资源简介

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第二单元《仿生》大单元整体教学设计
教材版本 苏教版 单元（或主题）名称 仿生
单元主题 本单元围绕 “仿生” 这一主题，引导学生了解生物的独特结构、功能对人类发明创造的启示，探索人类如何模仿生物进行技术创新，培养学生对生物与技术之间联系的认知，激发学生的创新意识和科学探究精神。
课标要求 核心概念：地球上生活着不同种类的生物，生物具有区别于非生物的特征；技术与工程推动了人类社会的发展。 学习内容：列举植物或动物的一些有趣特征，了解人类对生物特征的模仿；知道一些重要的发明与生物的关系。 学业要求：能描述生物的一些特征，并举例说明人类对这些特征的模仿；能基于所学知识，设计一个利用生物特征解决实际问题的方案
教材分析 本单元以仿生学为线索，编排了四课内容。《生物的启示》通过具体事例，如鲁班受茅草启发发明锯，引导学生初步认识仿生学概念，感受生物对人类发明的启示。《蛋壳与拱形建筑》聚焦生物结构与建筑的联系，以蛋壳为例，让学生探究拱形结构的特点，理解人类模仿蛋壳结构在建筑中的应用。《蝙蝠和雷达》深入探讨生物特殊功能与科技产品的关联，通过研究蝙蝠回声定位原理及雷达的发明，培养学生分析问题能力。《我们来仿生》鼓励学生综合运用所学，设计仿生作品，将知识转化为实践，培养创新精神和实践能力。教材内容由浅入深，从认知到实践，符合学生认知规律，利于学生构建仿生学知识体系。
学情分析 五年级学生已具备一定科学知识基础和探究能力，对生物世界充满好奇，有观察生物现象的经验，但对生物特征与人类发明的联系认识较浅，抽象思维能力有待提高。理解仿生学原理并将其应用于设计实践，对部分学生有难度。学生可能认为生物与科技联系不大，学习时难以将已有生物知识与新技术建立关联，对一些复杂仿生原理理解困难，在实践设计中可能受思维局限，创新不足。
单元目标 科学观念： 学生能认识到生物的结构、功能为人类发明创造提供了灵感，建立生物与技术相互关联的观念。 理解仿生学在改善人类生活、推动科技进步方面的重要作用，体会科学技术对社会发展的影响。 科学思维： 通过分析生物特征与人类发明的对应关系，培养逻辑思维能力。 在探究拱形结构特点等活动中，发展基于证据进行推理、分析和归纳的能力。 能运用类比、想象等思维方法，设计仿生方案，培养创新思维。 探究实践： 经历观察生物特征、实验探究结构特点、调查仿生实例等活动，提高观察、实验、调查等科学探究能力。 能在小组合作中设计并实施探究方案，培养团队协作和解决实际问题的能力。 尝试将所学仿生知识应用于设计制作活动，增强实践操作能力。 责任态度： 激发对仿生学的探究兴趣，培养热爱科学、勇于探索的精神。 认识到仿生学发展对人类社会和环境的双重影响，树立合理利用仿生技术的意识，培养社会责任感。
单元结构化活动 第一阶段：感知仿生（《生物的启示》） 创设情境，讲述鲁班发明锯等故事，引导学生思考生物对人类发明的启示，激发兴趣。 组织学生交流生活中类似例子，初步感知仿生现象，建立生物与发明的联系。 第二阶段：结构仿生探究（《蛋壳与拱形建筑》） 观察蛋壳，猜测其承受力特点，引发探究欲望。 开展实验探究拱形结构承受力，分析数据得出结论。 展示拱形建筑实例，探讨人类对蛋壳结构的模仿及优势。 第三阶段：功能仿生学习（《蝙蝠和雷达》） 播放蝙蝠飞行视频，提出问题引导学生思考蝙蝠飞行奥秘。 查阅资料了解蝙蝠回声定位原理，对比分析雷达工作原理。 组织小组讨论蝙蝠与雷达关系，总结功能仿生特点。 第四阶段：综合仿生实践（《我们来仿生》） 回顾前三课知识，明确仿生设计要素。 小组合作确定设计主题，进行方案设计，教师指导完善。 制作展示仿生作品，交流评价，总结收获。
