【核心素养目标】2.3 用沉的材料造船 教案设计

2.3 用沉的材料造船 教案设计
一、核心素养目标
1. 科学观念：知道在水中会下沉的材料也可以用来造船；理解相同质量的橡皮泥、相同大小的铝箔，做成船型后体积越大，受到的水的浮力越大，越容易浮在水面上，载重量也越大；认识到船的稳定性与其船体结构密切相关，了解其他领域的技术发展会推动造船技术的持续进步。
2. 科学思维：能通过不断改进船的形状与结构，让橡皮泥船和铝箔船实现稳定漂浮，完成指定重量的垫圈承载任务；完整经历“设计-制作-测试-分析-改进-再设计”的典型工程设计过程，发展工程设计、逻辑分析与创新优化的科学思维。
3. 探究实践：能通过动手操作、对比实验，探究提升船的载重量与稳定性的有效方法；能通过资料阅读、结构观察，理解现实中船舶提升稳定性的设计原理，提升动手实践、数据记录与问题解决的科学探究能力。
4. 态度责任：在反复优化船体设计的过程中，体会持续改进对工程成果的重要影响，培养精益求精的工匠精神；从船的发展历程中，感受技术创新的力量，激发工程创造的欲望与对船舶工程的持续探究兴趣。
二、教学重难点
1. 教学重点：掌握用橡皮泥、铝箔等下沉材料造船的基本方法，完整经历工程设计的全流程；理解船型结构能增大下沉材料在水中受到的浮力，建立船体体积、结构与浮力、载重量、稳定性之间的关联认知。
2. 教学难点：理解“物体排开水的体积越大，受到的浮力越大”的科学原理；能针对船的性能缺陷，科学优化船体结构，有效提升船的载重量与稳定性，建立系统的工程设计思维。
三、教学过程
（一）、科学聚焦：认知冲突，引出探究主题
1. 教学活动
（1）旧知回顾导入：带领学生回顾上节课《用浮的材料造船》的核心内容，提问：“上节课我们用竹子、木头这些能浮在水面上的材料，成功制作了竹筏，谁能说一说，为什么浮的材料可以用来造船？”引导学生回顾材料的漂浮特性、船体结构与浮力的关联。
（2）创设认知冲突：出示橡皮泥和铝箔纸，提问学生：“这两种材料大家都很熟悉，把它们直接放进水里，是浮还是沉？”学生通过生活经验判断出二者会沉入水底，教师顺势提出核心探究问题：“木头、竹子这些浮的材料能造船，那橡皮泥、铝箔纸这些在水里会沉的材料，也能造船吗？我们能用什么方法，让沉的材料也浮在水面上，甚至承载货物？”
（3）引出探究主题：结合学生的猜想与发言，正式引出本节课的探究主题——《用沉的材料造船》，明确本节课将通过设计、制作、测试，解锁用沉的材料造船的奥秘。
2. 设计意图：通过回顾上节课的知识，实现新旧内容的自然衔接，构建完整的单元知识脉络；通过“沉的材料能否造船”的问题，创设强烈的认知冲突，快速激发学生的探究兴趣与好奇心，明确本节课的核心探究方向，为后续的实践探究做好铺垫。
（二）、科学探索：实践探究，经历工程设计完整流程
板块1：活动一——设计制作，用橡皮泥和铝箔造船
1. 教学活动
（1）明确制作要求：向学生明确本次造船的核心要求：① 分别用橡皮泥和铝箔纸各制作一艘小船；② 先绘制详细的设计图，标注船体的形状、尺寸、结构；③ 制作完成的小船能平稳漂浮在水面上，至少能承载10个垫圈；④ 记录设计改动之处与最终的测试结果。
（2）讲解安全与操作提示：向学生强调制作与测试的温馨提示：① 必须先完成设计图，再按照图纸造船，避免盲目制作；② 铝箔纸多次弯折容易断裂，确定方案后再动手制作；③ 测试过程中要保持水面平稳，及时擦干桌面和垫圈上的水渍。
（3）小组设计创作：组织学生以4人小组为单位，开展船体设计，分别绘制橡皮泥船和铝箔船的两种设计方案，标注船体的结构、尺寸、制作要点。教师巡视各小组，针对设计中不合理的地方（如船舷过矮、船体过窄）进行引导，启发学生优化设计。
