《运动和力》单元分析和教学建议

徐莹莹

单元分析

我们处在一个运动的世界中，所有物体都在不停地运动着，只是我们在地球上看到，物体有的是静止的，有的是运动的。我们又处在一个力的世界里，力无处不在。《运动和力》单元以小车作为研究对象，以秒表、软尺、弹簧测力计、小垫圈等工具获取实验数据，研究物体的运动及其受到的动力之间的关系。在进阶式科学实践活动中，教师引导学生逐步建构“力能改变物体的运动状态，运动的物体具有能量”的概念。学生还将经历一个完整的项目式的学习过程，包括从不同角度绘制设计图、数据量表，通过自评和他评改进并完善产品性能等。

1.主要建构的大概念

力与物体运动是自然界中重要的因果关系，了解物体运动与力的关系对学生理解自然界的因果关系、形成对现象的正确解释有直接帮助。本单元主要指向四个不同的大概念，包括物质科学领域中的“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”“机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式”，以及技术与工程领域的“技术的核心是发明，是人们对自然的利用和改造”“工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制作产品的活动”。

由于力是十分抽象的，小学生不易理解且会产生各类迷思概念。本单元引导学生感受和建构摩擦力、拉力、反冲力、弹力等各种力，并由此理解有些力是直接作用在物体上的，为今后理解更多、更复杂的力奠定基础。学生已经学习了有关物体运动方面的知识，了解到物体的位置、速度、运动方向等会随着物体的运动而变化，但对运动状态的变化背后的原因很难理解。因此，教学时教师要促进学生理解当有力作用于物体上时，物体的运动状态会发生变化;物体运动快慢发生变化时，会影响物体所具有的能量。对于工程技术领域概念的学习，本单元将其渗透在不同的研究活动中。学生在不断尝试设计产品、改进装置、革新技术的过程中，体验产品设计制作的程序和方法，体会如何运用科学原理解决问题，逐步理解人们在不断改造世界的过程中所开展的创造性活动。

2.促进工程与技术领域内容的学习

工程与技术是人类社会最基本的实践活动，是科学知识转化成物质力量的重要体现。学生通过对日常生活难题和自然事物的探究和改造，发展观察、实验、制作建模和推理能力。在研究力与物体运动关系的活动中，不断渗透工程与技术领域的学习内容。在“用气球驱动小车”的活动中，通过改变充气量的多少、喷气管的粗细来改变小车行驶的距离，体会装置的优化设计可以提升产品的性能;在“用橡皮筋驱动小车”的活动中，通过改变橡皮筋缠绕圈数来改变小车行驶的距离，体会车轮转动的工作原理;在研究“物体运动和摩擦的关系”中，通过改进工具和技术来方便人们搬运重物，体会车轮作为一项重要的发明工具，对改善人们生产、生活的好处。在单元最后，安排了设计制作小车活动，这既是对之前所学知识和技能的归纳和总结，又是从实际用途或需要解决的问题出发，讨论、改进并选取最优的方案。制作完成后，引导学生对产品进行评估、反思和改进。

此外，对于力的研究是建立在三年级对物体运动研究的基础上，同样采用了建模的思想，将较复杂的真实情境抽象成为“简单的小车运动与受到的力之间的关系”。用不同的动力驱动小车，通过改变一些因素来改进小车的性能，即改变小车的运动状态。对于能量部分的学习，是将运动物体所具有的能量通过显性的现象来呈现，比如声音的大小、小车撞击后行驶的距离等。

3.认识产品制作中“失败”的价值

在设计制造产品的过程中，学生需要经历明确问题、拟订方案、实施方案、评估改进等过程。其间，难免会受到外界因素和自身认知水平的影响，制造出不符合设计需求的产品，甚至制造出不合格产品。教材引导学生认识到，工程师不会将不成功的产品视为失败，而是将其看成一次有价值的解决问题的机会，根据评估结果，对原设计方案进行调整或者提出新的解决方案，这样才能不断改进产品。其实，人类生产生活能力不断完善的过程，就是一个不断从失败中总结经验、发现新知、寻找办法的历程。我们期待学生也像工程师那样，经历设计活动和制作活动，在不断改进的过程中，培养他们的实践能力、思维能力和运用科学知识解决问题的能力，培养他们明辨事物、树立自信、发展自尊、学会欣赏等重要品质和能力。

