小学科学教学融入STEM理念的设计与实践案例：智能垃圾分拣机.docx

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1、智能垃圾分拣机一、项目介绍智能垃圾分拣机是一项基于STEAM理念的项目活动，该项目适用于小 学 五、六年级(高段)。此项目共划分为5个阶段、7个课时开展活动，项目 融合科学、技术、工程、艺术和数学五门学科知识，运用多媒体技术、实验操 作技术、工程设计技术等手段，辅以数学数据分析、综合考虑工程领域的全局 意识、成本 意识等解决现实问题。整个项目活动在层层递进的实践中，培养学 生具有独立提问、设计、分析、推断和运算的能力，最终养成一种独立分析问 题和解决问题的综合素养。二、学习目标科学(S)1 .了解垃圾分类标准和知道垃圾分类的原因。2 .掌握科学合理的垃圾分类方法。3 .了解传送带和垃圾分拣装置

2、各细节的工作原理。技术(T).学会设计方案绘制模型图，使智能垃圾分拣机的制作有案可依。1 .学会选择和利用提供的材料完成垃圾分拣机的工程设计。工程(E).学会按照设计图完成智能垃圾分拣机的制作。1 .学会测试装置的效果并进行方向性的优化改进。艺术(A).学会绘制出清晰、直观和美观的设计图，培养学生绘制图表的习惯。1 .了解优化智能垃圾分拣机的重要性，让其更具实际适用性。数学(M).学会根据物品价格选择合适的制作材料，核算出最佳组合方案。1 .学会利用尺规作图，学习精确测量。三、问题情境B螺母A螺母铁制品筛选机，即将不同重物的铁制品（A螺母与B螺 母,见图6）分开，让学生小组合作制定计划（见表7

3、）, 按计划制作铁制品筛选机，并进行全班性的现场检验。图6表7：制作一个铁制品筛选机制作一个铁制品筛选机电池数量线圈圈数铁钉粗细能否筛选出螺母A第1次第2次第3次我们的发现我们的表现 2.沉浮装置的研究（1）物体沉浮的研究图7教师出示小石子、泡沫块、塑料块、 回形针、蜡烛、空塑料瓶、萝卜和玻璃 片（见图7）,让学生猜测这8种物 体在水中的沉浮情况。教师提供水槽和 水，引导学生通过实验验证猜测，并将 结果记录在表8中。至于是密度（比重）影响物体在水中的沉浮无需在本项目中展开教学，教科 版五年级下册沉与浮单元会详细教学。此环节的目的是引发学生对不同物体 在水中的沉浮状态不同的思考，从而学会运用沉浮

4、的方法来分离在水中沉浮现象 不同的物体。表8： “物体在水中的沉浮”记录表名称小石子泡沫块塑料块回形针蜡烛空塑料瓶萝卜玻璃片猜测验证我们的发现我们的表现 （2）沉浮装置的制作教师布置本环节的任务，即“设计制作一款既能注水又能排水，还能将上浮 和下沉物体机械化分离的装置”。教师在明确任务后，先让学生独立思考，再以小组的形式尝试设计神奇装置，将设计方案记录在表9中。同时，各小组汇报 设计理念，其他小组提出疑问和想法，教师作出点评和改进建议。最后，按照设计图动手制作出成品，找出制作时遇到的困难及解决方案。表9： “物体在水中的沉浮”记录表3.传送装置的研究需要的材料设计图水槽（）个阀门（）个水管（）

5、个旋转阀（）个大平板（）个我们的发现 （1）传送带工作原理图8教师出示快递分拣方法的图 片（见图8）,对比过去和现在 的快递分拣技术，请同学们找出 不同点并思考有什么优势，用画 图或文字的形式记录在表10中。教师让学生交流自己的发现，再提问你觉得现在分拣技术的优势在哪里?并说说你的理由。”表10：快递分拣的特点快递分拣方法不同点优势过去现在我们的发现 教师提出问题，即快递公司在运输和分拣包裹时，常用的装置就是传送带, 同学们见过相似的传送带吗？都在哪里见过？传送带在那发挥了怎么样的作用 呢？请用图文的方式记录在下表11中。表11:传送带的实际运用序号见过的地点发挥的作用1快递分拣中心L： ML

