教學設計

課程基本信息學科初中科學年級七年級學期秋季課題像工程師那樣實踐（第一課時）教科書書名：科學教材出版社：浙江教育出版社出版日期：2024年8月教學目標1.科學觀念:知道工程需要經(jīng)歷明確問題、設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發(fā)布成果等過程。2.科學思維:運用分析、比較、綜合等方法對辦公椅進行優(yōu)化設計，歸納工程實踐的六大環(huán)節(jié)。3.探究實踐:經(jīng)歷明確問題、設計方案、實施方案、檢驗產(chǎn)品、改進完善、產(chǎn)品發(fā)布等過程，初步具備技術與工程實踐的技能，提出辦公椅存在的新的問題，并設想對產(chǎn)品進行改進。4.態(tài)度責任:對創(chuàng)新實踐活動具有好奇心與探究熱情，養(yǎng)成勇于質(zhì)疑、樂于分享、善于實踐的態(tài)度。教學內(nèi)容教學重點：歸納工程實踐的六大流程。教學難點：工程設計的具體實踐。教學過程創(chuàng)設情境聚焦問題：視頻播放，教師講解引：同學們，中國作為基建強國，修建了無數(shù)令世人驚嘆的鐵路、公路、地鐵等。剛剛我們在視頻中看到的，正是在基礎建設中常用到的工程機械之王盾構機。盾構機的每一個部件都是經(jīng)過工程師們合作，反復改進設計而來的。其實在我們的生活中,有許多這樣的工程產(chǎn)品,你能否說說我國還有哪些偉大的工程產(chǎn)品？生產(chǎn)、生活中有哪些工程產(chǎn)品？教師歸納：天宮號空間站、玉兔號月球車、起重機、自動扶梯、生活中的辦公椅、鍋鏟都是工程產(chǎn)品，大到大國神器，小到一枚圖釘，在成品出來前都要由工程師們解決許多問題。今天就讓我們一起化身小小工程師，跟著老師體驗工程設計吧!設計意圖：用視頻導入，從生活中的工程產(chǎn)品引出話題，引發(fā)學生對工程設計的好奇心。本模塊內(nèi)容直切主題,將本節(jié)課的重點放在實踐模塊。。探究實踐：（一）體驗過程實踐1.明確問題：工程師將概念模糊的問題轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨群喚毜慕鉀Q方案，因此，明確問題是工程實踐的第一步，要研發(fā)一款新的辦公椅，需要親身體驗或調(diào)研人們的需求。課前作業(yè)要求大家坐一坐傳統(tǒng)得辦公椅，感受下傳統(tǒng)辦公椅有哪些不足？你對辦公椅還有哪些需求。學生分享交流：傳統(tǒng)辦公椅高度不可調(diào)、皮革坐墊時間久了很悶熱，大體重的人可能會把椅子坐壞了。希望新椅子的高度可調(diào)節(jié)，椅子靠背的角度可調(diào)節(jié)、座椅材料要透氣，能承受更大的質(zhì)量，等等。教師歸納：這些需求就是工程問題，工程師研發(fā)新座椅就是解決一個又一個這樣的問題。為了解決問題工程師們會先確定設計要求，往往通過調(diào)研確定這些問題的設計要求：椅子的高度調(diào)節(jié)范圍為450550毫米，靠背的傾斜角度調(diào)節(jié)范圍零到30度，座椅材料為舒適、透氣的網(wǎng)布材料，承受的最大荷載為150千克。2.設計方案：(1)概念設計:展示辦公椅設計草圖，草圖顯示了椅子的整體結構。(2)具體設計:有了概念設計，研發(fā)團隊開始具體設計，如椅子的各部分材料和具體的尺寸、主要部件等。3.實施方案：根據(jù)設計圖，工程師們運用各種技術，進行一系列工作，制作了辦公椅的原型。4.檢驗作品：研發(fā)團隊在工作環(huán)境下對原型實物進行測試，包括高度調(diào)節(jié)、傾斜角度調(diào)節(jié)、承重能力和舒適性等方面。觀看視頻，了解座椅承重能力測試，結果表明，原型在其他方面表現(xiàn)良好，但承重能力有所不足。5.改進完善：針對測試發(fā)現(xiàn)的問題，為達到設計承重的標準，工程師需進一步結合生產(chǎn)成本和實際需求進一步改進設計，重新測試。就這樣工程師們在解決一個又一個問題中，成功研發(fā)了新辦公椅。6.發(fā)布成果：座椅完成生產(chǎn)制造后，進行一系列的展示、推廣、銷售活動教師提問：請回顧辦公椅的研發(fā)整個過程，你能否歸納總結工程實踐的一般過程?你又有什么感悟?