达成评价 围绕课时学习目标 课堂表现评价：观察学生课堂参与度，包括回答问题、小组讨论、实验操作中的表现，评价其对知识的理解和探究能力。 作业评价：布置课后作业，如绘制生物特征与仿生发明关系图、分析某一仿生产品原理等，评价学生对知识的掌握和应用能力。 实践作品评价：依据仿生作品设计创新性、功能合理性、制作工艺等方面，评价学生实践能力和创新思维。 单元测试评价：设计单元测试题，涵盖生物启示、结构与功能仿生知识及设计应用，全面评价学生单元学习成果。
第5课时《生物的启示》教学设计
一、教学目标
科学探究能力
学生能够主动观察生物的独特结构、功能和行为，提出与生物启示相关的问题，并通过查阅资料、调查访问等方式收集证据。
针对特定的生物特征，设计并实施简单的探究实验，学会控制变量、观察记录实验现象，分析实验结果，得出合理结论。
能够运用多种方式（如文字、图表、模型等）表达探究成果，并与他人进行交流讨论，在交流中反思和改进探究过程。
科学思维能力
通过对生物特征与人类发明关系的研究，发展逻辑思维，能够从具体的生物现象中归纳出一般性的启示规律，并运用这些规律进行演绎推理。
运用类比、联想、想象等思维方法，从生物的结构和功能联想到实际应用场景，提出创新性的仿生设计思路，培养创造性思维。
在面对不同的仿生观点和方案时，能进行批判性思考，评估其科学性、可行性和创新性，培养科学批判思维。
科学素养
了解常见生物的特殊结构和功能，如动物的运动方式、植物的形态结构等，知道这些特征如何为人类的发明创造提供灵感。
理解仿生学的基本概念和发展历程，认识仿生学在多个领域（如医学、交通、建筑等）的广泛应用，体会科学技术与生物之间的紧密联系。
掌握一些简单的仿生设计方法和原理，能够识别生活中常见的仿生产品，并阐述其仿生的生物原型及原理。
责任态度
对生物与人类发明之间的奇妙联系产生浓厚兴趣，激发探索自然奥秘和追求科学知识的热情。
在探究过程中，养成严谨认真、实事求是的科学态度，尊重实验数据和事实，敢于面对挫折和失败，勇于尝试新的探究方法和思路。
意识到仿生学对推动科技进步和改善人类生活的重要意义，培养对科学技术的尊重和热爱，增强为科学事业贡献力量的责任感。
二、教学重难点
教学重点
了解不同生物的特殊结构、功能及其对人类发明的启示，建立生物特征与仿生应用之间的联系。
理解仿生学的概念，认识仿生学在各个领域的应用实例，体会仿生学的重要性。
教学难点
从生物复杂的特征中提取关键要素，并将其转化为可应用的仿生原理，培养学生的知识迁移和创新应用能力。
引导学生运用仿生学原理进行创新性的设计和实践，提高学生解决实际问题的能力。
三、教学过程
学习活动 设计意图
（一）情境导入 播放一段精彩的动物世界视频，展示猎豹奔跑、鸟儿飞翔、鱼儿游动等画面，在播放结束后，教师提问：“同学们，在视频中我们看到了各种生物独特的本领，你们有没有想过人类的一些发明可能和这些生物的本领有关呢？” 组织学生进行小组讨论，鼓励学生分享自己所知道的人类从生物身上获得启示的例子，如飞机与鸟儿、船桨与鱼鳍等。 每组选派一名代表发言，向全班汇报小组讨论的内容，教师对学生的发言进行点评和总结，引出本节课的主题 —— 生物的启示。 通过精彩的视频展示，吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣和好奇心，使学生快速进入学习状态。 小组讨论为学生提供了交流和分享的平台，让学生能够充分表达自己的想法，培养学生的合作学习能力和语言表达能力，同时也能让教师了解学生已有的知识储备。 教师的点评和总结，自然地引出本节课的主题，为后续的教学内容做好铺垫。