6、aM* r2回转寿司店3我们的表现 同学分享上表记录，教师引导学生尝试猜测什么是传送带，以及传动带是如 何工作的。教师通过视频或图片，介绍传送带及其工作原理，即“是将原动机的 电机或发动机旋转产生的动力，通过带轮由胶带传导到机械设备上，故又称之为 动力带。它是机电设备的核心联结部件，种类异常繁多，用途极为广泛。从大到几千千瓦的巨型电机，小到不足一个千瓦的微型电机，甚至包括家电、计算机、 机器人等精密机械在内都离不开传动带。它的最大特点是可以自由变速，远近传 动，结构简单，更换方便。所以，从原始机械到现代自动设备都有传动带的身影, 产品历经多次演变，技术日臻成熟。”（2）传送装置的制作教师出示传

7、送带中材料的相关知识（见表12上栏），并布置本环节任务: 设计制作一个能传输距离有15cm和运送高度为5cm的传送带，将设计图记录 在表19中，分享小组设计的传送带，说说设计理念和制作方法。表12：我们的传送带我们的传送带相关知识减速马达：马达是用电器或各种机械的动力源。马达通电之后会迅速 转动。减速马达里面存在齿轮结构，所以能够降低速度，转动的比一 般马达要慢。电源：为用电器提供电能的装置。电源是将其他形式的能转换成电能 的装置，常见的有干电池或者家用的交流电。轴承，是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械 旋转体，降低其运动过程中的摩擦。皮带传动：是机械传动的一种传动方式。由

8、一根或几根皮带紧套在两 个轮子上组成。两轮分别装在轴上。利用皮带与两轮间的摩擦，以传 递运动和动力。评价标准所需材料设计图传输距离15cm减速马达（）电源（）轴承（）皮带传动（）轴套（）运送高度5cm履带（）布条（）皱生纸（）瓦楞纸（）电池（）导线（）开关（）我们的发现 运送高度5cm履带（）布条（）皱生纸（）瓦楞纸（）电池（）导线（）开关（）我们的发现 在学生小组完成传动带装置制作后，教师提供一袋包裹卡片，用卡片来替代 实物包裹，将包裹倒至传送带上，测试传送带是否能正常运行。再通过测试后, 可以在原有方案的基础上进行调整，对目前的装置进行改进或优化，让作品更接 近评价标准。（三）方案构思1.

9、设计垃圾分拣机教师出示尘土、铁钉、塑料瓶、回形针、餐巾纸、双面胶纸、玻璃这七种垃 圾，明确任务是要采用机械化而非人工的方式将这些垃圾精准分拣出来，并举例 磁铁可以将铁钉分拣出，让学生头脑风暴后将讨论结果记录在表13中。c尘土,理料瓶同形针型_二7磁铁（能吸引铁制品）铁钉t 3餐巾纸表13：精准垃圾分拣方法如何将垃圾分拣出来? 需三次分拣的垃圾:分拣方法:双面胶纸我们的表现各小组上台依次汇报“精准分拣垃圾”的方法，其他小组有疑问可以提问, 当出现分歧时教师要适当引导并解答。最终形成多种精准分拣方案，让小组继续 根据方法来设计垃圾分拣机，将设计图记录在表14中表14：设计垃圾分拣装置|设计垃圾分拣

10、装置评价标准：可行性/方法科学合理（）功能性/精准分拣多种垃圾（）相似性/模型与设计一致（）注：达成标准的在对应的括号中打上。装置名称：装置功能：能精准分拣出 种垃圾。 我们的表现（四）模型制作1.制作静态垃圾分拣机教师提供如保鲜袋芯、珍珠海绵、瓦楞纸、 双面胶、剪刀、小刀、吸管、纸板、卡纸、 超轻黏土、胶带等建模材料，在传送带模型（见图9）上，根据垃圾分拣机的设计图来制作静态垃圾分拣机模型。制作完成后，教师让各小组将静态垃圾分拣机模型集中在展示区，各小组依次上台展示作品并说明设图9计意图和使用方法。2.制作智能垃圾分拣机图10让学生在改进后的“静态垃圾分拣机” 模型，以及在前面准备阶段学习的

11、基础上, 根据教师提供的材料，如磁铁、电池、网 筛、木板、扇叶、传送带、电池盒、开关、 小电动机等（见图10）,动手制作智能 垃圾分拣机。教师组织各小组测试智能垃 圾分拣机的效果（可参考图11）。图11教师引导学生采用头脑风暴的方法，列 出各种可能的解决方案，同时运用分析、综 合、类比的方法识别出每个观点所包含的一 切风险和利益，评估出操作的可行性，同时 在控制工程成本的前提下，设计出最终解决 问题的产品模型图，并按照模型设计图制出成品。本项目的果蔬基地模型设计方 案，让学生基于现有的材料，组团分工合作，在思考、讨论、争议和交流的过程中，设计出一套属于团队自己的设计方案，引导学生规范绘制设计图

