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8课时《我们来仿生》教学设计
教学目标
科学探究能力
学生能够通过观察生物的结构、功能等特征，提出有价值的仿生学相关问题，并能通过查阅资料、调查等方式收集相关信息。
针对特定的生物特征，设计并开展简单的仿生探究实验，学会控制变量，观察、记录实验现象，分析实验数据，得出合理结论。
能运用多种方式（如文字描述、绘制图表、制作模型等）展示探究成果，并与他人进行交流和讨论，在交流中不断完善探究过程和结果。
科学思维能力
通过对生物特性与仿生应用的研究，培养逻辑思维能力，能够从生物现象中归纳出一般性的原理，并将其应用到仿生设计中。
运用类比、联想、想象等思维方法，从生物的独特之处联想到实际生活中的需求，提出创新性的仿生设计思路，发展创造性思维。
在探究过程中，对不同的仿生方案进行批判性思考，评估其科学性、可行性和创新性，提升科学批判思维能力。
科学素养
深入了解多种生物的特殊结构和功能，知道这些特征如何为仿生学提供灵感，以及在实际应用中的转化方式。
全面理解仿生学的概念、发展历程、研究方法和重要意义，认识到仿生学在各个领域的广泛应用。
掌握一些基本的仿生设计方法和原则，能够识别生活中常见的仿生产品，并阐述其仿生原理。
责任态度
对生物与仿生学之间的联系产生浓厚兴趣，激发探索自然奥秘和创新发明的热情。
在探究过程中，养成严谨认真、实事求是的科学态度，尊重实验结果和他人的观点，勇于面对困难和挫折，不断追求科学真理。
意识到仿生学对推动科技进步、改善人类生活和保护环境的重要作用，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
了解丰富的生物特性及其对应的仿生应用实例，建立生物与仿生学之间的紧密联系。
理解仿生学的基本概念、研究方法和应用领域，掌握一些常见的仿生设计思路。
教学难点
从生物复杂的特性中提炼出关键要素，并将其转化为可操作的仿生设计方案，培养学生的创新实践能力。
引导学生运用科学的思维方法和设计原则，进行具有一定创新性和可行性的仿生设计。
三、教学过程
学习活动 设计意图
（一）情境导入 教师播放一段展示大自然中各种神奇生物的视频，如会变色的变色龙、能发电的电鳗、善于织网的蜘蛛等。视频结束后，提问学生：“同学们，在视频中我们看到了许多奇妙的生物，它们都有着独特的本领。你们能想到人类的哪些发明可能受到了这些生物的启发吗？” 组织学生进行小组讨论，鼓励学生分享自己所知道的仿生学例子，如飞机与鸟儿、潜水艇与鱼等。 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 —— 我们来仿生。 通过精彩的视频展示，吸引学生的注意力，激发学生对生物神奇特性的兴趣和好奇心，为学习仿生学奠定情感基础。 小组讨论为学生提供交流和分享的平台，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仿生学知识储备。 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：生物特性大发现 教师给每个小组发放一些关于不同生物的资料卡片（包括文字描述、图片等），资料涵盖各种生物的独特结构、功能或行为，如壁虎的攀爬能力、荷叶的自清洁功能、蜜蜂的蜂巢结构等。 学生分组仔细阅读和观察资料卡片，从中挑选出一种最感兴趣的生物，深入研究其特性，记录下生物的名称、独特之处以及这种特性可能带来的实际应用启发。 小组内交流讨论，分享自己对所选生物特性的理解和应用设想，互相启发，完善记录内容。 探究活动二：探究仿生原理 每组选派一名代表，向全班介绍小组挑选的生物及其特性，以及基于该特性的应用设想。 其他小组同学认真倾听，针对介绍内容提出问题、发表看法或提供补充信息，共同探讨这种生物特性背后的科学原理，以及如何将其转化为仿生应用。 教师引导学生结合已有的科学知识，从力学、光学、生物学等多个角度分析生物特性的原理，帮助学生理解生物特性与仿生应用之间的内在联系。 探究活动三：设计仿生实验 教师提出任务：“同学们，我们已经了解了一些生物特性及其仿生原理，现在请大家根据自己感兴趣的生物特性，设计一个简单的仿生实验，来验证这种特性在实际应用中的可行性。” 学生分组进行实验设计，讨论实验目的、实验材料、实验步骤、变量控制以及预期结果等内容。例如，如果选择研究荷叶的自清洁功能，可以设计用不同材料表面模拟荷叶结构，观察水滴在这些表面的滚动和清洁效果。 各小组将实验设计方案以图表或文字的形式记录下来，并选派一名代表向全班介绍小组的实验设计思路，其他小组同学提出修改建议，共同完善实验方案。 探究活动四：实施仿生实验 各小组根据完善后的实验方案，准备实验材料，在实验室或教室中开展实验。在实验过程中，小组成员分工合作，严格按照实验步骤进行操作，仔细观察实验现象，如实记录实验数据。 教师巡视各小组的实验进展情况，及时给予指导和帮助，确保实验安全、顺利地进行。 实验结束后，各小组整理实验数据和记录，分析实验结果是否与预期相符，思考实验过程中遇到的问题及解决方法。 探究活动五：创意仿生设计 教师展示一些优秀的仿生设计作品图片或视频，如模仿鸟类翅膀的飞行器、仿照海豚外形的潜艇等，启发学生的设计灵感。 学生独立思考，从之前研究的生物特性出发，结合实验结果和生活实际需求，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。例如，根据壁虎的攀爬能力设计一种用于高楼外墙清洁的机器人。 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、工作原理以及预期效果等内容。 