本单元的教学内容主要体现了课程标准中“物质科学领域”和“技术与工程领域”的学习目标，具体如下：

5.1知道日常生活中常见的摩擦力、弹力、浮力等都是直接施加在物体上的力。

5.2举例说明给物体施加力，可以改变物体运动的快慢，也可以使物体启动或停止。

6.6.1识别日常生活中的能量。知道运动的物体具有能量。

16.2举例说出制造技术、运输技术、建筑技术、能源技术、生化技术、通信技术的产品。

17.2举例说出改变方法和程序可以提高工作效率。

18.1举例说出，一项工程运用到的科学技术和原理，如汽车刹车系统的设计中运用到的科学与技术。

18.2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。

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，在制作过程中及完成后进行相应的测试和调整。

在学习本单元前，学生对力和运动有了一定的了解，也对一些有关力和运动的现象产生了一些困惑，比如，为什么树上的苹果往下落？汽车为什么会运动？为什么在地上滚动的球会停下来？等等。教材设计了8节课，选择了学生熟悉的车作为主要研究对象，以“物体的运动及其受到的力”为主要线索，循序渐进地安排了一些活动。其中，前5节课主要围绕“运动和力的关系”展开，先从引导学生认识不同的动力开始，还安排了一系列活动来研究不同的力对小车运动产生的影响，以及如何测量力的大小。第6课围绕“能量”展开，研究运动的物体所具有的能量与其运动情况有什么样的关系。第7课和第8课都是开展“设计、制作动力小车”的活动。通过以上活动，学生将认识物体的运动与其作用力之间的關系，认识到物体运动状态的改变是因为受到力的作用，力的大小、方向不同对物体运动的影响不同，物体的运动情况不同产生的能量也不同，能量还会以各种形式存在。由于本单元涉及许多工程制作方面的内容，教师应提前准备好一些可供选择的材料。

《让小车运动起来》教学建议

本课主要让学生了解不同类型车的动力，然后用垫圈做动力，通过比较观察实验现象，从而发现拉力大小与小车运动的关系。

学生观察图片，了解从古到今不同类型的车辆，发现它们的动力来源，为后续用拉力做小车动力的研究奠定认知基础。

探索环节中，先引导学生安装一个用垫圈做动力的小车，要确保拉力的方向与车轮滚动前进的方向一致。再引导学生思考拉小车绳子的长度应该与桌子的高度差不多，绳子过长或过短都会导致小车运动的距离不足。教学不仅要让学生认识“垫圈越多，小车运动得越快”，还要让他们思考“要用多大的拉力才能使小车运动起来”“用更大的拉力拉小車，小车的运动状态会怎样变化”“如果不断增大拉力的结果是什么”等问题，进一步发现力对物体运动的影响情况。实验中，学生既要一个一个地增加垫圈，观察能让小车动起来的力;又要多个多个地增加垫圈，方便观察比较小车的运动状态。

研讨环节中，“怎样让小车从运动到静止或从静止到运动”的问题，旨在引导学生探讨如何改变小车的运动状态。教师要引导学生在实验后边回顾实验现象边描述：当垫圈的个数达到一定数量时，小车就会由静止变为运动;用手挡住小车，才能阻止它的运动。同时，手也会感受到运动的小车带来的冲击力。对“小车的运动快慢与拉力大小的关系”的探究，主要观察拉力大小对小车运动速度的影响。学生会发现拉力越大，小车运动得越快;加的垫圈越多，小车运动的速度变化得越快。

《用气球驱动小车》教学建议

气球是学生熟悉的玩具，学生对反冲力并不陌生。本课主要让学生观察和感受气球喷气时所产生的力和气球上升运动的关系，研究如何用气球作为动力来驱动小车。此外，本课渗透了技术与工程领域的学习内容，引导学生意识到改变小车的装置可以改变小车的运动性能。