12、，让他们知 道设计图就像导航路线一样，如设计时有失误，会直接影响到工程师出成品。而 且不同团队的个性化方案能最大限度地调动起学生用心制作的积极性。（五）测试优化教师组织各小组进行“谁的分拣效果好”的测试，并将垃圾是否能被精准分 拣的情况填入表15中（如能被精准分拣出，在相应的格内打“J”），各小组 轮派一位监督其他小组，各小组成绩汇总，统一排名次。表15：谁的分拣效果好组别垃圾尘铁钉塑料瓶回形针餐巾纸双面胶纸玻璃第一组第二组第三组第四组第五组第六组我们的 成绩我们的 表现 （六）展示交流在开展汇报会时，每个团队围绕设计理念、团队分工、执行任务时遇到的困 难及其解决方法对果蔬基地进行介绍和展示。

13、现场汇报时，一小组介绍，其他小 组和教师作为评委对果蔬基地模型的“可行性、功能性、相似性和介绍优劣”进 行排序（见表16）。最终，依据“评价标准”中的团队总得分，来测试各团队 科学、技术、工程、技术、数学（和语文）学科的目标达成度。表16：我们的评价表我们的表现评价要素第一名第二名第三名第四名第五名第六名可行性第一组功能性第一组相似性第一组介绍优劣第一组我们的成绩通过各小组的汇报展示和打分排名，我们小组“可行性”第一名：“功能性”第一名：我们小组“相似性”第一名：“介绍优劣”第一名。垃圾分类已成为社会关注的热点。湖州自2019年7月10日起，出台了 湖州市居民生活垃圾分类实施方案，方案中指明湖

14、州市日常垃圾分类的标准 是易腐垃圾、可回收物、有害垃圾和其他垃圾。但目前的现状是：校园里食堂 产生的大量易腐垃圾和实验室等区域可能产生的有害垃圾，学校派专人单独进 行运输。那其余垃圾呢？教室里最有可能产生的垃圾就是可回收物和其他垃圾, 每个教室里也相应设置了可回收垃圾桶和其他垃圾桶，学生基本能遵守规则将 垃圾投放至相应的垃圾桶里，但却存在着垃圾分类知识缺乏和垃圾分类意识不 足的现象，最终导致垃圾扔错垃圾桶造成混装的情况发生。在学生对生活垃圾分类的现状有所认识后，教师引导学生进行讨论并思考如 何设计和制作智能垃圾分拣机来解决现实中垃圾分拣的问题，让学生在本项目中 真正体验像科学家、设计师和工程师

15、一样的思考与作业。四、教学准备以下是整个教学环节中所需的实验材料清单，针对不同章节和内容进行了整 理，每位热衷于STEAM教学的教师只要在准备好相关制作材料后，即可完成整 个STEAM项目的学前准备。材料清单1.2垃圾分类标准1.2垃圾分类标准行初步分类水彩笔等对常见垃圾进 各种垃圾卡片、四种类型的小垃圾桶、材质、2电磁铁的研究电磁铁的研究魔术钓鱼竿套件、电磁铁、磁铁、导线、粗细 不同的铁钉、电池、大头针2.1电磁铁的研究电磁铁的制作螺母A、螺母B、若干导线、粗细不同的铁钉、若干电池若干电池2.2沉浮装置的研究物体沉浮的研 小石子、泡沫块、塑料块、回形针、蜡烛、空塑料瓶、萝卜、玻璃片、水槽、水

16、2.2沉浮装置的研究2.2沉浮装置的研究沉浮装置的制作水槽、阀门、水管、旋转阀、大平板等2.3传送装置的研究传送带的制作减速马达、电源、轴承、轴套、履带、皮带传 动、电池、导线、开关、布条、皱生纸、瓦楞纸、包裹卡片3. 2制作静态装置模 型制作静态垃圾分拣机保鲜袋芯、珍珠海绵、瓦楞纸、双面胶、剪刀、 小刀、吸管、纸板、卡纸、超轻黏土、胶带3.3制作智能装置模 型制作智能垃圾分拣机磁铁、电池、网筛、木板、扇叶、传送带、电池盒、开关、小电动机等五、项目课时智能垃圾分拣机STEAM项目学习，共划分为5个环节、7个课时，具体章节和课时安排如下:第1课时提出问题1. 1问题引入1.2垃圾分类标准1.3垃

