《運動和力》單元分析和教學建議

徐瑩瑩

單元分析

我們處在一個運動的世界中，所有物體都在不停地運動著，只是我們在地球上看到，物體有的是靜止的，有的是運動的。我們又處在一個力的世界里，力無處不在?！哆\動和力》單元以小車作為研究對象，以秒表、軟尺、彈簧測力計、小墊圈等工具獲取實驗數據，研究物體的運動及其受到的動力之間的關系。在進階式科學實踐活動中，教師引導學生逐步建構“力能改變物體的運動狀態，運動的物體具有能量”的概念。學生還將經歷一個完整的項目式的學習過程，包括從不同角度繪制設計圖、數據量表，通過自評和他評改進并完善產品性能等。

1.主要建構的大概念

力與物體運動是自然界中重要的因果關系，了解物體運動與力的關系對學生理解自然界的因果關系、形成對現象的正確解釋有直接幫助。本單元主要指向四個不同的大概念，包括物質科學領域中的“力作用于物體，可以改變物體的形狀和運動狀態”“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式”，以及技術與工程領域的“技術的核心是發明，是人們對自然的利用和改造”“工程的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制作產品的活動”。

由于力是十分抽象的，小學生不易理解且會產生各類迷思概念。本單元引導學生感受和建構摩擦力、拉力、反沖力、彈力等各種力，并由此理解有些力是直接作用在物體上的，為今后理解更多、更復雜的力奠定基礎。學生已經學習了有關物體運動方面的知識，了解到物體的位置、速度、運動方向等會隨著物體的運動而變化，但對運動狀態的變化背后的原因很難理解。因此，教學時教師要促進學生理解當有力作用于物體上時，物體的運動狀態會發生變化;物體運動快慢發生變化時，會影響物體所具有的能量。對于工程技術領域概念的學習，本單元將其滲透在不同的研究活動中。學生在不斷嘗試設計產品、改進裝置、革新技術的過程中，體驗產品設計制作的程序和方法，體會如何運用科學原理解決問題，逐步理解人們在不斷改造世界的過程中所開展的創造性活動。

2.促進工程與技術領域內容的學習

工程與技術是人類社會最基本的實踐活動，是科學知識轉化成物質力量的重要體現。學生通過對日常生活難題和自然事物的探究和改造，發展觀察、實驗、制作建模和推理能力。在研究力與物體運動關系的活動中，不斷滲透工程與技術領域的學習內容。在“用氣球驅動小車”的活動中，通過改變充氣量的多少、噴氣管的粗細來改變小車行駛的距離，體會裝置的優化設計可以提升產品的性能;在“用橡皮筋驅動小車”的活動中，通過改變橡皮筋纏繞圈數來改變小車行駛的距離，體會車輪轉動的工作原理;在研究“物體運動和摩擦的關系”中，通過改進工具和技術來方便人們搬運重物，體會車輪作為一項重要的發明工具，對改善人們生產、生活的好處。在單元最后，安排了設計制作小車活動，這既是對之前所學知識和技能的歸納和總結，又是從實際用途或需要解決的問題出發，討論、改進并選取最優的方案。制作完成后，引導學生對產品進行評估、反思和改進。

此外，對于力的研究是建立在三年級對物體運動研究的基礎上，同樣采用了建模的思想，將較復雜的真實情境抽象成為“簡單的小車運動與受到的力之間的關系”。用不同的動力驅動小車，通過改變一些因素來改進小車的性能，即改變小車的運動狀態。對于能量部分的學習，是將運動物體所具有的能量通過顯性的現象來呈現，比如聲音的大小、小車撞擊后行駛的距離等。

3.認識產品制作中“失敗”的價值

在設計制造產品的過程中，學生需要經歷明確問題、擬訂方案、實施方案、評估改進等過程。其間，難免會受到外界因素和自身認知水平的影響，制造出不符合設計需求的產品，甚至制造出不合格產品。教材引導學生認識到，工程師不會將不成功的產品視為失敗，而是將其看成一次有價值的解決問題的機會，根據評估結果，對原設計方案進行調整或者提出新的解決方案，這樣才能不斷改進產品。其實，人類生產生活能力不斷完善的過程，就是一個不斷從失敗中總結經驗、發現新知、尋找辦法的歷程。我們期待學生也像工程師那樣，經歷設計活動和制作活動，在不斷改進的過程中，培養他們的實踐能力、思維能力和運用科學知識解決問題的能力，培養他們明辨事物、樹立自信、發展自尊、學會欣賞等重要品質和能力。

