大象版（2017秋）科学五年级上册第五单元《小小机械师》大单元整体教学设计

基 本 信 息
学科 小学科学 版本 大象版
年级 五年级上册
单元名称 第5单元《小小机械师》
单元主题 机械工程师训练营——解密简单机械的智慧
课时安排 6课时
一、单元主题
“机械工程师训练营——解密简单机械的智慧”
围绕杠杆、滑轮、轮轴、斜面四种简单机械的原理与应用，引导学生理解机械如何优化人力，培养工程思维与创新能力。
二、单元大情景
“古机械博物馆的修复挑战”
学生化身“机械修复工程师”，接受馆长任务——修复古埃及金字塔建造模型中的机械装置。通过五关挑战：
1.工具库探秘（《工具的妙用》）→ 2. 杠杆机关（《杠杆》）→ 3. 滑轮吊桥（《滑轮》）→ 4. 轮轴水车（《轮轴》）→ 5. 斜面运石（《斜面》）
最终设计“金字塔运输系统”模型，参加“古机械博览会”。
三、课程标准分析
依据 《义务教育科学课程标准（2022年版）》
核心概念 13. 工程设计与物化
学习内容 13.2 简单机械的原理与应用
13.3 设计与制作简单机械模型
学段目标 （3-4年级） ① 描述杠杆、滑轮等机械的作用；
② 设计实验验证机械省力原理；
③ 制作模型解决实际问题。
四、单元教材分析
本单元包括《工具的妙用》、《杠杆》、《滑轮》、《轮轴》和《斜面》这5课。
《工具的妙用》通过生活场景（如拧螺丝、折铁丝）引导学生认识工具的价值，探究“特定任务需特定工具”的核心概念。通过观察工具结构（如钳子、扳手）分析其工作原理，并迁移解决实际问题（如古埃及金字塔建造中的机械猜想）。
《杠杆》以跷跷板为切入点，学习杠杆的三要素（支点、动力点、阻力点）。通过实验探究杠杆省力条件（动力臂 > 阻力臂），分析生活中杠杆应用（如撬棍、指甲剪）。
《滑轮》对比定滑轮（改变方向）与动滑轮（省力）的功能差异，通过实验验证滑轮作用（如旗杆定滑轮改变方向，起重机动滑轮省力），并引入滑轮组（如升降机）的复合应用。
《轮轴》通过方向盘、水龙头等实物，揭示轮轴本质（轮带动轴省力，轴带动轮不省力）。实验探究轮大小与省力关系（大轮更省力），解释自行车踏板、门把手等设计原理。
《斜面》验证斜面省力作用（如斜坡推车），探究坡度与省力关系（坡度越小越省力）。分析斜面变形应用（如螺丝、盘山公路），强调机械组合提升效率（如斜面和轮轴组合的螺旋千斤顶）。
五课之间按照知识的递进关系排列。《工具的妙用》作为总起课，引入“机械优化人力”的核心思想；后续四课分别深入四种简单机械原理（杠杆→滑轮→轮轴→斜面），形成“分项探究→综合应用”的知识脉络。
单元终局指向“机械组合设计”（如自行车=轮轴+杠杆+滑轮），呼应课标“技术工程与社会”核心概念，引导学生理解简单机械如何通过组合解决复杂问题。
五、教学目标
维度 目标内容
科学观念 解释杠杆、滑轮等机械的省力原理，列举生活应用（如起重机含滑轮+杠杆）。
科学思维 通过实验数据归纳“轮大小与省力关系”等规律，用类比推理说明机械组合优势（如自行车=轮轴+杠杆）。
探究实践 设计控制变量的斜面坡度实验，制作“金字塔运输系统”模型（含杠杆+斜面）。
态度责任 遵守工具安全操作规范（如戴护目镜），树立“机械优化人力”的工程价值观。
六、学情分析