17、圾处理方法2.1电磁铁的研究5分钟15分钟20分钟40分钟第2-3课时准备阶段2.2沉浮装置的研究20分钟2.3传送装置的研究40分钟3.1设计垃圾分拣机20分钟第4-5课时阐述制作3.2制作静态装置模型40分钟3.3制作智能装置模型60分钟创设问题情境，激发学生兴趣，明 确项目任务用视频或图像的形式对城市垃圾现 状进行初步的认识，了解垃圾分类 标准等用视频或图形的形式，初步了解垃 圾分类的原因，以及不同垃圾处理 的方法知道什么是电磁铁：探究电磁铁的 性质：掌握电磁铁的制作方法，并 会调整和控制磁性大小知道沉浮现象，了解沉浮与什么因 索有关，探究物体在水中的沉浮规 律；设计制作满足特殊需求的装

18、置了解自动分拣机中传动带的作用与 功能：掌握设计和制作简易传动带 的方法在不同垃圾具有不同性质的基础 上，根据前期的知识储备，初步设 计垃圾分拣机根据垃圾分拣机设计方案，利用教 师准备的工具和材料，动手制作静 态装置模型根据静态垃圾分拣机模型，利用材 料和准备阶段的知识储备，动手制 作动态的智能垃圾分拣装置模型20分钟第6课时展示评价4.1展示分拣机模型20分钟通过研究后开展汇报会，培养学生 语言表达、学会倾听和质疑解惑的 能力通过“静态分拣机”的现场展示活 动和“智能分拣机”的运作检验， 评价学生对此项目的掌握和运用的 程度模块环节时间5.1新型垃圾分拣了解新型垃圾分拣智能，如人工智第7课时

19、拓展延伸装置及分拣回收的 20分钟 能分拣等，以及知道垃圾分拣出来目的后回收的目的六、适合年段智能垃圾分拣机是一项基于STEAM理念的项目活动，该项目适用于小 学五、六年级（高段）。七、项目实施过程本STEAM项目实施过程主要分为发现问题、问题定义、方案构思、模型制 作、测试优化和展示交流六个环节，每个环节的具体实施过程分述如下（一）发现问题.问题引入校园食堂产生的大量易腐垃圾和实验室 等区域可能产生的有害垃圾，都有专人单独 进行运输。那其余垃圾呢？教室里最有可能 产生的垃圾就是可回收物和其他垃圾，教室 里也相应的设置了可回收垃圾桶和其他垃圾 桶，学生基本能遵守规则将垃圾投放至相应 的垃圾桶（

20、见图1）里，但是确实存在垃圾 分类知识缺乏和垃圾分类意识不足的现象，最 终导致垃圾扔错混装的情况发生。1 .垃圾分类标准（1）我国垃圾现状随着经济的发展和人民生活水平的提高，垃圾问题日益突出。垃圾的堆积会 严重影响人类的生产生活。本环节属于STEAM阅读环节，教师提示学生取出学 生手册，自主进行资料STEAM阅读：中国垃圾现状的阅读或网络查询，完成 阅读资料上的相关问题。此环节，教师需要进行全场巡视，对未答题或答题有困难的学生进行指导。 在所有小组完成阅读后，教师可以进行简单回顾，并对学生的阅读情况进行抽查, 如： 请你说一说我国垃圾存在怎样的现状？ 垃圾会导致哪些危害和影响？ 我国垃圾处理的

21、方式有哪些？ 垃圾处理方式各有哪些优缺点？（2）垃圾分类方式为了满足人民日益增长的生活需求，各种多元化的商品及生活用品纷涌而 至。随之而来的是日益增多的生活垃圾，对环境造成了极大的压力，有些城市已 经出现了垃圾围城的现象。很显然，垃圾分类已成为我国需要解决的迫在眉睫的 问题。本环节，教师先给学生播放一段视频地球妈妈的自述（可参考：我是地 球，本来我是一个如水晶般美丽的水蓝色星球。我拥有广阔的海洋、郁郁葱葱的 树木、清澈见底的河流和一座座巍峨险峻的山峰。我身体里富含各种矿产，是一 个生机勃勃的球体。但是社会发展到今天，我亲爱的孩子们却带给我满身的伤痛。 横流的污水、随处乱丢的垃圾等等造成的生态平