探索环节中，学生可以先把气球充足气，再松开气球口，观察并画出喷出气体的方向和气球运动的方向，再感受气球上升时手在下方的感觉。在此，学生要思考“气球受到的力和气球运动的方向”，即反冲力让气球运动起来。

第二个活动有一定难度，教学前，教师可以为学生准备一些方便组装的小车材料。实验中，教师要启发学生观察小车运动的方向和喷气产生动力的方向，试着解释气球喷气为什么能推动小车的运动，思考并实践用哪些办法能使小车行驶得更远。教师要鼓励学生尝试改变不同的因素，让小车运动得更远，比如“大小不同的气球”和“粗细不同的喷管”。实验前，教师让学生先猜测用不同的材料及其导致的运动结果，然后再进行实践，运用所学知识解释现象。这里要提醒学生意识到气球充气后具有能量。

研讨环节中，“气球怎样驱动小车”的问题是要让学生认识到气球喷气产生的力为小车运动提供了动力，喷气的方向与小车运动的方向相反，喷气产生的推力推动小车向前运动。“怎样改进让小车行驶得更远”的问题指向小车动力的大小与其运动远近的关系。教师要引导学生认识到，这个动力的大小是受气球充气量、喷管粗细的影响的，但无须一一对应地解释动力大小与因素改变之间的关系。在拓展环节，教师鼓励学生了解更多利用反冲力做动力的各种机械，并举出实例即可。

《用橡皮筋驱动小车》教学建议

本课主要活动是研究橡皮筋缠绕圈数与小车行驶距离的关系，这是换一种形式对运动和力展开研究，为后续研究车辆的摩擦力、设计、制作小车奠定基础。

探索环节中，教师通过图片或视频指导学生安装小车，把连接的橡皮筋分别固定在车架和车轴上，通过转动车轮来缠绕橡皮筋，车轴上的小轮轴可以更方便缠绕橡皮筋（在车轴上缠几层胶带也是可以的）。开展活动时，教师要帮助学生将上节课的实验方法迁移到本节课，让他们自主设计实验，可以用“在车轴上缠绕不同圈数”的方法来做对比实验。引导学生观察到橡皮筋缠绕一圈时，弹力作用在小车上的时间短，运动得近一些;缠绕多圈时，弹力作用在小车上的时间长，运动得远一些。提示学生标清楚起点、终点，再用尺子测量距离。

研讨环节中，第一个问题引导学生认识到橡皮筋缠绕后被拉伸产生的力为小车运动提供了动力，拉伸得越长，产生的力越大，小车行驶得越远。“橡皮筋在车轴上缠绕的圈数与小车行驶的距离有什么关系”这一问题，指向小车运动的远近与其动力大小的关系。对于“为什么会有这样的关系”的问题，可以启发学生思考“缠绕圈数对橡皮筋产生的动力有什么影响”。

拓展环节主要是利用橡皮筋做主要材料，尝试产生不同大小的力。要引导学生发现：挂的钩码越多，橡皮筋被拉得越长，产生的力越大。

《弹簧测力计》教学建议

前面3课主要研究了小车动力大小与小车运动的关系，本课主要认识弹簧测力计的构造、原理和使用方法，学习用弹簧测力计测量力的大小。

探索环节中，教师引导学生根据教科书中的提示，初步观察、交流弹簧测力计的基本构造，说说测力计上的刻度，每一大格是多大的力，每一小格是多大的力，最大能测量多大的力。测量前，让学生用手感受1牛、2牛、5牛力的大小，以便测量实际物体之前对物体的轻重进行估测;测量后，让学生对比估计值和测量值。较强的估测能力是迅速做出判断的基础，因此，要在测量活动中逐渐让学生建立起“牛”即力的大小的概念。使用测力计时，要提示学生先检查指针的位置是否在0刻度上，这与天平、温度计等仪器的使用要求相似。测量活动的难点在于指导学生如何处理可能超过量程的物体，这就需要用手托着物体慢慢松开，估计是否超过量程，如果超过或接近量程，可以更换量程大一些的测力计。

