STEM系列探究课程

本案例获2022年黑河市STEAM教育项目优秀教学案例评选获壹等奖。

基于2022年《义务教育科学课程标准》，黑龙江省黑河市逊克县民族小学校组建了科学教育团队，对《会爬的玩具》STEAM教学案例进行了构建与设计，并于2022年在东南大学百研工坊专家团队的培训指导下，在黑河市STEAM项目课程培训项目中进行实践，取得了理想的培训效果，经过项目活动组长范纺霞，组员韩丽萍、王路遥、哲影、王晓慧老师的重新梳理，形成本教学案例。

一、学科核心概念与跨学科概念

学科核心概念

3. 物质的运动与相互作用

12. 技术、工程与社会

13. 工程设计与物化

跨学科概念

1.系统与模型

蜘蛛本身的身体结构就是一个系统，包括蛛身、蛛头和蛛足等构成。蜘蛛机器人模型采用仿生学仿真了蜘蛛的爬行系统。

2. 物质与能量

蜘蛛靠蛛网捕捉害虫维持生命进行爬行，蜘蛛机器人利用电池带动马达进行爬行，电量的大小决定能量的多少。

3.结构和功能

蜘蛛和蜘蛛机器人的结构相似，蜘蛛在爬行时靠足部的刚毛进行抓物，蜘蛛机器人靠足上的橡胶管增加摩擦减少阻力。

4.稳定与变化

蜘蛛在爬行时靠感觉器官和各种毛保持身体的稳定，尤其是刚毛用于探测地面上的震动，蜘蛛机器人没有真实的蜘蛛灵活，它只能靠组装时八只蛛足保持平衡，以确保蜘蛛机器人在爬行时的稳定。

实践探究

能运用科学知识对蜘蛛进行观察、研究，学生在动手模拟制作的过程中，感知昆虫在爬行时的动作、方向及特点等。与仿生学相结合，制作一只爬行的蜘蛛机器人玩具。主要对蜘蛛机器人爬行速度进行测试，通过影响蜘蛛机器人爬行外素影响的原因，使学生了解到生活中影响行走、爬行速度的要素有哪些。从平面设计到立体制作，再到展评测试 ，最后形成总结报告。

二、学习内容与要求

3.1 力是改变物体运动状态的原因

知道测量距离和时间的常用方法。

知道日常生活中常见的摩擦力都是直接施加在物体上的力。

举例说明给物体施加力可以改变物体运动的快慢，也可以使物体开始或停止运动。

4.1 能的形式、转移与转化

了解生活中各种能的形式，知道运动的物体具有能力。

13.2 工程的关键是设计

学会使用简单的草图，说出自己的思路。

13.3 工程是设计方案物化的结果

利用工具制作简单的实物模型，根据实际反馈结果进行改进并展示。

三、教学目标

（一）科学观念

通过仿生学的知识感知蜘蛛在爬行中产生的摩擦力，观察蜘蛛的爬行动作、方向、特点等。了解影响蜘蛛机器人爬行时受摩擦力、动力、负重等影响，了解蜘蛛脚上的刚毛起到保持身体稳定的作用。

（二）科学思维

根据任务需要体验创作的乐趣，培养学生独立解决问题的能力。掌握小蜘蛛爬行的制作技能。能够运用掌握的这些技能和方法指导整个工程项目的设计与实施。

（三）探究实践

探究蜘蛛机器人在爬行时与摩擦力、动力、负重的关系。蜘蛛机器人马达安装的方位。调整蛛足长、短步伐的方法。

（四）态度责任

能够根据作品设计进行工程制作，针对玩具的大小比例、拼装方法、技能技巧等，找出拼装玩具的优势与薄弱之处。能够完成团队合作，分工明确，愿意与同学分享自己的想法，积极与同伴进行交流、讨论，引导学生通过集体设计和制作，体验项目活动的乐趣和成功的喜悦。

四、教学思路

《会爬的玩具》是小学五年级开展的STEAM课程，涉及物质科学和技术与工程领域的内容，本课从一个孩子发现蜘蛛爬行特点到提出问题引出课题，以通过绘制蜘蛛平面图组装蜘蛛机器人为任务，进行“影响物体爬行速度的因素有哪些”进行测试，学生通过实验、交流、讨论，最终形成报告和总结。

五、教学过程

（一）发布任务，确定需求

1. 发布任务：讲述《房檐上的小蜘蛛》的故事，让学生感受蜘蛛的本领。蜘蛛是在海、陆、空都能“爬行”的昆虫，爬行本领相当大，因此想做一个蜘蛛机器人，测试物体在运动时都与哪些因素有关。