（二）探究活动 探究活动一：观察生物的特殊结构 教师给每个小组发放一些具有特殊结构的生物标本或模型（如贝壳、蜂巢、仙人掌等），让学生仔细观察这些生物的结构特点，包括形状、纹理、组成部分等。 学生在观察过程中，用文字、绘图等方式记录下自己观察到的生物结构特征，并思考这些结构可能具有的功能。 小组内交流观察记录，讨论这些生物结构与功能之间的关系，尝试推测这些结构对人类的启示。 探究活动二：探究生物的特殊功能 教师展示一些关于生物特殊功能的图片或视频，如电鳗放电、萤火虫发光、蝙蝠回声定位等，引导学生观察并思考这些生物特殊功能的原理。 学生分组，选择一种生物特殊功能进行深入探究，通过查阅资料、小组讨论等方式，了解该功能的工作原理和相关科学知识。 每组选派一名代表，向全班介绍小组探究的生物特殊功能及其原理，其他小组可以提问和补充。 探究活动三：分析生物启示的案例 教师讲解一些典型的生物启示案例，如鲁班发明锯子、人们根据荷叶自清洁原理发明自清洁材料等，详细分析生物特征与人类发明之间的联系。 学生分组，选择一个案例进行深入分析，从生物的结构、功能出发，探讨人类是如何从中获得启示并进行发明创造的，分析发明创造过程中运用的科学方法和思维方式。 各小组制作分析报告，以图表、文字相结合的形式呈现生物特征、启示点、发明成果以及应用领域等内容。 小组代表展示分析报告，全班共同讨论，总结生物启示案例分析的方法和要点。 探究活动四：设计简单的仿生实验 教师引导学生回顾前面探究的生物结构、功能及相关启示案例，鼓励学生基于某一生物特征，提出一个关于仿生应用的假设。例如，假设根据壁虎脚的吸附原理，可以设计一种更便捷的攀爬工具。 学生分组，围绕自己提出的假设，设计简单的仿生实验方案。方案中要明确实验目的、实验材料、实验步骤、变量控制以及预期结果等内容。 小组之间互相交流实验方案，提出修改建议，完善实验方案。 各小组按照完善后的实验方案进行实验，观察记录实验现象和数据，分析实验结果是否支持假设。 探究活动五：创意仿生设计 教师展示一些创意仿生设计作品的图片或视频，如模仿鸟巢的建筑、模仿水母的机器人等，启发学生的设计灵感。 学生独立思考，从生物的结构、功能、行为等方面获取灵感，构思一个具有创意的仿生设计方案，可以是一件产品、一种技术或一个系统等。 学生将自己的创意设计方案以绘画、文字描述或简单模型的形式呈现出来，并标注出仿生的生物原型、设计思路和预期功能。 学生在小组内展示自己的创意设计，进行交流分享，其他小组成员提出评价和改进建议，共同完善创意设计。 探究活动六：调查生活中的仿生产品 教师布置任务，让学生以小组为单位，通过网络搜索、实地调查、采访等方式，调查生活中的仿生产品。调查内容包括产品名称、仿生的生物原型、产品特点、应用领域以及对人们生活的影响等。 各小组整理调查资料，制作成调查报告，可以采用图文并茂的 PPT 形式。 小组代表在全班展示调查报告，介绍小组调查的生活中的仿生产品，分享调查过程中的发现和体会。 全班共同讨论，总结仿生产品在生活中的广泛应用及其重要性，思考仿生学未来的发展方向。 通过观察实物标本或模型，让学生直观地感受生物结构的独特之处，培养学生的观察能力和动手操作能力。 记录观察结果和思考结构功能，有助于培养学生的科学记录和逻辑思维能力，促使学生深入思考生物结构与功能的联系。 小组交流讨论，激发学生的思维碰撞，培养学生的合作学习能力和创新思维，为后续探究生物对人类的启示奠定基础。 展示丰富的生物特殊功能素材，拓宽学生的视野，激发学生对生物特殊功能的探究兴趣。 分组探究培养学生的自主学习能力和团队协作能力，让学生深入了解生物特殊功能的原理，提高学生的信息收集和整理能力。 代表介绍和交流环节，锻炼学生的表达能力和沟通能力，促进学生之间的知识共享和思维碰撞。 