首都师范大学出版社四年级上册科学《制作我家的安全报警器》公开课教案教学设计.docx

第四章 技术与科学案例3:制作我家的安全报警器本教案为省级小学科学优质课一等奖主题制作我家的安全报警器教材版本首都师范大学出版社年级四年级上册单元电与生活课时第5课时一【课标内容】18工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。18.2工程的关键是设计。三至四年级 知道工程设计的基本步骤包括明确问题、确定方案、设计制作、改进完善等。三至四年级 针对一个具体的任务，按照设计的基本步骤来设计一个产品或完成指定的任务。18.3工程设计需要考虑可利用的条件和制约因素，并不断改进和完善。三至四年级 对自己或他人设计的想法、草图、模型等提出改进建议,并说明理由。三至四年级 在制作过程中及完成后进行相应的测试和调整。二【教学目标】（）活动总目标1. 科学知识：（1）在“制作我家的安全报警器”这一现实任务的驱动下，学生能 发现安全报警器的电路要有断开和闭合两种状态。在使用过程中，需要考虑安全报警器 的安装等实际问题。（2 ）在实施项目解决问题的过程中，学生能知道工程研制的基本步骤。2. 科学探究：（1）在遇到困难时，学生能够主动思考解决问题的办法，根据 实际需求，不断优化设计层次，解决实际问题。（2）通过主题活动的学习，提升学 生发现问题、理解问题、分析需求、提出假设方案、优化设计、检测假设、测试评 估等问题解决能力。（3）在教师引导下，能对自己的探究过程、方法和成果进行反 思，找到新的研究方向，进一步满足实际生活需求。3. 科学态度：通过主题活动的学习，学生乐于尝试运用多种思路解决实际问题， 在面对失败时，有不怕困难、勇于改进的探索精神，并将这种精神运用到学习和生 活中。4. 科学、技术、社会与环境：通过主题活动的学习，学生在“制作我家的安全 报警器”任务驱动下，可以不断发现实际问题，找到对安全报警器的真实需求，并 根据需求完成3个层次的设计优化，找到解决问题的方法，从中了解并意识到人类 会对产品不断改进以适应自己不断增加的需求。（二）本课教学内容的具体目标1. 科学知识：在“制作我家的安全报警器”的现实任务驱动下，知道应用知识去设计安全报警器的机关。能在安装前或者在设计中发现装置的需求：关门时安全报警器的电路要断开，外面有人开门时电路要闭合。2. 科学探究：通过创建生活中的真实场景，激发学生的探究欲望，使学生能够 运用学习过的电学知识完成安全报警器的设计优化与制作安装。3. 科学态度：学生乐于尝试运用多种思路解决实际问题，体验创新的乐趣；乐 于与他人合作并愿意接纳他人的建议，完善自己的设计；愿意分享自己的学习成果， 体验解决问题的快乐。4. 科学、技术、社会与环境：在设计与制作安全报警器的过程中，学生可以完成相应实际问题的测试和调整。从中了解并意识到人类会对产品不断改进，以适应自己不断增加的需求，体验人类改进产品是为了解决自己生活中的实际问题。 三【学情分析】1.对电路知识储备的分析。本教学设计施教的对象是小学四年级的学生。培养学生解决问题的能力，一定要在学生具备足够知识储备的前提下进行。因此，在学习完电与生活单元后， 教师设计了前测内容，并根据前测内容设计了有针对性的教学策略，从而提升学生 解决问题的能力。2. 对家庭门锁使用情况分析。培养学生解决实际问题的能力，情境的创设要来源于学生的真实生活环境，一 定要在学生具备足够的生活经验的前提下进行。因此，在活动前教师设计了学生家 庭门锁使用情况的前测，并根据前测内容制作了不同数量、不同种类、与学生家中 一样的门锁模型，在高度还原生活真实情况的同时，提升学生解决实际问题的能力。根据前测内容可知，学生具备足够的电学知识，对自家的门锁种类也有一定的 了解，但是缺少将知识与实际生活环境相联系的能力。