（4）动手制作实践：各小组按照完善后的设计图，分别完成橡皮泥船和铝箔船的制作，教师全程巡视指导，帮助学生解决制作中的问题，比如橡皮泥船体厚薄不均、铝箔船边角漏水等，引导学生保证船体的密封性、平整度与对称性。
（5）初次性能测试：各小组完成制作后，开展初次载重测试：将小船平稳放入水槽中，逐个向船内添加垫圈，记录小船稳定漂浮时最多能承载的垫圈数量，同时观察小船是否出现侧翻、进水、下沉等问题，记录测试中发现的缺陷。
2. 设计意图：通过明确制作要求与操作提示，为学生的设计制作提供清晰的规范与指引，保障实践活动的有序开展；通过“先设计、后制作”的流程，培养学生的工程设计思维与规划能力，让学生养成“先思后做”的科学探究习惯；通过初次制作与测试，让学生在亲手操作中获得最直观的体验，发现船体设计中的问题，为后续的原理探究与优化改进提供真实的实践基础。
板块2：原理探究，揭秘沉的材料能浮起来的原因
1. 教学活动
（1）提出核心问题：结合各小组的测试结果，提出问题：“同样的橡皮泥、同样大小的铝箔纸，捏成实心团会沉入水底，做成船型后却能浮在水面上，甚至承载重物。我们改变了材料的什么？为什么沉的材料做成船型后，就能浮在水面上了？”
（2）小组讨论分析：组织学生以小组为单位，对比实心橡皮泥团和橡皮泥船的形态差异，讨论二者在水中的变化，教师引导学生关注“形状改变带来的体积变化”。
（3）原理讲解与验证：结合学生的讨论结果，讲解核心科学原理：橡皮泥和铝箔是在水中会下沉的材料，把它们做成空心的船型后，排开水的体积大幅增大，在水中受到的浮力也随之增大，因此就能更容易浮在水面上，还能承载一定重量的货物。同时带领学生通过小实验验证：把橡皮泥船轻轻向下压，能感受到水对船有一个向上的托力，这个力就是浮力；船的体积越大，向下压时感受到的向上的力就越大，说明浮力越大。
（4）核心概念梳理：向学生明确两个核心知识点：① 浮力是水给水中物体的一个向上的力，所有在水中的物体都会受到浮力的作用；② 相同质量的同种材料，做成船型后的体积越大，排开水的体积就越大，受到的浮力也越大，载重量也就越大。
2. 设计意图：结合学生的实践体验提出问题，让原理探究建立在真实的实践基础上，避免抽象概念的生硬讲解；通过小组讨论、动手验证、原理讲解的层层递进，让学生从现象观察走向本质理解，突破本节课的核心原理难点；通过核心概念的梳理，帮助学生建立“形状→体积→浮力→载重量”的逻辑关联，为后续的船体优化提供科学的理论支撑。
板块3：优化改进，提升船的载重量与稳定性
1. 教学活动
（1）问题梳理：引导各小组梳理初次测试中发现的问题，汇总出两大核心缺陷：一是船的载重量达不到预期，容易进水下沉；二是船体稳定性差，添加垫圈时容易侧翻。
（2）分组研讨优化方案：组织学生以小组为单位，结合本节课学习的科学原理，分别针对“提升载重量”和“提升稳定性”两个方向，研讨船体的优化改进方案。教师巡视引导，启发学生结合原理思考：要提升载重量，就要尽可能增大船体的体积；要提升稳定性，就要优化船体的结构与重物放置方式。
（3）全班交流优化方法：各小组分享优化方案后，师生共同梳理出科学的改进方法：
① 提升载重量：在材料用量不变的前提下，把船底做得更宽、船舷做得更高，增大船体的整体体积，同时做好船体边角的密封，防止进水；还可以将铝箔船做成双层结构，进一步提升船体的承重能力。
② 提升稳定性：将船底部做得平整、宽阔，降低船体的重心；为小船划分船舱，分隔出多个独立的舱室；放置垫圈时，要轻轻、均匀、对称地摆放，避免重物集中导致船体侧翻。
（4）二次优化与测试：各小组结合优化方法，修改设计图，对橡皮泥船和铝箔船进行二次制作与优化，完成后开展第二轮载重测试，记录优化后的最大载重量，对比优化前后的性能变化，验证优化方案的效果。
