资源简介

2022年新苏教版科学五年级下册教材分析
第二单元 仿生
单元设计意图
1.本单元主题的提出
人们发现，植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅适应了自然，而且其程度接近完美。仿生学就是试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能和行为，创造出一系列满足人类需求的产品，它是科学与技术相结合的一个重要领域。尤其是在各科学领域和技术快速发展的今天，仿生学的研究和应用得到了极大的关注和蓬勃的发展。它理应成为学生学习的内容。
学生虽然并不了解仿生的概念，但对仿生的应用并不陌生，他们在生活中知道和使用过多种仿生物品，对这一领域充满好奇。本单元的设计就是从实际事例出发，帮助学生了解生物和仿生物品之间的联系，体会仿生学的思维和方法，从而激发学生的学习兴趣，发展学生的创造性思维，同时帮助学生理解仿生概念，提升知识应用能力。
对儿童来说，仿生概念的建立是一个渐进的过程。本单元所设计的学习内容，是学生在整个小学阶段科学课程中对工程和机械设计的再一次体验和更深入的研究，意在加强学生对工程和机械领域的认知和应用能力，为接下来更高层次的理解和应用打下基础。
2.本单元对《课程标准》的落实
(1)本单元通过一系列观察、探究、设计等活动，落实《课程标准》高年段的课程目标。
科学知识：
认识人类与自然资源和能源的关系。
了解技术是人们改造周围环境的方法，是人类能力的延伸，工程是依据科学原理设计和制造物品、解决技术应用的难题、创造丰富多彩的人工世界的一系列活动；了解科学技术推动着人类社会的发展和文明进程。
科学探究：
能基于所学的知识，通过观察、实验、查阅资料、调查、案例分析等方式获取事物的信息。
能基于所学的知识，运用分析、比较、推理、概括等方法得出科学探究的结论，判断结论与假设是否一致。
能基于所学的知识，采用不同的表述方式，如科学小论文、调查报告等方式，呈现探究的过程与结论；能基于证据质疑并评价别人的探究报告。
能对探究活动进行过程性反思，及时调整，并对探究活动进行总结性评价，完善探究报告。
科学态度：
表现出对事物的结构、功能、变化及相互关系进行科学探究的兴趣。
能大胆质疑，从不同视角提出研究思路，采用新的方法、利用新的材料，完成探究、设计与制作，培养创新精神。
科学、技术、社会与环境：
了解人类的好奇和社会的需求是科学技术发展的动力，技术的发展和应用影响着社会发展。
(2)本单元学习内容基于《课程标准》课程内容中“技术与工程领域”的高年段要求。
17.1技术发明通常蕴含着一定的科学原理。
知道很多发明可以在自然界找到原型，能够说出工程师利用科学原理发明创造的实例。
18.2工程的关键是设计。
利用摄影、录像、文字与图案、绘图或实物，表达自己的创意与构想。
将自己简单的创意转化为模型或实物。
根据现实的需要设计简单器具、生产物品或完成任务。
3.本单元在整套教材中与其他单元的关系
4.本单元次级主题的构成及逻辑关系
本单元由《生物的启示》《蛋壳与薄壳结构》《海豚与声呐》《我们来仿生》四课组成，这四课之间是总—分—总的逻辑关系。
第一课是“总”，向学生介绍仿生的概念；第二、三课是“分”，从具体案例探究中体会仿生的方法和价值，其中，第二课是蛋壳与薄壳结构的案例探究，第三课是海豚与声呐的案例探究；第四课是“总”，为学生创建仿生设计的平台，让学生在吸收本单元知识的基础上融合内化成自身的知识应用能力。
单元教学目标
通过案例分析仿生现象，了解仿生的含义，认识常见的仿生制品。
能借助阅读、讨论、探究、游戏等多种方式，解释生物的形态、结构、功能、活动方式的特点。
知道很多发明的原型来自自然界，对仿生设计产生兴趣。
单元活动框架
课时建议
序号 课题 课时
1 生物的启示 1
2 蛋壳与薄壳结构 1
3 海豚与声呐 1
4 我们来仿生 1
总课时 4
第5课 生物的启示
1.教学内容
本课在生物和仿生制品之间建立关联，按照学生认知的逻辑顺序逐渐深入地安排了三部分内容。
第一部分是找物品设计与动植物形态结构的相似之处，让学生对比几组图片，了解生活中的一些物品是人们受动植物形态结构的启示设计出来的，并让学生说说身边更多这样的案例。