同时，学生仅仅能考虑到电 路的连接，却容易忽视使用安全报警器时开门和关门时电路的状态不同。因此，教师需要在课堂中帮助学生自主发现问题、找到需求、优化设计，进一步测试、评估， 最终完成安全报警器的制作，形成解决安全报警器问题的设计方案。3. 对问题研究能力的分析。学生通过三年的科学课的学习，已经初步具有了一定的发现问题、观察现象、 分析问题、小组合作等能力。4. 对学生认知特点的分析。四年级学生正处于具体形象思维向抽象思维过渡的阶段，因此教师需要在教学 活动中设计形象、具体的实物，帮助学生完成思维的转变，从而达到对学生解决问 题能力的培养。5. 第3课时(本课)活动前，对学生完成任务情况的分析。通过第1课时制作我家的安全报警器1的学习，学生成功完成了安全报警 器元件材料的选取和基础电路的设计与连接等工作，全班7个小组都可以让安全报 警器正常响起来、亮起来。四【教学重点与难点】1. 本课教学重点：（1）在“制作我家的安全报警器”这一现实任务的驱动下，学生能应用所学知（2）识去设计安全报警器机关；能在安装前或者在探究过程中发现结构的需求：开门时 安全报警器的电路要断开，有人从外面开门时电路要闭合。（3）激发学生的探究欲望，能够运用学习过的电学知识完成安全报警器的设计优化与制作安装，解决实际安装的问题。2. 本课教学难点在设计与制作安全警报器的过程中，学生可以完成测试，并根据实际出现的问 题进行调整。从中了解并意识到人类会对产品不断改进，以适应自己不断增加的需求, 体验人类改进产品是为了解决自己生活中遇到的实际问题。五【设计理念】1.我的思考解决问题的能力是学生在成长过程中的一项重要素养，随着解决问题能力的提 高，学生能够更好地面对实际生活中的各种问题。教育心理学家通过实际教学与研 究发现，学生解决抽象且不带具体情境的问题时比较容易，解决具体且接近实际生 活的问题时比较困难。如何将科学教学与生活紧密联系起来，在科学课中培养学生 解决实际问题的能力呢？针对这一问题，我开展了 “创设生活需求情景，提升学生 解决实际问题的能力”的课题研究。活动主题来源于以下3方面。(1)源于人类生活问题解决的需求。义务教育小学科学课程标准指出，在技术与工程领域中，学生应能了解并 意识到人类对产品不断改进以适应自己不断增加的需求；了解人类的需求是影响科 学技术发展的关键。人类的需求，就是人们要解决的生活中的实际问题。因此，人们需要通过优化 产品设计来解决问题，满足生活需求。但现实问题往往是综合性的，其复杂程度比 较高。学生在科学课的学习中，可以体验一个根据真实需求解决现实问题的过程， 自己不断做出新的尝试，从而突破自己的局限，开发自身潜能，为提升自身能力打 下基础。(2 )源于核心素养的培养需求。核心素养是指学生应具备的适应自身发展和社会发展所需要的必备品格与关键能力，科学这一学科着重培养的核心素养是学生在接受科学教育的过程中逐步形成 的重要品格和关键能力，两者在方向和性质上是统一的。核心素养中提到的“解决 问题”是指善于发现和提出问题，有解决问题的兴趣和热情；能依据特定情境和具 体条件，选择制订合理的解决方案；具有在复杂环境中行动的能力等。(1) 源于学生的需求。在本学期上科学课的时候，有个学生从家里拿来一个坏了的安全报警器，并告 诉我他的奶奶年纪大了，经常忘记关门，还有一次奶奶自己开门出去了，但是家里 却没人知道，差点走丟了，特别危险。于是，爸爸就在家里安装了一个安全报警器， 只要开门就会响，之前出现的问题就都解决了。可是，昨天他在家里扔球玩，把门 上的安全报警器给砸下来摔坏了，把外壳拆开后发现里面的装置看上去挺简单的， 想带到学校找老师帮忙修好它，或者教他重新做一个，这样家里就有备用的了。这 个想法一下子在班里引起了其他学生的共鸣。