本單元的教學內容主要體現了課程標準中“物質科學領域”和“技術與工程領域”的學習目標，具體如下：

5.1知道日常生活中常見的摩擦力、彈力、浮力等都是直接施加在物體上的力。

5.2舉例說明給物體施加力，可以改變物體運動的快慢，也可以使物體啟動或停止。

6.6.1識別日常生活中的能量。知道運動的物體具有能量。

16.2舉例說出制造技術、運輸技術、建筑技術、能源技術、生化技術、通信技術的產品。

17.2舉例說出改變方法和程序可以提高工作效率。

18.1舉例說出，一項工程運用到的科學技術和原理，如汽車剎車系統的設計中運用到的科學與技術。

18.2知道工程設計的基本步驟包括明確問題、確定方案、設計制作、改進完善等。

針對一個具體的任務，按照設計的基本步驟來設計一個產品或完成指定的任務。

18.3對自己或他人設計的想法、草圖、模型等提出改進建議并說明理由，在制作過程中及完成后進行相應的測試和調整。

在學習本單元前，學生對力和運動有了一定的了解，也對一些有關力和運動的現象產生了一些困惑，比如，為什么樹上的蘋果往下落？汽車為什么會運動？為什么在地上滾動的球會停下來？等等。教材設計了8節課，選擇了學生熟悉的車作為主要研究對象，以“物體的運動及其受到的力”為主要線索，循序漸進地安排了一些活動。其中，前5節課主要圍繞“運動和力的關系”展開，先從引導學生認識不同的動力開始，還安排了一系列活動來研究不同的力對小車運動產生的影響，以及如何測量力的大小。第6課圍繞“能量”展開，研究運動的物體所具有的能量與其運動情況有什么樣的關系。第7課和第8課都是開展“設計、制作動力小車”的活動。通過以上活動，學生將認識物體的運動與其作用力之間的關系，認識到物體運動狀態的改變是因為受到力的作用，力的大小、方向不同對物體運動的影響不同，物體的運動情況不同產生的能量也不同，能量還會以各種形式存在。由于本單元涉及許多工程制作方面的內容，教師應提前準備好一些可供選擇的材料。

《讓小車運動起來》教學建議

本課主要讓學生了解不同類型車的動力，然后用墊圈做動力，通過比較觀察實驗現象，從而發現拉力大小與小車運動的關系。

學生觀察圖片，了解從古到今不同類型的車輛，發現它們的動力來源，為后續用拉力做小車動力的研究奠定認知基礎。

探索環節中，先引導學生安裝一個用墊圈做動力的小車，要確保拉力的方向與車輪滾動前進的方向一致。再引導學生思考拉小車繩子的長度應該與桌子的高度差不多，繩子過長或過短都會導致小車運動的距離不足。教學不僅要讓學生認識“墊圈越多，小車運動得越快”，還要讓他們思考“要用多大的拉力才能使小車運動起來”“用更大的拉力拉小車，小車的運動狀態會怎樣變化”“如果不斷增大拉力的結果是什么”等問題，進一步發現力對物體運動的影響情況。實驗中，學生既要一個一個地增加墊圈，觀察能讓小車動起來的力;又要多個多個地增加墊圈，方便觀察比較小車的運動狀態。

研討環節中，“怎樣讓小車從運動到靜止或從靜止到運動”的問題，旨在引導學生探討如何改變小車的運動狀態。教師要引導學生在實驗后邊回顧實驗現象邊描述：當墊圈的個數達到一定數量時，小車就會由靜止變為運動;用手擋住小車，才能阻止它的運動。同時，手也會感受到運動的小車帶來的沖擊力。對“小車的運動快慢與拉力大小的關系”的探究，主要觀察拉力大小對小車運動速度的影響。學生會發現拉力越大，小車運動得越快;加的墊圈越多，小車運動的速度變化得越快。

《用氣球驅動小車》教學建議

氣球是學生熟悉的玩具，學生對反沖力并不陌生。本課主要讓學生觀察和感受氣球噴氣時所產生的力和氣球上升運動的關系，研究如何用氣球作為動力來驅動小車。此外，本課滲透了技術與工程領域的學習內容，引導學生意識到改變小車的裝置可以改變小車的運動性能。