2. 确定需求：制作蜘蛛机器人，并测试蜘蛛爬行的速度快慢都与哪些因素有关。

（二）设计与制作

1.明确蜘蛛的身体结构及功能。

2.画设计图。

3.DIY手工拼组蜘蛛机器人。

4.测试拼组的蜘蛛机器人爬行速度及稳定效果。拼装好的机器人是否能正常爬行，不能爬行的原因可能与马达的安装方向有关。

（三）项目课程探究过程

1.提出问题：

（1）平时我们看到的人拉三轮车、骑行的自行车、马拉车、汽车同样在雪地上行走，为什么速度不一样？

（2）同样是马拉车上山，空马车和装满货物的马车速度为什么也不一样？马拉车上坡，什么情况下速度最快？

（3）为什么我们穿的鞋鞋底有很多花纹、短跑运动员的鞋底有钉子、滑冰运动员的鞋底有刀、旱冰鞋的鞋底有轮子、足球运动员的鞋底有橡胶球呢？它们起到什么作用？

（4）影响物体运动速度的因素有哪些？

2. 作出假设：

假设：摩擦力、动力、负重会影响蜘蛛机器人爬行的速度。

摩擦力：物体在同一路程，不同的地面上爬行，爬行的速度不一样。

动力：物体在同一地面，同一路程，电量不同，速度就不同。

负重：物体在同一路程，相同的地面上爬行，物体本身负重不同，爬行的速度不一样。

3. 设计方案：

4.测试与分析

5.分析数据，得出结论

摩擦力：蜘蛛机器人在同一路程，不同的地面上爬行，平整光滑的地面，蜘蛛机器人爬行的速度快；坑洼有障碍的地面，蜘蛛机器人爬行艰难速度慢。蜘蛛机器人爬行速度的快慢与所选地面的材料有关，产生摩擦力。（学生举例说明：人在平坦的路上可以肆意奔跑，在雪地、沙滩上走路艰难……）

动力：在同一地面，同一路程，电量大的蜘蛛机器人，速度就快，反之电量小的蜘蛛机器人，速度就慢。蜘蛛机器人爬行速度快慢与动力有关。（学生举例说明：就像人在饥饿时，走路就慢；吃饱了就有力量、有动力……）

负重：在同一路程，相同的地面上爬行，蜘蛛机器人负重不同的橡皮，爬行的速度不一样。负重大，爬行速度就慢，反之负重小，蜘蛛机器人爬行速度就快。蜘蛛爬行的快慢与自身的负重有关。（学生举例说明：就像马拉车，空车和装满货物的马车，行走的速度是不同的……）

（四）分享交流与改进

1.集中展示蜘蛛机器人，让学生介绍自己制作蜘蛛机器人的经历，如何解决在制作中发现的问题，小组是怎样合作并解决的，还有哪些细节需要注意等。

2.在拼装蜘蛛机器人的过程中，讨论提出可能的修改意见并尽可能改进。特别是在马达的安装上，如果位置安装反了，就会造成烧毁电机的现象。连接马达的铜线也比较细，容易折断，学生在接触电源时要细心检查接触问题。DIY的零件比较细小，学生在安装时很容易丢失，除了马达学生不能复制，其它零件学生都可以复制制作，这样就能解决零件丢失的问题。

（五）作品展示

六、案例评析

第一次进行授课，发现学生对这样的STEAM课程非常感兴趣。学生能准确设计出蜘蛛结构图，并流畅的阐述结构图的特点，进一步提高了学生的创造能力和发展思维品质。成功拼装出蜘蛛机器人，培养了学生的观察能力和动手能力。对每次的测试结果，能够撰写测试报告，培养学生表达能力和分析能力。学生在设计和制作中，能够感受美术活动的乐趣，提高美术课堂的质量，体验工程学中的艺术美、创造美和设计美。初步认识到提高物体运动速度的因素，为以后的教学打基础。

但在教学中我也发现了不足：部分学生不能完全融入到课堂中，与同学的交流不够积极，总结报告过于简单、字迹不够工整。同时，本案例的设计中还有许多需要完善的地方，如：在制作中可以尝试让学生采用不同的材料进行制作，测试报告内容再具体一些，为学生提供一些框架支撑或范例等。

总之，整个项目的完成效果还是比较理想的，在项目实践中培养学生的创造能力和发展思维能力，提高学生的观察能力和动手能力，感受工程学中的艺术美、创造美和设计美。对于参与本项目的教师，在技术上、学术研究上、自身素养上也有了较大的提升。

七、团队介绍

黑河市逊克县民族小学校STEAM团队是一支新星的团队，2022年4月开始组建，由科学、美术、信息、数学、语文等各学科的12名骨干教师组成，形成了以中青年为主、专业与年龄结构合理、具有创新精神的研究群体，主要开展小学STEAM项目方面的研究。整个团队有一个共同的目标，培养具有创新意识、思维活跃的少年人才。团队将发挥成员特长，着力推动科学技术建设、培养卓越教师，促进教师教学理论研修、强化课堂教学技能、提升实验动手能力和教学用具开发能力等方面开展工作。STEAM团队的组长范纺霞是《会爬的玩具》课程的总设计师，她和韩丽萍、王路遥、王晓慧、哲影和姜怀学老师老师带领学生不断实践探索、迭代测试，最终完成蜘蛛机器人的组装和测试。所参与的团队教师对各方面的知识都有涉及，让他们可以承担彼此的工作，这样使团队的长远绩效得以提高。

转自：“百研工坊”微信公众号

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