还有的孩子说自己全家每次外出旅行 的时候，妈妈都会带一个安全报警器，安装在宾馆的门锁上，全家就能踏实睡觉了， 自己也想做一个送给妈妈。所有学生都对给自己家的门锁安装一个安全报警器有着 浓厚的兴趣。针对学生的实际需求，我决定将电学的内容进行拓展，开设“制作我家的安全 报警器”这一解决生活中的实际问题的实践活动课。力求以学生为中心，引领学生 经历完整的安全报警器的设计制作，以及遇到问题并解决问题的过程，从而提高他 们解决实际问题的能力。2. 指导思想在工程实践活动中创设生活情境，力求以学生为中心，借助与学生家门锁一样 的实物模型和安全报警器，使用根据实际生活需求分析问题的教学手段与策略，分 层次地引导学生经历从发现问题开始到理解问题，再到发现真实需求、提出假设、 设计可行方案、检验假设、测试评估、完成安全报警器的设计制作，最终解决问题 的过程，可以有效地达成对学生解决问题能力的培养。3. 理论依据教育心理学一书指出：“问题解决是指在具有明确目标的情况下，达到目 标的途径或方法，而运用一系列有指向的认知操作过程。问题解决有目的性、认知性和序列性的基本特点。”中国学生核心素养总体框架中指出：解决问题能力的重点是“善于发现和 提出问题，有解决问题的兴趣和热情；能依据特定情境和具体条件，选择制订合理 的解决方案；具有在复杂环境中行动的能力等”。美国发布的国家科学教育标准中科学和工程实践部分指出：“从工程的角 度来看，学生需要知道人类是如何利用科技知识来解决难题的。学生应学习如何运 用所学的科学知识解决生活中乃至更广阔的社会中的实际问题。”从中我们可以看出，工程实践活动是帮助学生体验运用所学知识解决实际生活 中的问题的活动：学生根据自己的生活需求发现问题，制订合理的方案，经历优化 设计形成最终方案，从而解决实际问题的过程。在一次又一次的优化设计中，可以 有效提升学生解决实际问题的能力。综上所述，这节课我将引导学生从回顾制作安全报警器的前期设计优化过程开始,逐步开展图3-1所示的教学环节。4.教学背景分析(1)教学内容分析。本课内容是首师大版小学科学三年级教材电与生活，前面有正电和负电 电池点亮小电珠导体和绝缘体等课程内容，本课是使学生将上述电学 单元知识进行整体应用的工程实践课。(2 )教学方式与手段。教学方式：开展实践活动、师生交流互助式探究。教学手段：实践活动与交流互助相结合，其中以实践活动为主。创设场景，促进学生发现自身安全报警器设计上的问题，分析问题，理解问题， 找到满足需求的问题解决方案。提供材料，进行实践活动，设计假设方案，对方案进行检测，在全班开展相互 点评活动，加快学生提出对安全报警器在实际使用过程中的彳段设和检验假设的过程， 并根据检验结果进一步优化设计方案，最终成功制作安全报警器。应用传屏等最新信息技术手段，直播学生解决问题的过程：组织交流一发现生 活中的真实需求T分享经验T受到启发一优化设计T总结归纳，进一步提升学生解 决生活中的实际问题的能力。六【教学准备】教学需要准备的设备及模型等见表3-l立体板书材料和主题记录单需要准备的多种安装设计材料，例如：强力胶、剪刀、线绳、夹子、弹簧等。其他材料：PPT、记录单等。七【教学过程设计】1.整个主题活动的内容在本次主题活动中，教师引导学生通过拆解安全报警器分析其使用电路时的电 路状态：安全报警器报警成功时电路为闭合状态，可是报警器的电路不能一直闭合， 在安全报警器停止报警时，电路呈断开状态。开门的时候，电路需要结合门锁的实 际情况借助设计安装的机关实现自动闭合，而不是手动操作。报警后，安全报警器 的电路还需要自动断电，甚至可以达到多次使用不需要重复安装的效果。2.完整主题活动的教学步骤 3.完整活动的实施过程通过第1课时制作我家的安全报警器1的学习，学生根据已有知识完成了 电路图的设计。但是，当他们将电路连接完成后发现了新的问题：将蜂鸣器与小电 珠并联的设计可以让两个电器都工作。