通过教师讲解典型案例，为学生提供分析范例，帮助学生掌握分析生物启示案例的基本方法和思路。 分组深入分析案例，培养学生的分析问题和解决问题的能力，让学生理解生物特征与人类发明之间的内在联系，体会科学思维在发明创造中的应用。 制作和展示分析报告，锻炼学生的信息整合能力、表达能力和团队协作能力，同时通过全班讨论，加深学生对生物启示案例的理解。 引导学生提出仿生应用假设，培养学生的创新思维和问题提出能力，激发学生的探究欲望。 设计实验方案过程，锻炼学生的科学探究能力、逻辑思维能力和团队协作能力，让学生学会运用科学方法验证自己的假设。 交流和完善实验方案，培养学生的批判性思维和沟通能力，使实验方案更加科学合理。 实施实验和分析结果，培养学生的动手操作能力和数据分析能力，让学生体验科学探究的完整过程。 展示创意仿生设计作品，拓宽学生的设计思路，激发学生的创新意识和创造力。 独立构思和呈现设计方案，培养学生的创新思维能力、动手实践能力和表达能力，将所学知识应用于实际设计中。 小组交流和评价改进，促进学生之间的思想交流和相互学习，培养学生的批判性思维和团队协作能力，提高学生的创意设计水平。 开展调查活动，培养学生的社会实践能力、信息收集和整理能力，让学生深入了解仿生学在生活中的实际应用情况。 制作和展示调查报告，锻炼学生的资料整合能力、表达能力和团队协作能力，同时促进学生之间的知识共享。 全班讨论总结，加深学生对仿生学应用和发展的认识，培养学生的总结归纳能力和对科学技术发展的展望能力。
（三）生活应用 教师展示一些生活中常见的问题情境图片，如高楼清洁困难、山区交通不便、室内空气净化等。 学生分组，针对这些生活问题，运用所学的仿生学知识，讨论并提出基于生物启示的解决方案。例如，根据蜘蛛爬行能力设计高楼清洁机器人，根据穿山甲挖掘能力设计山区隧道挖掘工具等。 每组选派一名代表，向全班介绍小组提出的解决方案，包括仿生的生物原型、设计思路、预期效果等。 其他小组同学对方案进行评价和讨论，提出改进意见和建议，共同完善解决方案。 展示生活问题情境，引导学生关注生活中的实际问题，培养学生运用科学知识解决实际问题的意识。 分组讨论提出解决方案，培养学生的创新思维和团队协作能力，让学生将仿生学知识应用于解决生活问题，提高学生的知识应用能力。 代表介绍和全班评价讨论，锻炼学生的表达能力和批判性思维能力，通过交流和完善方案，培养学生解决实际问题的能力。
（四）知识总结 教师引导学生回顾本单元所学的内容，包括生物的特殊结构和功能、生物启示的案例、仿生实验设计、创意仿生设计以及生活中的仿生应用等方面。 让学生以小组为单位，制作一份知识框架图或思维导图，梳理本单元的知识体系，突出生物特征与仿生应用之间的逻辑关系。 每个小组推选一名代表，向全班展示并讲解小组制作的知识框架图或思维导图，其他小组可以提出补充或修改意见。 教师对各小组的展示进行评价，总结本单元的重点知识，强调仿生学在科学技术发展和人类生活中的重要作用，帮助学生完善知识体系。 回顾所学内容，帮助学生巩固记忆，强化对重点知识的理解，梳理知识脉络。 制作知识框架图或思维导图，培养学生的归纳总结能力和知识整合能力，有助于学生构建系统的知识体系，提升学习效果。 代表展示与交流环节，锻炼学生的表达能力和团队协作能力，通过小组间的互动，进一步完善知识体系，教师的评价与总结加深学生对知识的整体把握。
四、作业设计
（一）、填空题
1.人们根据荷叶的（自清洁）功能，发明了自清洁材料。
2.飞机的机翼设计模仿了鸟类翅膀的（形状和结构）。
3.仿生学是一门模仿生物的（结构）、（功能）等进行发明创造的学科。
4.雷达的发明是受了（蝙蝠回声定位）的启示。