第二部分是对蜂巢形状特征的研究，其中包括三个活动。活动一是阅读资料，了解蜂巢猜想；活动二是通过几种蜂巢形状的对比，让学生意识到正六边形蜂巢结构的优势所在，并从平面拓展到不同立体结构抗压能力的认识；活动三是交流生活中具有蜂巢结构的物体，以及它们的优点。
第三部分是关注仿生产品与仿生对象的关系，即船舶的设计从鱼类身上获得的启示。通过观察和交流，找出鱼和船各部分存在的对应关系，分析它们在结构和功能上的相似之处，加深对仿生概念的理解。
拓展学习内容是鼓励学生调查了解：人们在设计飞机时从鸟类身上获得了哪些发明创造的启示。
2.教学目标
认识不同的仿生现象，意识到人类的很多发明创造可以在自然界找到原型。
能多角度探究蜂巢结构的特点，知道蜂巢结构在生活中的应用。
对仿生设计产生探究的兴趣。
3.重点与难点
重点：认识不同的仿生现象。
难点：多角度探究蜂巢结构的特点。
4.教学准备
教师材料：各种蜂巢结构、鱼身体的图片和视频。
学生分组材料：A4纸、记录单。
第6课 蛋壳与薄壳结构
1.教学内容
本课从关注蛋壳的结构特征到认识其抗压能力，并以建筑上常用的拱结构为桥梁，发展到认识与蛋壳相似的薄壳结构。本课教学内容分三部分。
第一部分，研究鸡蛋壳的形状特点。这里包括两个活动：一是指导学生观察并描述蛋壳的特点，激发他们的学习兴趣；二是研究蛋壳的精妙之处，通过试着握碎鸡蛋、戳破蛋壳、用蛋壳承载重物，发现蛋壳抗压能力的优势。
第二部分，观察比较蛋壳和拱的外形，认识拱形建筑和建筑上的拱结构，并通过测试拱的承重能力，发现拱也具有抗压能力强的特点。
第三部分，通过阅读了解人们受蛋壳的启示发明了薄壳结构，并在建筑等领域广泛应用。
2.教学目标
尝试用握、戳、承重等方式破坏蛋壳，直观感受蛋壳的稳固。
对比蛋壳和拱形，找出两者之间的关联。
通过承重对比实验，知道拱桥的承重能力大于平桥。
了解拱结构、薄壳结构在建筑等领域的应用。
3.重点与难点
重点：研究蛋壳和拱的承重能力。
难点：研究拱的承重能力。
4.教学准备
教师材料：拱形建筑、薄壳建筑的视频或图片等。
学生分组材料：完好的鸡蛋、蛋壳、铅笔、平板、塑料瓶盖、A4卡纸等。
第7课 海豚与声呐
1.教学内容
本课关注的是仿生学中的一个典型案例：海豚与声呐，即科学家从海豚在海里游动和捕食的行为得到启发，发明了声呐。如果说蛋壳与薄壳结构是结构上的相似，那么，海豚与声呐则是工作原理上的相似。本课教学内容分三部分。
第一部分，通过了解科学家所做的海豚游动的实验，知道海豚游动和捕食时离不开嘴巴和耳朵。
第二部分，做模拟海豚游动和捕食的游戏，感受海豚利用嘴巴和耳朵捕食的情况，了解海豚游动躲避障碍物和捕食的过程。
第三部分，通过阅读了解海豚探路的原理，以及声呐、B超、雷达的工作原理。说明海豚、声呐、B超利用的是回声定位，而雷达利用的是无线电波的反射来发现目标、跟踪目标，它们的原理相同。
2.教学目标
知道什么是超声波，了解超声波回声定位和无线电波反射定位的原理。
通过阅读和对比，发现海豚探路、声呐、B超、雷达的工作原理。
在“海豚捉鱼”的游戏活动中，进一步认识模拟活动的特点。
分工合作，提升团队合作意识。
3.重点与难点
重点：了解海豚活动以及捕食的工作原理。
难点：团队合作，完成游戏。
4.教学准备
教师材料：相关视频和图片。
学生分组材料：游戏头饰。
第8课 我们来仿生
1.教学内容
在前几课学习的基础上，通过仿生学习和仿生实践，指导学生学以致用，尝试模仿一种生物的形态、结构或功能，设计一种产品。
第一部分是通过用眼观察、动脑思考、动手制作等多种形式，研究手臂的结构和功能。这是本课的重点内容，先了解自己的手臂是如何动作的，再与假肢手臂进行比较，发现两者在结构和功能方面的相似之处，最后自己动手做一只手臂模型。
第二部分做“保护色”游戏。让学生发现自然界的有些小动物，用其自身与周围环境融为一体的颜色来保护自己，从而理解各种迷彩服的设计是为了与环境融为一体，避免被发现。
第三部分是阅读，了解六足机器人的仿生案例。
第四部分提出锥形瓶与烧瓶清洗问题，介绍了一种有创意的仿生设计。
第五部分是亲自动手设计仿生物品。在前面的铺垫和模拟练习的基础上，鼓励学生尝试设计仿生用品。
2.教学目标
能按要求制作手臂的结构模型。
通过阅读资料和分析，了解一些生活中的仿生产品。
发挥团队合作意识，共同完成游戏任务。