探索環節中，學生可以先把氣球充足氣，再松開氣球口，觀察并畫出噴出氣體的方向和氣球運動的方向，再感受氣球上升時手在下方的感覺。在此，學生要思考“氣球受到的力和氣球運動的方向”，即反沖力讓氣球運動起來。

第二個活動有一定難度，教學前，教師可以為學生準備一些方便組裝的小車材料。實驗中，教師要啟發學生觀察小車運動的方向和噴氣產生動力的方向，試著解釋氣球噴氣為什么能推動小車的運動，思考并實踐用哪些辦法能使小車行駛得更遠。教師要鼓勵學生嘗試改變不同的因素，讓小車運動得更遠，比如“大小不同的氣球”和“粗細不同的噴管”。實驗前，教師讓學生先猜測用不同的材料及其導致的運動結果，然后再進行實踐，運用所學知識解釋現象。這里要提醒學生意識到氣球充氣后具有能量。

研討環節中，“氣球怎樣驅動小車”的問題是要讓學生認識到氣球噴氣產生的力為小車運動提供了動力，噴氣的方向與小車運動的方向相反，噴氣產生的推力推動小車向前運動?！霸鯓痈倪M讓小車行駛得更遠”的問題指向小車動力的大小與其運動遠近的關系。教師要引導學生認識到，這個動力的大小是受氣球充氣量、噴管粗細的影響的，但無須一一對應地解釋動力大小與因素改變之間的關系。在拓展環節，教師鼓勵學生了解更多利用反沖力做動力的各種機械，并舉出實例即可。

《用橡皮筋驅動小車》教學建議

本課主要活動是研究橡皮筋纏繞圈數與小車行駛距離的關系，這是換一種形式對運動和力展開研究，為后續研究車輛的摩擦力、設計、制作小車奠定基礎。

探索環節中，教師通過圖片或視頻指導學生安裝小車，把連接的橡皮筋分別固定在車架和車軸上，通過轉動車輪來纏繞橡皮筋，車軸上的小輪軸可以更方便纏繞橡皮筋（在車軸上纏幾層膠帶也是可以的）。開展活動時，教師要幫助學生將上節課的實驗方法遷移到本節課，讓他們自主設計實驗，可以用“在車軸上纏繞不同圈數”的方法來做對比實驗。引導學生觀察到橡皮筋纏繞一圈時，彈力作用在小車上的時間短，運動得近一些;纏繞多圈時，彈力作用在小車上的時間長，運動得遠一些。提示學生標清楚起點、終點，再用尺子測量距離。

研討環節中，第一個問題引導學生認識到橡皮筋纏繞后被拉伸產生的力為小車運動提供了動力，拉伸得越長，產生的力越大，小車行駛得越遠?！跋鹌そ钤谲囕S上纏繞的圈數與小車行駛的距離有什么關系”這一問題，指向小車運動的遠近與其動力大小的關系。對于“為什么會有這樣的關系”的問題，可以啟發學生思考“纏繞圈數對橡皮筋產生的動力有什么影響”。

拓展環節主要是利用橡皮筋做主要材料，嘗試產生不同大小的力。要引導學生發現：掛的鉤碼越多，橡皮筋被拉得越長，產生的力越大。

《彈簧測力計》教學建議

前面3課主要研究了小車動力大小與小車運動的關系，本課主要認識彈簧測力計的構造、原理和使用方法，學習用彈簧測力計測量力的大小。

探索環節中，教師引導學生根據教科書中的提示，初步觀察、交流彈簧測力計的基本構造，說說測力計上的刻度，每一大格是多大的力，每一小格是多大的力，最大能測量多大的力。測量前，讓學生用手感受1牛、2牛、5牛力的大小，以便測量實際物體之前對物體的輕重進行估測;測量后，讓學生對比估計值和測量值。較強的估測能力是迅速做出判斷的基礎，因此，要在測量活動中逐漸讓學生建立起“?！奔戳Φ拇笮〉母拍?。使用測力計時，要提示學生先檢查指針的位置是否在0刻度上，這與天平、溫度計等儀器的使用要求相似。測量活動的難點在于指導學生如何處理可能超過量程的物體，這就需要用手托著物體慢慢松開，估計是否超過量程，如果超過或接近量程，可以更換量程大一些的測力計。