（二）、判断题
1.只有动物的特征能给人类发明提供启示，植物的特征没有这种作用。（×）
解析：植物的特征同样能给人类发明提供启示，如鲁班根据茅草发明锯子，荷叶启示人们发明自清洁材料等。
仿生产品只能应用于科技领域，对日常生活没有帮助。（×）
解析：仿生产品在日常生活中有广泛应用，如泳衣模仿鲨鱼皮肤，尼龙搭扣模仿苍耳等，给日常生活带来便利。
所有的仿生设计都必须完全模仿生物的结构和功能。（×）
解析：仿生设计是在理解生物结构和功能的基础上，进行合理的借鉴和创新，并非完全模仿。
（三）、选择题
1.下列发明中，与生物无关的是（ ）
A. 电子手表 B. 潜水艇（模仿鱼鳔） C. 锯子（模仿茅草）
答案：A
人们模仿蜂巢的结构，设计出了（ ）
A. 薄壳建筑 B. 飞机 C. 雷达
答案：A
下列哪种生物的功能被应用于军事伪装技术？（ ）
A. 变色龙 B. 萤火虫 C. 电鳗
答案：A
以下属于仿生学应用的是（ ）
A. 利用太阳能发电 B. 依据蝴蝶翅膀鳞片调节体温的原理设计太空服 C. 用塑料制作玩具
答案：B
（四）、简答题
1.请举例说明一种生物的结构或功能对人类发明的启示，并阐述其原理。
答案：例如，人们根据壁虎脚的吸附功能发明了壁虎胶带。壁虎脚掌上有许多细小的刚毛，这些刚毛与物体表面产生分子间作用力（范德华力），从而使壁虎能够在墙壁等垂直表面自由攀爬。受此启发，科学家们研发出一种模仿壁虎脚掌结构的胶带，通过微观结构设计，使胶带表面产生类似的分子间作用力，实现物体的粘贴和攀爬功能。
2.简述仿生学对人类社会发展的重要意义。
答案：仿生学对人类社会发展具有多方面重要意义。在科技领域，它为发明创造提供灵感，推动了航空航天、电子通讯、医疗等众多行业的技术创新，如飞机、雷达等发明。在日常生活中，仿生产品提高了人们的生活质量，像自清洁材料、泳衣等。在环境保护方面，仿生学可帮助设计更环保、可持续的技术和产品，减少对环境的影响。总之，仿生学促进了科学技术的进步，改善了人类生活，推动了社会的可持续发展。
3.你认为在进行仿生设计时，需要注意哪些方面？
答案：在进行仿生设计时，首先要深入了解生物的结构、功能及其原理，确保对生物特征的准确把握。其次，要结合实际需求和应用场景，思考如何将生物的特点转化为实际可用的设计。还要考虑技术的可行性和成本效益，确保设计能够在现有技术条件下实现，并具有一定的经济合理性。同时，要注重创新，不能仅仅局限于简单模仿，要在借鉴生物特征的基础上进行创新设计，以满足不同的需求和提升产品性能。
（五）、科学探究
假设你观察到蚂蚁能够在复杂的地形上高效地搬运食物，并且它们之间通过化学信号进行沟通协作。请你基于蚂蚁的这些特点，设计一个关于小型运输系统的探究实验，以提高在复杂地形上的物资运输效率。
实验目的
验证模拟蚂蚁沟通协作与适应复杂地形特性的小型运输系统，是否能提高在复杂地形上的物资运输效率。
实验材料
小型机器人：20 个具备基本移动和物资夹持功能的小型机器人，将其平均分为实验组和对照组。
复杂地形模拟装置：定制一个大型沙盘，在其中构建多样化的复杂地形，如设置不同高度的山丘（高度范围 5 - 15 厘米）、宽度不同的沟壑（宽度范围 3 - 8 厘米）、不同角度的弯道（角度范围 30° - 90°）等，确保地形具有足够的复杂性和挑战性。
模拟物资：准备多种不同重量和形状的模拟物资，如重量为 50 克、100 克、200 克的正方体、球体、圆柱体等形状的物体，以模拟不同类型的实际物资。
化学信号模拟设备：为实验组机器人配备可释放特定气味（模拟蚂蚁化学信号）的装置，以及能感应这些气味的传感器，确保机器人之间可通过 “化学信号” 进行信息交互。同时准备信号接收与分析设备，用于记录和分析机器人之间传递的 “化学信号” 数据。