在电路中只设计一个蜂鸣器的简单电路，蜂 鸣器也可以报警，但是将两个电器串联时，蜂鸣器会响，小电珠却不亮了，见图3-2。图3-2通过讨论分析，学生联想到了水果电池的活动。在水果电池活动中，用土豆可 以点亮发光二极管，却不能点亮小电珠。由此，学生分析出安全报警器的设计材料 需要改变，把小电珠换成耗电量少的发光二极管。这也是学生在本次实践活动中的 第一次改良。最终通过基础电路设计和材料的改良，每个小组都成功让安全报警器 响了起来，发光二极管也亮了起来。成功解决了安全报警器电路不正常工作的实际 问题。通过第2课时制作我家的安全报警器2的学习，学生将连接成功的电路安 装在门锁模型上后出现如下情况：开关一旦闭合，无论关门还是开门，安全报警器 都会一直报警；但断开开关时，无论关门还是开门，安全报警器都不报警。引导学 生回忆安全报警器的实际需求是：关门时不报警，开门时才报警。针对新的实际需求，学生们以小组为单位,设计出关门时不同的电路断开结构（见 图3-3所示），以及相应的开门时的电路闭合结构。图3-3最终,在第二次解决问题的过程中,全班每个组都完成了电路的断开和闭合设计, 成功利用电流形成的原理，在不同电路部位进行设计改造，让安全报警器在不工作 时不报警，在自己需要的时候报警。成功完成了关门电路断开和开门电路闭合的结 构优化，解决了实际问题。通过第3课时制作我家的安全报警器3的学习，学生在检测中发现，仅解决 电路问题并不能使安全报警器在开门时自动报警。于是，他们便想到了要结合门锁模 型实现安全报警器电路的自动闭合任务，提出了第三层次的设计假设一一安装设计， 并将安装设计进行落实，在检测中解决了开门自动报警的实际问题。学生成功设计案表3-2学生成功设计案例(1 )学生通过在电源处 插一个纸片的方式断幵电 路，解决关门不报警的问题。(2)学生把纸片粘贴在 门上，通过幵门的拉力，将 纸片取出来，解决幵门报警 的问题。(1 )学生断开开关，从而 断开电路，解决关门不报警的 问题。(2)学生在开关处绑了一条 胶带，通过开门的拉力，拉动 胶带闭合开关，解决开门报警的 问题。(1 )学生通过把导线夹打开 来断开电路的方式，解决关门 不报警的问题。(2 )学生把导线夹粘在球形 门锁的把手上，把铜片粘在弹 力锁芯上，通过幵门锁芯的弹 力，将铜片与导线夹闭合，解 决幵门报警的问题。在第三次解决问题的过程中，学生成功完成安全报警器关门不报警、开门自动 报警的任务。同时，也发现自己研制的安全报警器只能使用一次的新问题，并由此 开启了安全报警器自动断电、可多次使用的全新问题的研究。在本课的课后拓展中，安排学生将安全报警器带回家进一步研究。部分小组成 功解决了安全报警器自动断电的实际问题，部分小组解决了安全报警器可重复使用 的实际问题。学生成功设计案例见表3-3o表3-3学生成功设计案例重复使用安装设计(见下图)自动断电安装设计(见下图)(1) 学生把竹片用夹子和胶粘在了门上，通过 幵门时的拉力把竹片取出来的方式让安全报警 器自动报警。(2) 学生在幵关处系上了一根线绳，把线绳放 长，这样随着门被幵大，控制线绳拉开开关， 解决了安全报警器自动断电的问题。学生通过调试在开关处合适的位置粘上了一个 弹簧，这样幵门时下压门把手安全报警器就会 报警，放幵门把手弹簧也会把开关弾起，就可 以自动断电，安全报警器也不报警了，解决了 安全报警器自动断电、可以多次使用的问题。4.本次活动的主要内容本次活动是主题活动中的第3课时，学生需要解决安全报警器电路与实际安装 使用时的关联问题：在安装测试时实现安全报警器关门不报警、开门自动报警的使 用需求，解决安全报警器实际使用中的问题，成功研制出一次性安全报警器，并可 以提出并解决安全报警器重复使用的新问题。在这个过程中，提升学生解决实际问 题的能力。