（5）实验结论总结：结合各小组的测试结果，师生共同总结实验结论：相同质量的橡皮泥、相同大小的铝箔，做成船型的体积越大，受到的浮力越大，载重量越大；船体底部越宽阔、结构越对称，船的稳定性越好。
2. 设计意图：通过梳理测试中的问题，让优化改进更有针对性，培养学生“发现问题-分析问题-解决问题”的工程思维；通过小组研讨与全班交流，让学生在思维碰撞中完善优化方案，培养学生的创新能力与合作交流能力；通过二次制作与测试，让学生在实践中验证科学原理，体会持续改进对工程成果的影响，落实态度责任的核心素养目标；通过实验结论的梳理，巩固本节课的核心科学原理，完善学生的知识体系。
（三）、科学研讨：深度交流，深化科学原理认知
1. 教学活动
（1）提出两大核心研讨问题，组织学生以4人小组为单位开展8分钟深度讨论，结合本节课的设计、制作与测试体验，梳理小组的核心观点，随后进行全班交流分享。
研讨一：我们用了什么方法，让原本在水中下沉的橡皮泥和铝箔漂浮在了水面上？为什么沉的材料做成船型后，就能浮在水面上？
研讨二：为了让橡皮泥船和铝箔船稳定地漂浮在水面上，我们用了哪些方法？这些方法背后的科学原理是什么？
（2）研讨交流与总结：
① 针对第一个研讨问题，引导学生明确核心结论：我们通过改变材料的形状，将橡皮泥和铝箔做成了空心的船型，让它们能够漂浮在水面上。核心原理是：沉的材料做成船型后，排开水的体积大幅增大，在水中受到的浮力也随之增大，当浮力大于等于材料和货物的总重力时，船就能稳定漂浮在水面上。
② 针对第二个研讨问题，引导学生系统梳理提升稳定性的方法与原理：一是将船底做得平整、宽阔，增大船体与水面接触的支撑面，降低船体重心，提升稳定性，就像生活中的渡船，底部宽阔所以稳定性极强；二是为船体划分船舱，分散重物的重量，避免重心偏移；三是放置货物时均匀、对称摆放，保证船体受力平衡，防止侧翻。
（3）拓展研讨：进一步提出问题：“我们用橡皮泥和铝箔这些沉的材料成功造了船，那生活中巨大的轮船是用钢铁造的，钢铁在水里也会沉，为什么钢铁造的大轮船能浮在水面上，还能装载成千上万吨的货物？”引导学生用本节课的原理进行解释，深化对浮力原理的理解。
2. 设计意图：通过两大核心研讨问题，让学生对本节课的实践探究进行系统梳理与深度内化，从“动手制作”上升到“原理理解”，巩固本节课的核心科学概念；通过拓展研讨，将课堂实验与现实中的钢铁轮船结合起来，让学生感受到科学原理在工程技术中的巨大应用价值，拓宽学生的科学视野；通过小组讨论、全班交流的形式，培养学生的逻辑表达能力与科学论证能力，落实科学思维的核心素养目标。
（四）、科学拓展：联系生活，理解船舶设计的现实应用
1. 教学活动
（1）船舶稳定性拓展：出示渡船和双体帆船的图片与资料，引导学生观察对比：“渡船和双体帆船，在现实中以稳定性强著称，大家找一找，它们的船体结构有什么共同点？和我们优化小船的方法有什么关联？”组织学生小组讨论后，师生共同总结：渡船的底部特别宽阔，双体帆船的底部宽度远大于单体帆船，二者都是通过增大船体的底部宽度，扩大支撑面、降低重心，从而大幅提升船体的稳定性，能承受更大的风浪，这和我们优化小船的核心原理是一致的。
（2）造船技术发展拓展：向学生介绍钢铁造船的发展历史，讲解钢铁造船的核心优势：船体坚固、载重量巨大、能适应远洋航行，正是因为人们掌握了“用沉的材料造船”的科学原理，才实现了造船技术的巨大飞跃，推动了全球航运与贸易的发展。
（3）课后实践布置：让学生课后观察生活中的船舶，找一找它们提升载重量和稳定性的设计细节，记录下来，下节课和同学们分享。
2. 设计意图：通过渡船、双体帆船的拓展介绍，让学生将课堂上学到的科学原理与现实中的船舶设计联系起来，做到学以致用；通过钢铁造船的发展历史，让学生理解科学原理对技术革新的推动作用，深化对“技术与工程”的认知；通过课后观察任务，将课堂探究延伸到课外生活中，持续激发学生对船舶工程的探究兴趣，培养学生的科学观察能力。