學生分享：工程實踐包括明確一個要解決的問題，在限定條件下設計方案，實施計劃制作原型，檢驗作品測試原型，改進完善，發(fā)布成果。學生分享：新辦公椅，背椅充氣、背椅彈簧方便調(diào)節(jié)靠背角度弧度；升降棒方便調(diào)節(jié)高度；網(wǎng)布椅背透氣、貼合背部；頸部沙發(fā)墊，貼合頸部，這些設計符合人體工學，增加座椅舒適度。堅固底盤結構、金屬支架增加承重力；萬向輪鋁合金腳方便移動。設計意圖：本環(huán)節(jié)旨在通過介紹辦公椅的研發(fā)過程，引導學生整體感知過程實踐的流程，并歸納形成工程實踐的一般過程。（二）體驗設計標準形成的過程教師提問：升降棒方便調(diào)節(jié)高度，將座椅高度控制在450550毫米之間。工程師是怎樣確定這個設計標準的呢？教師追問：工程師在設計辦公椅相關尺寸時，需要考慮哪些因素？需要測量人體哪些數(shù)據(jù)？是要站姿數(shù)據(jù)還是坐姿數(shù)據(jù)？教師結合圖片講解：研究表明，長時間的腿部彎曲會傷膝蓋，雙腳離地也會壓迫腿部血管，所以最合適的坐姿是自然放松時，雙腳恰好垂直觸地。因此，設計新辦公椅時要同時考慮健康和舒適兩個因素，葛優(yōu)躺很舒適，但不健康。因此達成坐著舒適又健康，就要關注椅背高度、扶手寬度、坐墊離地高度，坐墊長度和廣度等。要確定辦公椅這些尺寸，形成設計標準，需要獲取人體哪些相關數(shù)據(jù)？師生討論，共同完成下表：學生分享：要確定坐墊地長度和寬度，需要獲人們坐著時大腿地平均長度和寬度；要確定椅背高度，需獲取人地背部平均高度；要確定扶手寬度，需要需要人上臂地平均長度，要確定坐墊的高度，需要獲取人坐著時鞋底到大腿的高度，就是坐姿膝高。教師提問：要想獲取這些數(shù)據(jù)，有哪些方法？學生分享：可以選取一些人，測量上述數(shù)據(jù)，并取平均值，為了數(shù)據(jù)更可靠，可增加測量人數(shù)。教師講解：還可以查閱權威文獻，下表就是從中國成人人體尺寸中節(jié)選出的膝高。請結合表中數(shù)據(jù)思考：工程師為什么將座椅高度調(diào)節(jié)范圍確定為450550mm？學生分享：由表格數(shù)據(jù)可知，坐墊高度調(diào)節(jié)范圍控制450550mm之間，可以滿足大部分人在坐著時保持舒適又健康的姿勢。教師追問：這把新研發(fā)的辦公椅能放在教室里給同學們用嗎？為什么？學生分享：不合適，辦公椅空間占用過大;滑輪過于靈活，不適會上課靜坐。教師歸納總結：因此研發(fā)產(chǎn)品，要考慮產(chǎn)品的使用場景，滿足目標人群的需求，還要考慮價格成本等。教師布置課后任務：同學們思考下學生椅有哪些使用痛點，課后嘗試研發(fā)更舒適的學生椅？設計意圖：在整體感知過程實踐的一般過程后，通過任務和一系列問題引導學生理解設計標準的形成過程，理解工程產(chǎn)品的研發(fā)需要考慮“用戶、場景、價格”等。進一步細致化培養(yǎng)的工程師思維。工程設計并不是一步到位的，每一個產(chǎn)品都是經(jīng)過無數(shù)工程師不斷改進、磨礪后的成果。工程可以很簡單，像拉鏈的連接和分離(教師演示拉拉鏈);工程也可以很復雜，像電腦就需要結合電子學、微處理器等多方面知識(教師演示電腦操作，展示電腦內(nèi)部結構圖片)。三、拓展：我國古代工程實踐智慧——都江堰教師講解：都江堰是當今世界唯一留存、以無壩引水為特征的水利工程，是我國古代工程智慧的代表。教師提問：觀看視頻請思考都江堰三個主體工程魚嘴、飛沙堰、寶瓶口的作用和原理是什么?師生討論共同完成下表：設計用途魚嘴分流作用，將岷江分為內(nèi)江和外江。因為內(nèi)江窄而深,外江寬而淺,這樣枯水期時，水流六成引入內(nèi)江,滿足更多的灌溉用水需求,而當豐水期時,六成從外江流走，防止過多水流入內(nèi)江引起水患。飛沙堰和寶瓶口一是分流，當內(nèi)江的水量超過寶瓶口流量上限時，多余的水便從飛沙堰自行溢出;二是排沙，由于寶瓶口入口較窄,水流會回流,致使泥沙由于離心力的作用，從飛沙堰拋入外江，防止泥沙影響內(nèi)江的灌溉等。設計意圖：觀看視頻，了解我國古代水利工程的杰出典范——都江堰，了解都江堰如何在防洪、灌溉、水運等多方面發(fā)揮作用，知道一個好的工程設計自夠預估現(xiàn)實需求和未來可能出現(xiàn)的問題，減少資源浪費、降低施工成本，保證工程安全穩(wěn)定和延