尝试进行仿生设计。
3.重点与难点
重点：通过对仿生产品的了解和分析，尝试进行仿生产品的设计。
难点：设计仿生产品。
4.教学准备
教师材料：课件。
学生分组材料：制作手臂的宽窄卡纸、铆钉、线、胶带、小动物卡片。
参考资料
蜂巢的结构
蜂巢的内部结构称为蜂房，蜂房由一系列以蜂蜡制作，紧密排列的六角柱体蜂室组成，这种六角形所排列而成的结构叫作蜂窝结构。蜂窝结构达到了建筑材料最省、容积最大、坚固性最强和最有效地利用空间的完美程度。
蜂巢是严格的六角柱体。它的一端是六角形开口，另一端则是封闭的六角棱锥体的底，由三个相同的菱形组成。18世纪初，法国学者马拉尔奇曾经专门测量过大量蜂巢的尺寸，令他感到十分惊讶的是，这些蜂巢组成底盘的菱形的所有钝角都是109°28′，所有锐角都是70°32′。后来法国数学家克尼格和苏格兰数学家马克洛林经过理论计算，发现如果要消耗最少的材料，制成最大的菱形容器，正是这个角度。从这个意义上说，蜜蜂称得上是“天才的数学家兼设计师”。
鸡蛋的相关知识
蛋壳对压力的承受力是惊人的。在中国杂技佳作中，不仅有人踩鸡蛋的节目，更有提起两桶水踩蛋的精彩表演。这是利用蛋壳承压能力的一个极好的例子。蛋不仅是整个生物界最大的单体细胞，以现代技术和工程知识系统的眼光来看，它还是一个将工程学、建筑学、防卫战略、保存能量和使空间利用达到最佳化等完美结合于一身的大自然的绝妙之作。应该说，朴实无华的一枚蛋综合了人类只是在其文明进程的后来阶段才认识并加以应用的概念。蛋利用了拱顶的原理，由于所需要的作用不同，蛋壳对拉力和压力有着不同的承受力。蛋壳虽然是绝缘材料，但又能让空气和湿气透过。在仅仅数厘米大的微小空间内囊括了多项先进技术。
我们的观察首先从鸡蛋，特别是从蛋壳开始。蛋壳是由94%的碳酸钙(以方解石晶体的形式)、1%的碳酸镁、1%的磷酸钙和4%的蛋白质构成的。方解石晶体基本上是随意排列的，因此晶体之间形成了许许多多的小孔，这些蛋孔可以让空气和湿气通过，而空气和湿气对于雏鸡，当然还有细菌(比如沙门氏菌)的生存来说是必不可少的。
方解石晶体的排列赋予了蛋壳与其作用相称的一个完美的结构，也就是它能够抗较大的压力，但抗拉力则相对较弱。这样，如果通过两个凸出的顶端对蛋壳施加力，那么鸡蛋抗压力就显得很强，这也是由它们的拱形结构的力学特性决定的，拱形结构使圆屋顶和拱形物能够承受巨大的重量。在这种状态下，压力沿拱形结构(也就是沿蛋壁)分布，而不会使结构断裂。而蛋壳又必须是易碎的，这样雏鸡只用微弱的力就能破壳而出。雏鸡用嘴向外用力，从蛋壳内部看呈凹形的顶部很容易碎裂，因为它的抗拉力很弱。
一个绝妙的以气室(类似一种安全气囊)和卵带(两根缠绕在一起的筋把蛋黄固定住)为基础的弹性——气动系统可确保蛋黄位于蛋的中心位置。
薄壳结构
薄壳结构是建筑学上的术语。薄壳是一种曲面构件，主要以沿厚度均匀分布的中面应力而不是以沿厚度变化的弯曲应力来承受外力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
一个人握住一个鸡蛋使劲地捏，也不容易把鸡蛋捏碎。薄薄的蛋壳之所以能承受这么大的压力，是因为它能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据薄壳结构的特点，设计出许多既轻便又省料的建筑。人民大会堂、北京火车站以及其他很多著名建筑，屋顶都采用了薄壳结构。
早在2000多年前，人们通过蛋壳、龟壳等创造出壳体结构，利用抗压性能强、抗拉性能弱的石料等建造壳形屋盖，主要用作宗教活动的场所，这些屋顶的跨度都不大，一般为30~40米，厚度较厚。在20世纪初，随着钢筋混凝土的出现，加快了薄壳结构的发展。
声呐
声呐的全称为“声音导航与测距仪”，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通信任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。
由于电磁波在水中衰减的速率非常高，无法作为侦测的信号来源，因此以声波探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。无论是潜艇或水面船只，都利用这项技术的衍生系统，探测水底的物体，或者以其作为导航的依据。