研讨环节中，关于“弹力产生的原因”和“弹簧测力计的使用”的研讨，可以作为探索后的回顾和小结，引导学生认识并表述“弹力是因为弹簧被拉伸而产生的”，描述测力计的使用方法以及注意事项。“生活中哪些地方还有弹力？”引导学生建立“弹力”概念，把对橡皮筋和弹簧被拉伸产生的弹力拓展到不同的情境中，了解生活中哪些物品在哪些场合会用到弹力。

拓展环节主要是用橡皮筋设计制作弹簧测力计，提示学生思考如何给弹簧测力计标上刻度，比如，用已知钩码或挂已知重量物体的方法，在测力计纸板上画出刻度。

《运动与摩擦力》教学建议

本节课围绕摩擦力的产生及其对运动的影响展开。教师可以创设一个学习情境，即古人用滚木搬运重物的场景，提示学生思考这种运动方式如何满足人类生产生活的需要。

探索环节中，教师引导学生模拟搬运重物，用垫圈的个数表示摩擦力的大小，比较不同运动方式下摩擦力大小的不同。把物体直接放在木板上，引导学生思考垫圈很少时木块不滑动的原因，这是从另一个层面认识物体在桌面上会受到摩擦力的影响，阻碍了它从静止到运动。

第二个活动是用简单的工具改变物体的运动方式。先是用笔或者筷子作为“滚木”，笔或筷子不要有棱角，用圆形、光滑的桿，以避免出现每次测量的结果差异较大。在此，提示学生思考“滚木”移动重物的优缺点，由此引发疑问：怎样才能既减小摩擦力，又能让盒子运动起来比较方便呢？顺理成章地承接到第三个活动：给纸盒加上轮子。该活动渗透了技术与工程领域的学习，进一步引导学生从工程技术的角度去思考技术（工具）的不断改进能否满足生产生活的需要。

研讨环节中，“怎样搬运重物省力，让摩擦力最小？”这个问题是让学生通过观察实验现象和垫圈数来判断哪种方法最省力。在此，教师要培养学生用测量的数据来支持自己观点的意识，而不是简单地说出结果。“如何在生活中增大或减小摩擦力？”这个问题将学习置于真实的情境中，引导学生利用所学科学原理来解释现实中的问题，将科学与生活很好地联系起来，比如自行车手柄的花纹、运动员手上的镁粉、在大理石地面铺粗糙的地毯等都是增大摩擦力;给机器上润滑油、将轴承抛光、滑冰鞋上的轮子等都是减小摩擦力。

拓展环节将学生的视野拓宽到现代各种交通工具上。气垫船是一种空气在船只底部承托的交通工具，磁悬浮列车是由于其轨道的磁力使之悬浮在空中的交通工具。向学生介绍这两种常用工具的行驶特点和运动情况时，教师只需要引导他们知道这两种交通工具是使用不同的技术方式减小摩擦力的——气垫船利用反冲力，磁悬浮列车利用了磁力，不需要对它们的动力原理做深入讲解。

《运动的小车》教学建议

本课主要有两个活动：一是观察不同敲击速度下的音叉发出的声音大小;二是研究放在不同高度的小车下滑，撞击木块后，木块所移动的距离。教师引发学生思考什么样的物体具有能量，能量对我们的生活有什么影响。

探索环节中，在敲击实验中，指导学生分别用不同的速度挥动橡皮槌敲击音叉，先分辨音叉发出的不同声音，再用手去摸音叉的振动情况。敲击的速度越快，即重重地敲，代表运动的橡皮槌具有的能量越大，转化为声能也越大，反映出声音的音量也越大;相反，敲击的速度越慢，即轻轻地敲，代表运动的橡皮槌具有的能量越小，转化为声能也越小，反映出声音的音量也越小。撞击实验中，让小车下滑后撞击木块，通过改变斜面的高度来改变小车撞击木块的速度，测量撞击前后木块移动的距离，通过比较距离的远近来推断运动物体具有的能量。操作时指导学生注意：释放小车的位置要在斜面上的同一位置，在平面上放置木块的位置也要一致，可以在这些关键位置做上标记。通过对比三次测量的距离，推断运动物体所具有的能量大小。