1.认知基础：五年级学生已知“推拉产生力”，但对“力臂”“机械效率”等抽象概念需借助实验理解。
2.学习难点：理解动滑轮省力原理（易混淆“省力”与“省距离”）。
3.兴趣点：角色扮演（工程师）、动手制作（杠杆模型）、解决历史谜题（金字塔建造）。
七、活动设置
课时 活动主题 活动目标 达成方式（含跨学科融合）
1 工具侦探社 分析工具结构与功能匹配性 拆解核桃夹/瓶起子，绘制结构图（美术+工程制图）。
2 杠杆挑战赛 验证杠杆省力条件 用杠杆尺+钩码测力，记录“动力臂/阻力臂”比值（数学：比例计算）。
3 滑轮吊桥修复 对比定/动滑轮功能差异 用滑轮组吊起“金字塔石块”（重物），测拉力大小（物理+历史）。
4 轮轴提水器 探究轮大小与省力关系 制作不同轮径的提水装置，对比提水用力大小（技术与工程）。
5 斜面运石方案 优化斜面坡度省力效果 用木板搭斜坡运重物，测坡度与拉力关系（数学：数据折线图）。
总结 金字塔运输系统 综合应用机械原理 设计含杠杆+斜面的运输模型，测试承重能力（STEM项目）。
八、教学方法
1.问题驱动法
抛出历史问题：“金字塔巨石如何运输？” → 引导学生用机械原理提出方案。
2.实验探究法
斜面实验：控制变量（坡度、物重），记录拉力数据 → 分析坡度与省力规律。
3.工程模型制作
提供材料（木棍、滑轮、黏土）→ 小组合作制作“杠杆+滑轮”起重装置 → 测试承重并优化。
九、学习方法
1.合作学习：4人小组分工（设计师、操作员、记录员、汇报员），轮换角色。
2.思维可视化：用双气泡图对比“定滑轮 vs 动滑轮”功能差异。
3.迁移应用：家庭任务“寻找家中机械工具”（如门把手-轮轴），拍照记录原理。
十、评价策略
（一）单元总体评价策略
类型 内容
过程性评价（60%） 实验记录单、模型设计图、安全操作规范
终结性评价（40%） 金字塔运输模型的功能性、创意性、团队协作
（二）分活动评价表
活动1：工具侦探社（《工具的妙用》）
评价维度 ★（基础） ★★（良好） ★★★（优秀）
工具分析 识别1种工具功能（如钳子夹物） 分析3种工具结构与功能匹配性 提出工具改进方案（如防滑手柄）
跨学科应用 绘制简单工具草图 标注工具关键部件名称（美术+工程） 用比例图展示工具尺寸（数学）
问题解决 复述古埃及杠杆应用 解释“特定工具解决特定问题” 设计“巨石运输工具包”（杠杆+轮轴）
活动2：杠杆挑战赛（《杠杆》）
评价维度 ★（基础） ★★（良好） ★★★（优秀）
实验操作 完成杠杆平衡基础实验 设计2种省力杠杆（动力臂>阻力臂） 创新组合杠杆（如剪刀式杠杆）
数据记录 记录1组“力臂/拉力”数据 对比3组数据并总结规律 建立数学模型（力臂比=省力比）
科学推理 复述“杠杆三要素” 解释跷跷板省力原理 分析指甲剪的双杠杆结构
活动3：滑轮吊桥修复（《滑轮》）
评价维度 ★（基础） ★★（良好） ★★★（优秀）
功能验证 区分定/动滑轮作用 用动滑轮省力提起重物 设计滑轮组（省力+改方向）
工程实践 组装单滑轮吊桥模型 修复含2滑轮的吊桥 优化吊桥承重结构（如加固支架）
数据分析 记录定滑轮拉力=物重 对比动滑轮省力50% 计算滑轮组省力比例（如2滑轮省力75%）
活动4：轮轴提水器（《轮轴》）