声呐技术迄今已有100多年历史，1906年由英国海军刘易斯·尼克森发明。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。这种技术第一次世界大战时被应用到战场上，用来侦测藏在水底的潜艇。
声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动及水中武器的使用。此外，声呐技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。
雷达
雷达，是英文Radar的音译，源于radiodetectionandranging的缩写，意思为“无线电探测和测距”，即用无线电发现目标并测定其空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。
雷达所起的作用和眼睛、耳朵相似，当然，它不是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体将电磁波反射回去，雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。
雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)领域。星载和机载综合孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状，其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面也显示出了很好的应用潜力。
假肢
假肢，也称“义肢”，是供截肢者使用以代偿缺损肢体部分功能的人造肢体，有上肢假肢和下肢假肢。多用铝板、木材、皮革、塑料等材料制作，其关节采用金属部件，现在假肢界主流是钛合金和碳素纤维材料。义肢指人造肢体，用来取代肢体的功能障碍(不论暂时性或永久性)，或是用来掩饰肢体伤残。与义体(如假鼻子、假发)最大的不同，在于义肢的功能性较强，且单指上下肢而言。
河鲀
河鲀体呈圆筒形，向后渐狭，体裸露无鳞或被覆刺鳞，背鳍一个，无鳍棘，与臀鳍相对，无腹鳍，尾鳍截形或圆形或新月形，体色及花纹随种类的不同而异。河鲀生性胆小而贪婪，上下颚各生2个板状牙齿，其食道结构特殊，向前腹侧及后腹侧扩大成囊，遇敌害时能吸入水和空气，使胸腹部膨胀如球，浮于水面，被捕获后，虽离水亦能吸气膨胀，发出咕咕的声音。
翠鸟——新干线列车
日本新干线列车最初高速行驶时，原有的子弹型头部设计，因声爆效应产生的噪声超过了环保标准。工程师从翠鸟的嘴巴得到了灵感。翠鸟的长嘴呈流线型，向后部直径逐渐增加，水流可以顺畅地向后流动，扎向水中捕鱼时只会溅起很少的水花。工程师据此对子弹型车头进行重新改造后，车速比原有设计提升了10%，而电力消耗降低了15%，噪声水平也有了显著下降。
野猪——防毒面具
第二次世界大战期间，科学家发现野猪在闻到刺激性异味时，用有力的长嘴拱地得以存活下来——松软的土壤颗粒吸附和过滤了毒气，由此受到启示发明了防毒面具，用吸附性强的活性炭来过滤毒气。
蜻蜓——直升机
直升机的发明并非源于蜻蜓，却靠蜻蜓改善了安全性能。在空气动力学中有一种“颤振”现象，如果直升机飞行时不能消除这种现象，快速飞行时就会使机翼折断，导致机毁人亡。蜻蜓翅端前缘有一块色深加厚的部分，叫翅痣，它是保护薄而韧的蜻蜓翅膀快速振动却不折损的关键。人们仿照翅痣，在机翼上设计了加厚部分，于是战胜了颤振，保证了直升机的安全。
仿生现象简表
1.苍蝇——小型气体分析仪
2.萤火虫——人工冷光
3.蚊子——无痛针头
4.水母——水母耳风暴预测仪
5.蛙眼——电子蛙眼
6.蝙蝠——盲人用的超声探路仪
7.蓝藻的不完全光合器——光解水装置
8.动物的爪子——起重机的挂钩
9.章鱼——烟幕弹
10.鸭蹼——船桨
11.螳螂臂或锯齿草——锯子
12.苍耳果实——尼龙搭扣
13.龙虾——气味探测仪
14.蝴蝶上的鳞片——变色衣服
15.荷叶——防水衣服
16.树叶的排列——悉尼大剧院
17.鱼的沉浮——潜艇
18.响尾蛇——空对空响尾蛇导弹

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