5 .问题框架6.教学流程示意图教学流程示意图见图3-4行7.第3课时的教学过程(1)回顾前期研究，明确问题检测标准。导入：“同学们，上节课我们确定了给自己家制作安全报警器的任务。大家讨 论出了要运用电学知识设计出串、并联两种电路，让安全报警器成功响起来。可当 我们把电路安装在和自己家一样的门锁模型上时，发现了一些问题。”播放视频展示测试中出现的问题。提问：“同学们从视频中发现了安全报警器的现实需求：关门时不响，开门时响。 并根据需求分别改良出了各种断开电路和相应闭合电路的设计，究竟我们的设计可 不可行，我们今天进行现场安装并测试评估。哪个组的同学愿意把你们制作的安全 报警器安装在门锁模型上？ ”(2) 测试发现新需求，明确本课要解决的问题。学生上前安装，使用传屏技术展示学生的安装、检测过程(见图3-5和表3-5 )。设计意图：回顾前期研究过程，体验前期研究及发现并解决问题的过程，进一 步落实使用安全报警器的真实需求，即开门报警、关门不报警。为后面的检测假设 提供依据与标准，引导学生发展自己解决实际生活中的问题的能力。表35教师小结：通过这个小组的检测，我们对安全报警器有了新需求：报警器在开 门的时候能自动闭合电路。（3 ）根据需求进行安装设计，有效地促进问题的解决（见图3-6 ） 。接下来就请大家以小组为单位，结合下面两个问题进行安全报警器的安装设计。学生结合实际门锁模型和电路材料进行安全报警器的安装设计（见图3-7）。图3-7教师组织学生进行设计思路的汇报：“哪位同学愿意和大家分享一下你们组的 设计思路？ ”设计意图：发现前期电路设计不足导致的新问题。对安全报警器的新需求是在 开门时自动报警。提出假设：要想解决自动报警的问题，需要进一步进行安装设计， 从而使电路自动闭合，而不是人工闭合，因此要考虑影响门锁安装设计的因素。明 确新的问题，要有新的优化设计安装设计。这些为培养学生解决实际问题的能 力打下了基础。请学生汇报设计思路，其他学生评价分析（见如表3-6） 图36学生安装设计思路交流学生设计情况1学生设计情况2学生设计情况3用胶带将断幵电路的纸片粘在 门上，借助开门时的拉力使电 路闭合。将幵关安装在门把手的下面， 借助门把手的压力把开关闭合。将铜片安在球形门锁会弹起 的地方，借助门锁的弹力把 铜片弹起来后与导线夹接触 使电路闭合。其他学生的建议分析肯定了闭合电路的设计，但提 出质疑：幵门后安全报警器会 一直响，怎么能让安全报警器 自动停止，对闭合的准确度产生质疑，同 时提出新的问题：如何让安全 报警器自动断幵电路？对铜片被弹起的成功率产生 质疑。教师小结：“我们每个组都有自己的安装设计方案，同学们面对他人的设计也 有不一样的想法，并且还提出了让安全报警器自动断开的新方案。”(4)经过测试评估继续改良设计方案，实现“制作我家的安全报警器”的目标。提问：“我们的设计究竟能不能解决我们的问题呢？我们要进行测试评估。检 测中遇到问题的小组请自主改良，成功的小组请将成果拍照记录下来。”教师组织学生以小组为单位对安装的安全报警器进行测试，并请学生汇报测试 结果(见表3-7) 表37学生成果展示举例一一解决开门安全报警器自动报警的问题160关门的时候铜片与导线夹不连接，不报警开门的时候铜片与导线夹连接，报警。开门自动 报警问题得到解决。学生展示成果，利用传屏技术手段直播，便于学生分享成果和分析问题。设计意图：互动交流，分享安装设计方法；互相点评，提出优化建议；分析假 设方案，进一步完善解决方案，为后面的检测假设环节提供设计方案，有效促进安 全报警器安装、使用时遇到的实际问题的成功解决（见表3-8）。（续）预设2：多次设计成果展示，发现新问题学生成果1,课上尝试用下 面的方法1解决新问题学生成果2,课上尝试用下面的 方法2解决新问题学生成果3,课上尝试用下面的 方法3解决新问题学生成功实现了幵门报警的任务，继续研究自动断幵电路的方法。