（五）、课堂总结：梳理脉络，巩固核心认知
1. 教学活动
（1）知识脉络梳理：带领学生共同回顾本节课的核心内容，构建完整的知识体系：
① 核心原理：在水中下沉的材料也能造船，将材料做成空心船型，能增大排开水的体积，从而增大浮力，实现漂浮；
② 核心规律：相同质量的同种材料，做成的船型体积越大，受到的浮力越大，载重量越大；船体底部越宽阔，重心越低，稳定性越好；
③ 工程流程：船舶的设计与制作，需要经历“设计-制作-测试-分析-改进-再设计”的完整工程过程，持续优化是提升船舶性能的核心；
④ 现实应用：钢铁造船、双体船、渡船等现代船舶，都是利用浮力原理，通过优化船体结构，实现了载重量与稳定性的提升。
（2）情感升华：教师进行总结升华：从用浮的材料造独木舟、竹筏，到用沉的材料造橡皮泥船、铝箔船，再到钢铁打造的万吨巨轮，造船技术的每一次进步，都源于人类对科学原理的探索，源于对水上航行的不懈追求。看似简单的小船，背后藏着浮力的科学奥秘，藏着工程设计的大智慧。希望同学们能永远保持这份动手实践、大胆创新的热情，在未来用自己的智慧，解锁更多船舶工程的奥秘。
2. 设计意图：通过系统的知识梳理，帮助学生巩固本节课的核心知识点，构建完整的知识体系，理清工程设计的完整逻辑；通过情感升华，让学生体会科学原理与工程技术的关联，感受科技创新的力量，激发学生的工程创造欲望与科学探究热情，实现科学知识传授与价值引领的有机统一。
（六）、课堂练习：巩固检验，查漏补缺
1. 教学活动
（1）基础巩固练习：出示选择题、判断题，考查提升小船稳定性的方法、沉的材料变浮的方法、浮力与载重量的关系、钢铁造船的原理等基础知识点，学生独立完成后，集体订正答案，针对错误率较高的题目进行重点讲解，及时纠正学生的认知偏差。
（2）综合创新练习：结合两艘用相同重量橡皮泥制作的不同形状小船的情境，设计综合题，让学生判断哪艘船的载重量更大，分析其中的科学原理，并提出优化载重量的具体方法，检验学生对核心原理的掌握情况与知识应用能力。
（3）填空题巩固：结合本节课的核心概念设计填空题，考查浮力、排开水的体积、船的稳定性、双体船的设计原理等内容，帮助学生巩固核心概念。
2. 设计意图：通过分层设计的课堂练习，全面检验学生对本节课核心知识的掌握情况，及时查漏补缺，巩固课堂教学成果；通过情境化的综合应用题，培养学生的知识迁移能力与问题解决能力，让学生将所学的科学原理融会贯通，全面落实本节课的教学目标。
四、板书设计
用沉的材料造船
一、核心原理
沉的材料→做成船型/空心→排开水的体积增大→浮力增大→漂浮
相同质量的材料：船体积越大 → 浮力越大 → 载重量越大
二、工程流程
设计 → 制作 → 测试 → 分析 → 改进 → 再设计
三、提升船的性能
1. 增大载重量：加宽船身、加高船舷、增大船体体积、做好密封
2. 提升稳定性：船底平整宽阔、划分船舱、重物均匀对称摆放、降低重心
四、现实应用
钢铁造船、渡船、双体帆船 → 底部越宽，稳定性越好
五、课后作业
1. 优化实践：结合本节课的学习，对自己制作的铝箔船进行再次优化，挑战用相同大小的铝箔纸承载更多的垫圈，记录下自己的优化方法、科学原理与最终的载重成绩，写一份简短的工程改进报告。
2. 观察探究：在家长的陪同下，观察港口、公园、河道里的轮船、游船、渡船，找一找它们提升载重量和稳定性的设计细节，拍照片或画下来，标注对应的设计原理，下节课在班级内分享。
3. 资料查阅：查阅资料，了解世界上第一艘钢铁轮船的发明故事，说一说它的设计原理和发明意义，制作一份简单的“船舶发展小档案”。