研討環節中，關于“彈力產生的原因”和“彈簧測力計的使用”的研討，可以作為探索后的回顧和小結，引導學生認識并表述“彈力是因為彈簧被拉伸而產生的”，描述測力計的使用方法以及注意事項?！吧钪心男┑胤竭€有彈力？”引導學生建立“彈力”概念，把對橡皮筋和彈簧被拉伸產生的彈力拓展到不同的情境中，了解生活中哪些物品在哪些場合會用到彈力。

拓展環節主要是用橡皮筋設計制作彈簧測力計，提示學生思考如何給彈簧測力計標上刻度，比如，用已知鉤碼或掛已知重量物體的方法，在測力計紙板上畫出刻度。

《運動與摩擦力》教學建議

本節課圍繞摩擦力的產生及其對運動的影響展開。教師可以創設一個學習情境，即古人用滾木搬運重物的場景，提示學生思考這種運動方式如何滿足人類生產生活的需要。

探索環節中，教師引導學生模擬搬運重物，用墊圈的個數表示摩擦力的大小，比較不同運動方式下摩擦力大小的不同。把物體直接放在木板上，引導學生思考墊圈很少時木塊不滑動的原因，這是從另一個層面認識物體在桌面上會受到摩擦力的影響，阻礙了它從靜止到運動。

第二個活動是用簡單的工具改變物體的運動方式。先是用筆或者筷子作為“滾木”，筆或筷子不要有棱角，用圓形、光滑的桿，以避免出現每次測量的結果差異較大。在此，提示學生思考“滾木”移動重物的優缺點，由此引發疑問：怎樣才能既減小摩擦力，又能讓盒子運動起來比較方便呢？順理成章地承接到第三個活動：給紙盒加上輪子。該活動滲透了技術與工程領域的學習，進一步引導學生從工程技術的角度去思考技術（工具）的不斷改進能否滿足生產生活的需要。

研討環節中，“怎樣搬運重物省力，讓摩擦力最??？”這個問題是讓學生通過觀察實驗現象和墊圈數來判斷哪種方法最省力。在此，教師要培養學生用測量的數據來支持自己觀點的意識，而不是簡單地說出結果?！叭绾卧谏钪性龃蠡驕p小摩擦力？”這個問題將學習置于真實的情境中，引導學生利用所學科學原理來解釋現實中的問題，將科學與生活很好地聯系起來，比如自行車手柄的花紋、運動員手上的鎂粉、在大理石地面鋪粗糙的地毯等都是增大摩擦力;給機器上潤滑油、將軸承拋光、滑冰鞋上的輪子等都是減小摩擦力。

拓展環節將學生的視野拓寬到現代各種交通工具上。氣墊船是一種空氣在船只底部承托的交通工具，磁懸浮列車是由于其軌道的磁力使之懸浮在空中的交通工具。向學生介紹這兩種常用工具的行駛特點和運動情況時，教師只需要引導他們知道這兩種交通工具是使用不同的技術方式減小摩擦力的——氣墊船利用反沖力，磁懸浮列車利用了磁力，不需要對它們的動力原理做深入講解。

《運動的小車》教學建議

本課主要有兩個活動：一是觀察不同敲擊速度下的音叉發出的聲音大小;二是研究放在不同高度的小車下滑，撞擊木塊后，木塊所移動的距離。教師引發學生思考什么樣的物體具有能量，能量對我們的生活有什么影響。

探索環節中，在敲擊實驗中，指導學生分別用不同的速度揮動橡皮槌敲擊音叉，先分辨音叉發出的不同聲音，再用手去摸音叉的振動情況。敲擊的速度越快，即重重地敲，代表運動的橡皮槌具有的能量越大，轉化為聲能也越大，反映出聲音的音量也越大;相反，敲擊的速度越慢，即輕輕地敲，代表運動的橡皮槌具有的能量越小，轉化為聲能也越小，反映出聲音的音量也越小。撞擊實驗中，讓小車下滑后撞擊木塊，通過改變斜面的高度來改變小車撞擊木塊的速度，測量撞擊前后木塊移動的距離，通過比較距離的遠近來推斷運動物體具有的能量。操作時指導學生注意：釋放小車的位置要在斜面上的同一位置，在平面上放置木塊的位置也要一致，可以在這些關鍵位置做上標記。通過對比三次測量的距離，推斷運動物體所具有的能量大小。