方法1：改造纸片结构，加硬材料，让改造后的材料可以重新插回电池盒。方法2：在开关处加入弹簧，让开关可以借助下压门把手使电路闭合，断幵时弹簧弹幵，电路断开。 但在课堂中由于弹簧安装位置不够合理，课堂上没有成功。方法3：借助门的拉力将电池盒里的竹片拔出，门被拉幵后报警，再将幵关断幵后不报警。但在 课上线绳的松紧没有调整成功。教师小结：“我们每个小组都可以成功实现开门安全报警器报警的目标，如何 让电路自动断开是我们这节课发现的新问题。回顾安全报警器的研制过程，同学们 都是根据实际需求进行修改的。这正是完成一个工程设计的全过程。”（5）拓展与课后延伸，继续解决实际生活问题。教师肯定学生设计制作一次性安全报警器的成果，拓展演示生活中一次性插销 式报警器、遥控报警器、远程呼叫报警器的使用，为学生布置课后继续在家完成各 种报警器的新任务。设计意图：介绍市场上已有产品和报警器的发展进程，肯定学生的制作成果， 进一步帮助学生感悟自己通过解决实际问题对满足人类需求的重要意义。最后，布 置课后任务，帮助学生落实自己发现新问题，把新需求作为目标，进一步落实设计 优化过程，全面提升解决实际生活中的问题的能力。八【板书设计】板书设计见图3-8图3-8设计意图：本次主题活动通过制作立体班级记录单的形式进行板书记录，优点 在于可以把3节课中学生3个层次的解决问题的过程和解决问题的结果呈现在学生 面前，有助于学生体验解决问题的完整过程。九【教学反思】“制作我家的安全报警器”主题活动是首师大版科学教材第3册电与生活单元 中的实践活动。本次实践活动力求将真实生活中问题的解决过程在课堂上进行还原。 在完成本课教学后我有一些反思。1. 使用立体班级记录单，完整地记录实践过程。本次主题活动使用立体班级记录单的形式进行板录。这种形式的优点在于：可以把3节课中3个层次的问题解决过程和解决的结果呈现在学生面前，有助于学生体验解决问题的全过程。2. 根据生活需求，确定解决问题的目标。人类会对产品不断改进以适应自己不断增加的需求，而需求来源于生活。为此，本次主题活动特意设置生活化的任务一一制作我家的安全报警器。通过初次电路设 计、更改电路材料、检测电路，学生发现单一的电路设计存在很大的问题。安全报 警器的实际需求是关门不报警、开门报警。因此，要设计出能断开和闭合的两种电 路状态。再次检测优化的电路结构，帮助学生发现新的问题一一如何能让安全报警 器在开门时自动报警？学生想到了借助门锁结构（例如，门把手的压力、开门时的 拉力、球形锁心的弹力等）进行安装设计，在检测环节针对相应的问题进行调试。 最终解决了制作一次性安全报警器的问题，并且发现了安全报警器存在的新需求一- 自动断电、多次使用。根据实际需求，不断修正目标，成功解决问题。3. 将问题解决过程贯穿主题教学。通过“制作我家的安全报警器”活动，让学生在检测过程中，不断发现新问题、 新需求。根据新需求解决问题的过程，为最后设计出完善的“制作我家的安全报警器” 的系统打下基础。4. 挑战更多的解决方法。本次主题活动引发了教师深层次的思考。其一，因为在安全报警器的电路设计优化上花费了大量时间，所以留给安装设计的时间太短。因此，在进行本课教学时，要给安装设计环节分配更多的时间。其二，实验材料的“局限性”。在安装设计过程中，并没有给学生提供更多种类、 特点不同的材料，仅提供了基本的导体、绝缘体、固定件、连接件等基础材料，目 的是鼓励学生利用简单的材料完成制作一次性安全报警器的任务。但在实际授课中， 学生对解决安全报警器的多次使用、自动闭合电路的问题更感兴趣，并且愿意用不 同的材料尝试解决高级安全报警器的问题，因此是否给予学生更多的材料，帮助学 生提出更多的假设方案，还值得进一步思考和改进。