数据记录与分析工具：摄像机、计时器、电子秤等，用于记录机器人的行动轨迹、搬运时间、搬运物资重量等数据，并使用专业的数据记录表格和数据分析软件对数据进行整理与分析。
实验步骤
实验准备阶段
对所有小型机器人进行调试，确保其移动、夹持等基本功能正常，并记录每个机器人的初始参数。
在复杂地形模拟装置上标记起点和终点位置，起点设置物资存放区，终点设置物资卸载区。
为实验组机器人安装化学信号模拟装置，并根据蚂蚁化学信号沟通的原理，编写相应的程序，使其能通过释放和感应 “化学信号” 实现信息交互与协作搬运。对照组机器人保持原有简单搬运程序不变。
实验实施阶段
第一轮实验：
在物资存放区放置重量为 50 克的正方体模拟物资。
同时启动实验组和对照组各 5 个机器人，记录它们从起点出发搬运物资到终点的时间、搬运路径（通过摄像机记录后分析）以及成功搬运的物资数量。
每次搬运完成后，将机器人和物资复位到起点，重复上述操作 10 次，取平均值作为该轮实验数据。
第二轮实验：
更换模拟物资为重量 100 克的球体，重复第一轮实验的步骤，记录相应数据。
第三轮实验：
使用重量 200 克的圆柱体模拟物资，再次重复上述实验过程并记录数据。
第四轮实验：
调整复杂地形模拟装置，增加地形难度，如增高山丘高度、加宽沟壑宽度等。
放置重量 100 克的正方体模拟物资，重复上述实验步骤，记录机器人在更复杂地形下的搬运时间、路径及成功搬运数量等数据。
实验数据整理与分析阶段
使用摄像机记录的视频，通过专业软件分析机器人的行动轨迹，统计其在复杂地形中选择的路线长度、遇到障碍的次数以及绕过障碍的方式等信息。
根据计时器记录的数据，计算每组机器人每次搬运物资的平均时间。
利用电子秤记录每次搬运物资的实际重量，分析不同组机器人搬运不同重量物资的能力。
将所有数据整理到预先设计好的数据记录表格中，运用数据分析软件（如 Excel、SPSS 等）进行数据处理和分析。通过对比实验组和对照组的数据，判断基于蚂蚁特点设计的小型运输系统是否能提高在复杂地形上的物资运输效率。
变量控制
机器人相关变量：保持实验组和对照组机器人的硬件规格、尺寸、动力系统等物理参数完全一致，确保机器人自身性能不会对实验结果产生干扰。同时，在实验过程中对机器人进行定期检查和维护，保证其性能稳定。
地形相关变量：每次实验前，确保复杂地形模拟装置的地形设置完全相同，包括山丘高度、沟壑宽度、弯道角度等地形参数。若需要改变地形难度进行特定实验，需明确记录地形改变的具体参数，并在后续数据分析中考虑该因素的影响。
物资相关变量：对于每种重量和形状的模拟物资，确保其物理特性一致。如相同重量的正方体模拟物资，其边长、材质密度等参数保持不变，避免因物资本身差异影响机器人的搬运效率。
环境相关变量：实验应在相对稳定的室内环境中进行，控制环境温度、湿度、光照等因素基本保持恒定，减少环境因素对机器人运行和实验结果的干扰。
预期结果
在搬运相同重量和形状的模拟物资时，实验组机器人由于能够通过模拟化学信号进行沟通协作，在选择搬运路径、绕过障碍以及协同搬运等方面表现更优，因此完成搬运任务的平均时间应短于对照组，且成功搬运的物资数量可能更多。
随着模拟物资重量的增加，对照组机器人可能因协作困难，导致搬运效率大幅下降，而实验组机器人凭借模拟蚂蚁的协作机制，搬运效率下降幅度相对较小。
在地形难度增加的情况下，实验组机器人通过模拟蚂蚁根据化学信号调整行动的方式，能更好地适应复杂地形，其搬运效率相比对照组下降幅度更小，甚至可能保持相对稳定。
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