评价维度 ★（基础） ★★（良好） ★★★（优秀）
实验探究 验证轮轴省力（轮>轴） 测试不同轮径的省力效果 发现“轮径比=省力比”规律
创新应用 复述方向盘省力原理 设计省力水龙头改进方案 制作“脚踏式提水器”（轮轴+杠杆）
迁移能力 列举1种轮轴工具（如门把手） 分析自行车踏板轮轴结构 解释螺丝刀=轮轴的变形
活动5：斜面运石方案（《斜面》）
评价维度 ★（基础） ★★（良好） ★★★（优秀）
实验设计 完成斜面坡度对比实验 控制变量（坡度、物重） 创新设计可调坡度装置
结论归纳 说出“坡度小更省力” 用数据证明坡度与拉力反比 推导斜面公式（拉力=物重×sinθ）
工程思维 复述盘山公路应用 设计“Z字形”运石路径 优化斜面+轮轴组合运输系统
作业设计
活动1：工具侦探社（《工具的妙用》）分层作业设计及评价标准
作业类型 作业内容 评价标准（星级对应）
基础作业 列举3种家庭工具功能（如螺丝刀拧螺丝） ★：1种工具； ★★：3种工具+用途； ★★★：标注结构名称
提升作业 拍摄工具使用视频，分析工作原理 ★：描述1种原理； ★★：对比2种工具差异； ★★★：提出创新点
拓展作业 设计“多功能工具箱”（含3种组合工具） ★：草图设计； ★★：标注功能； ★★★：制作原型并演示
活动2：杠杆挑战赛（《杠杆》）
作业类型 作业内容 评价标准（星级对应）
基础作业 标注跷跷板三要素（支点、动力点、阻力点） ★：标对1处； ★★：标对3处； ★★★：用箭头标注力方向
提升作业 用筷子+橡皮泥制作省力杠杆，测试承重 ★：完成制作； ★★：抬起100g重物； ★★★：优化支点位置
拓展作业 调研中国古代杠杆应用（如桔槔提水），制作模型 ★：手绘原理图； ★★：简易模型； ★★★：动态演示+省力分析
活动3：滑轮吊桥修复（《滑轮》）
作业类型 作业内容 评价标准（星级对应）
基础作业 画出旗杆定滑轮改变方向的示意图 ★：简单图示； ★★：标注拉力方向； ★★★：添加受力分析
提升作业 用线轴+棉线制作简易动滑轮，测试省力效果 ★：完成制作； ★★：省力效果明显； ★★★：测量省力比例
拓展作业 设计“金字塔吊装系统”（含定滑轮+动滑轮） ★：设计草图； ★★：标注滑轮类型； ★★★：制作模型并测试
活动4：轮轴提水器（《轮轴》）
作业类型 作业内容 评价标准（星级对应）
基础作业 标注方向盘轮轴结构（轮=外圈，轴=转向柱） ★：标对1处； ★★：标对2处； ★★★：用箭头标注施力点
提升作业 用瓶盖+竹签制作轮轴提水器，测试轮径与拉力关系 ★：完成制作； ★★：记录3组数据； ★★★：绘制轮径-拉力曲线图
拓展作业 调研古代水车工作原理，制作动态模型 ★：收集资料； ★★：静态模型； ★★★：动态模型+省力分析
活动5：斜面运石方案（《斜面》）
作业类型 作业内容 评价标准（星级对应）
基础作业 记录斜坡推车用力感受（陡坡vs缓坡） ★：描述感受； ★★：对比差异； ★★★：用“省力”术语解释
提升作业 用木板搭不同坡度斜面，测拉力并记录数据 ★：1组数据； ★★：3组数据+折线图； ★★★：分析坡度与拉力关系
拓展作业 研究螺丝钉的斜面原理，制作“省力螺丝刀模型” ★：手绘原理图； ★★：标注斜面螺旋； ★★★：测试不同螺距省力效果