在研讨环节中，“怎样知晓橡皮槌和小车在什么情况下具有能量”引导学生通过现象发现，运动的橡皮槌敲击音叉时发出声音，说明运动的橡皮槌具有能量;运动的小车撞击木块后，把木块推出一段距离，说明运动的小车具有能量。“运动的物体具有的能量和其运动速度的关系”的探究，引导学生进一步对比每次实验的不同结果。在敲击实验中，橡皮槌的速度不同，音叉发出的声响不同，橡皮槌具有的能量不同;在撞击实验中，小车的速度不同，木块被撞击后运动的距离不同，小车具有的能量也就不同。

拓展环节中，可以通过实例让学生意识到能量丰富多彩，并以多种形式存在。要引导学生注意一些不容易被识别的能量。

《设计制作小车（一）》教学建议

第7、8课围绕设计制作小车展开，这既是对之前所学知识和技能的归纳和总结，又能进一步培养学生的科学素养，发展他们对工程设计的认识、理解和应用。活动从思考“如何按要求制作一辆动力小车”的问题开始，指导学生经历项目式学习过程，意识到设计要先于制作，要从实际用途或需要解决的问题出发，讨论、改进并选取最优方案。制作完成后，还要对作品进行评估、反思和改进。

明确任务阶段，要让学生明确目标、产品达标条件和制作要求。

目标：利用生活中的材料制作一辆具有动力的小车。

达标条件：让小车依靠动力在5秒内把两块橡皮运输1米远。

制作具体要求：车身长不能超过25厘米，用橡皮筋或气球作为动力;只能利用提供的材料。

这样的表述既为学生提供了探索的方向和脚手架，又给他们提供了充足的设计空间，并为后续的小组之间的评估确立了公平的指标。

设计方案阶段，先让学生观察一些小车模型，了解根据需要设计制作动力车辆，记录下小车的基本结构，以及它们的特点和作用，比如，车架起到支撑和固定作用，车身具有美观和载人的作用，车轴和轮子是用来连接车身并运动的。随后，指导学生讨论、确定小车的设计方案，并绘制设计图。在此，学生需要思考“选择橡皮筋还是气球作为动力”“各部分采用哪些材料组装，每种材料如何拼接”“选择什么工具加工材料”等。在绘制设计图时，鼓励学生从前、后、左、右、上方，甚至是剖面图等角度画出更多的结构图，让学生尽量将制作的尺寸标志清楚。

《设计制作小车（二）》教学建议

本课要求学生综合运用所学的知识和技能，根据设计方案制造出产品，并不断改进和完善，这也是不断发现问题、解决问题、应用技术的过程。教学时，教师要为学生提供程序性的实践指导，先是按照上节课的设计图制作小车，明确制作的基本步骤，汇报测试方法;再要求学生根据评估指标进行评价，包括设计思路、小车制作、功能实现、合作分工、展示汇报等方面，以进一步改进小车。

在学生领取材料之前，可以先由组长组织讨论，协商确立每位成员负责的工作，在这一过程中，小组成员要学习如何共同承担、相互妥协、有效合作等。另一方面，要组织讨论制作时的难点，比如，车轴怎样装在车架上，气球怎样安装在小车上。接着，引导学生要按照操作流程来完成：确定组装步骤、选择材料和工具、分工加工、组装不同部分，制作完成还要对小车进行调试。教科书给出了评估标准，可以将其用于制作前，让学生明确产品制作的标准和方向，鼓励和引导他们向更高档次努力。

汇报测试环节中，指导学生汇报小组的设计思路，展示设计图，介绍组装流程，反思是否达到自己的期望，引导学生把测试中遇到的问题、可能的原因以及想到的解决方案记录下来。汇报时，将以上问题整理在班级记录表中，供全班同学针对一些难点问题展开讨论，寻求更好的解决方法，以利于后续改进。

评估改进中，要根据评估改进量表中产品设计、产品制作、功能实现、团队合作、展示讲解五个方面进行评估。根据评估情况，小组反思设计和制作过程，针对问题寻找解决方案。

广东省深圳市宝安区海城小学（518101）