在研討環節中，“怎樣知曉橡皮槌和小車在什么情況下具有能量”引導學生通過現象發現，運動的橡皮槌敲擊音叉時發出聲音，說明運動的橡皮槌具有能量;運動的小車撞擊木塊后，把木塊推出一段距離，說明運動的小車具有能量?！斑\動的物體具有的能量和其運動速度的關系”的探究，引導學生進一步對比每次實驗的不同結果。在敲擊實驗中，橡皮槌的速度不同，音叉發出的聲響不同，橡皮槌具有的能量不同;在撞擊實驗中，小車的速度不同，木塊被撞擊后運動的距離不同，小車具有的能量也就不同。

拓展環節中，可以通過實例讓學生意識到能量豐富多彩，并以多種形式存在。要引導學生注意一些不容易被識別的能量。

《設計制作小車（一）》教學建議

第7、8課圍繞設計制作小車展開，這既是對之前所學知識和技能的歸納和總結，又能進一步培養學生的科學素養，發展他們對工程設計的認識、理解和應用?；顒訌乃伎肌叭绾伟匆笾谱饕惠v動力小車”的問題開始，指導學生經歷項目式學習過程，意識到設計要先于制作，要從實際用途或需要解決的問題出發，討論、改進并選取最優方案。制作完成后，還要對作品進行評估、反思和改進。

明確任務階段，要讓學生明確目標、產品達標條件和制作要求。

目標：利用生活中的材料制作一輛具有動力的小車。

達標條件：讓小車依靠動力在5秒內把兩塊橡皮運輸1米遠。

制作具體要求：車身長不能超過25厘米，用橡皮筋或氣球作為動力;只能利用提供的材料。

這樣的表述既為學生提供了探索的方向和腳手架，又給他們提供了充足的設計空間，并為后續的小組之間的評估確立了公平的指標。

設計方案階段，先讓學生觀察一些小車模型，了解根據需要設計制作動力車輛，記錄下小車的基本結構，以及它們的特點和作用，比如，車架起到支撐和固定作用，車身具有美觀和載人的作用，車軸和輪子是用來連接車身并運動的。隨后，指導學生討論、確定小車的設計方案，并繪制設計圖。在此，學生需要思考“選擇橡皮筋還是氣球作為動力”“各部分采用哪些材料組裝，每種材料如何拼接”“選擇什么工具加工材料”等。在繪制設計圖時，鼓勵學生從前、后、左、右、上方，甚至是剖面圖等角度畫出更多的結構圖，讓學生盡量將制作的尺寸標志清楚。

《設計制作小車（二）》教學建議

本課要求學生綜合運用所學的知識和技能，根據設計方案制造出產品，并不斷改進和完善，這也是不斷發現問題、解決問題、應用技術的過程。教學時，教師要為學生提供程序性的實踐指導，先是按照上節課的設計圖制作小車，明確制作的基本步驟，匯報測試方法;再要求學生根據評估指標進行評價，包括設計思路、小車制作、功能實現、合作分工、展示匯報等方面，以進一步改進小車。

在學生領取材料之前，可以先由組長組織討論，協商確立每位成員負責的工作，在這一過程中，小組成員要學習如何共同承擔、相互妥協、有效合作等。另一方面，要組織討論制作時的難點，比如，車軸怎樣裝在車架上，氣球怎樣安裝在小車上。接著，引導學生要按照操作流程來完成：確定組裝步驟、選擇材料和工具、分工加工、組裝不同部分，制作完成還要對小車進行調試。教科書給出了評估標準，可以將其用于制作前，讓學生明確產品制作的標準和方向，鼓勵和引導他們向更高檔次努力。

匯報測試環節中，指導學生匯報小組的設計思路，展示設計圖，介紹組裝流程，反思是否達到自己的期望，引導學生把測試中遇到的問題、可能的原因以及想到的解決方案記錄下來。匯報時，將以上問題整理在班級記錄表中，供全班同學針對一些難點問題展開討論，尋求更好的解決方法，以利于后續改進。

評估改進中，要根據評估改進量表中產品設計、產品制作、功能實現、團隊合作、展示講解五個方面進行評估。根據評估情況，小組反思設計和制作過程，針對問題尋找解決方案。

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