22、衡的破坏，早已把我变成苍老的 模样。唉，我该怎么办啊？）让学生小组讨论面对地球妈妈的哭诉，我们该做些 什么，从而引出本课的重点一一垃圾分类。本环节，教师组织学生通过有趣的游戏活动，让学生知道生活中我们每天都 会产生很多的垃圾，明白垃圾分类的重要性，懂得合理处理垃圾能让我们生活变 得更加美好的道理。本环节，教师通过播放垃圾分类，我先行的视频和小组之前搜集的关于 垃圾分类的资料进行汇报与分享，让学生掌握科学的垃圾分类方式，如以湖州垃 圾易腐接设易腐接设可101收临病害拉U9具催怕”分类为例，2019年7月10日, 湖州市出台了湖州市居民生活 垃圾分类实施方案，将日常垃 圾分类标准定义为：有害垃圾、

23、 其他垃圾、可回收物和易腐垃图3图3圾（见图2）。在此基础上，组织 学生开展现场的垃圾分类投放比 赛, 看哪组垃圾分类又快又准，记录在 任务单（见表1）中，再让小组将 之 前讨论的12种垃圾卡片（见图3） 张贴到黑板相应的垃圾桶里，加深对 垃圾分类的认识。表1:垃圾分类任务单此环节，教师需要提前准备相关的音频和视频，以及活动前对规则进行详细易腐垃圾可回收物有害垃圾其他垃圾我们的表现 的说明，活动中教师可对学生进行实时的提问，如： 同学们，面对地球妈妈的哭诉，我们能做些什么呢？ 你知道什么叫生活垃圾分类吗？ 通过小组讨论搜集到的垃圾信息，你有什么想法？ 通过视频和搜集来的垃圾分类信息，请分组来汇

24、报不同颜色垃圾桶应投 放的垃圾信息。 通过垃圾分类的学习，你学到了什么？3.垃圾处理方法“垃圾为什么要进行分类呢？ ”将此问题抛给学生，让学生先独立思考这个 问题，再进行小组讨论，将垃圾分类的原因进行大胆猜测和讨论，最后进行全班交流。教师通过视频或图片的方式，向学生简单解说垃圾分类的原因和处理方法 （见图4）。（二）问题定义通过调查了解已有的做法，通过探究让学生理解相关概念，通过操作习得思 维方法，学会正确使用工具。总之，一切均是为解决项目活动中的问题做好知识、 技能和方法的准备。本项目主要的三项活动，即电磁铁的研究、沉浮装置的研究 和传送装置的研究，都是为设计和制作出一款智能垃圾分拣机做知识

25、、技能和方 法的储备。1.电磁铁的研究（1）电磁铁的特点教师通过一个“电磁铁魔术”（比如内部装有电 磁铁的钓鱼竿等，见图5）来吸引学生注意力，激发 学生的探究兴趣，引导学生用感官观察和猜测魔术背 后的秘密。教师再将魔术器材剖开，将内部 的电磁铁 取出，与磁铁一同分发给每个小组，让学生合作观察 电磁铁的组成和研究电磁铁的奥秘，并将实验现象记 录在表2中。表2：电磁铁的特点是否有磁性是否有磁极磁极力1可是否改变磁铁电磁铁（由和组成）我们的表现 教师组织学生通过制定对比实验研究方案（见表3）,分别开展关于“电池 数量、线圈圈数和铁钉粗细”对电磁铁磁性大小影响的实验。表3：检验电磁铁磁力与 关系的研究

26、根据制定的实验方案，将三组对比实验研究后的实验现象记录在任务单中研究的问题我们的假设改变的条件怎样改变这个条件1.2.3.不变的的条件我们的表现 （见表4、5、6）中。表4：电磁铁磁力与电流大小关系实验记录电池数量吸大头针数量（个）磁力大小排序第1次第2次第3次平均数1节2节3节我们的发现我们的表现 表5：电磁铁磁力与线圈圈数关系实验记录线圈圈数吸大头针数量（个）磁力大小排序第1次第2次第3次平均数10圈30圈50圈我们的发现我们的表现 表6：电磁铁磁力与铁钉粗细关系实验记录铁钉粗细吸大头针数量（个）磁力大小排序第1次第2次第3次平均数直径2cm直径4cm直径8cm我们的发现我们的表现 （2）电磁铁的制作在探究电磁铁性质的基础上，教师布置任务一一制作一款能吸引规定重物的