论文集，2012.