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：仿生应用拓展 教师引导学生思考仿生学在不同领域的应用，如医疗、交通、环保、军事等，鼓励学生讨论在这些领域中还可以基于哪些生物特性进行创新设计。 学生分组选择一个感兴趣的领域，通过查阅资料、讨论等方式，深入研究该领域中已有的仿生应用案例，并尝试提出新的仿生设计思路或改进方案。 每组选派一名代表，向全班介绍小组在所选领域的研究成果，包括已有的应用案例分析、新的设计思路或改进方案，以及对未来仿生学在该领域发展的展望。 全班共同讨论各小组的研究成果，教师进行总结和点评，强调仿生学在推动各领域发展中的重要作用，鼓励学生关注仿生学的前沿动态。 提供丰富多样的生物资料，拓宽学生的视野，让学生接触到更多具有仿生潜力的生物特性，激发学生的探究欲望。 小组自主选择和研究生物特性，培养学生的自主学习能力和独立思考能力，使学生能够深入挖掘生物特性与实际应用的联系。 小组内交流讨论，促进学生之间的思维碰撞，培养学生的合作学习能力和创新思维，为后续的仿生设计奠定基础。 代表介绍环节锻炼学生的表达能力，同时让全班同学共享各小组的研究成果，拓宽知识面。 提问、讨论环节激发学生的思维活力，培养学生的批判性思维和合作交流能力，促使学生深入思考生物特性与仿生应用的关系。 教师引导分析，帮助学生从科学原理的层面理解仿生学，提升学生的科学思维水平，为后续的探究活动提供理论支持。 布置实验设计任务，培养学生的创新实践能力和科学探究能力，让学生将理论知识转化为实际操作。 小组合作设计实验方案，锻炼学生的团队协作能力、逻辑思维能力和问题解决能力，使学生学会运用科学方法验证自己的仿生设想。 方案介绍和交流环节，促进学生之间的相互学习，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。 学生亲自实施实验，培养学生的动手操作能力和实践创新能力，让学生在实践中体验科学探究的过程和方法。 教师巡视指导，保证实验的科学性和安全性，帮助学生解决实验中遇到的困难，引导学生正确分析实验结果。 整理数据和分析结果，培养学生的数据处理能力和科学思维能力，使学生学会从实验结果中总结经验，为后续的仿生设计提供依据。 展示优秀作品，拓宽学生的设计思路，激发学生的创新意识和创造力，为学生的创意设计提供参考和启发。 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，将所学的仿生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。 引导学生思考仿生学在不同领域的应用，拓宽学生的视野，培养学生的发散思维能力，让学生认识到仿生学的广泛应用前景。 分组研究特定领域的仿生应用，培养学生的自主学习能力、团队协作能力和信息整合能力，使学生能够深入了解仿生学在不同领域的应用现状和发展趋势。 代表介绍和全班讨论，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想碰撞，激发学生对仿生学未来发展的思考和探索欲望。
（三）生活应用 教师展示一些生活中常见的问题或场景图片，如室内空气净化问题、城市交通拥堵问题、户外运动装备的改进等。 学生分组，针对这些生活问题或场景，运用所学的仿生学知识，讨论并提出基于生物特性的解决方案或创新设计。例如，根据植物的光合作用原理设计一种室内空气净化装置；模仿蚂蚁的群体协作方式优化城市交通管理系统。 每组选派一名代表，向全班介绍小组提出的解决方案或设计思路，包括仿生的生物原型、设计理念、预期效果等内容。 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，使其更具可行性和实用性。 展示生活问题或场景，引导学生关注生活中的实际需求，培养学生运用科学知识解决实际问题的意识和能力。 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与生活实际紧密结合，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，培养学生解决实际生活问题的能力，使学生感受到仿生学的实用价值。
（四）知识总结 教师引导学生回顾本节课的学习内容，包括生物特性的发现、仿生原理的探究、仿生实验的设计与实施、创意仿生设计以及仿生学在生活中的应用等方面。 让学生以小组为单位，制作一份思维导图或知识框架图，梳理本节课的知识体系，突出生物与仿生学之间的联系，以及仿生学的研究方法和应用领域。 每个小组推选一名代表，向全班展示并讲解小组制作的思维导图或知识框架图，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，总结本节课的重点知识，强调仿生学的重要意义和学习价值，帮助学生完善知识体系，鼓励学生在今后的学习和生活中继续探索仿生学的奥秘。 回顾学习内容，帮助学生巩固知识，强化记忆，梳理知识脉络，加深对仿生学的理解。 制作思维导图或知识框架图，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，激发学生对仿生学的持续学习兴趣。
四、作业设计
（一）、填空题
1.仿生学是模仿生物的结构、功能等特性来研制（新技术）或新产品的科学。
2.荷叶的（自清洁）功能启发人们发明了自清洁材料。
3.人类模仿鸟类的飞行原理发明了（飞机）。
4.仿生设计需要考虑生物特性、实际需求和（科学原理）等因素。
（二）、判断题
1.只有动物的特性可以用于仿生学研究，植物的特性没有仿生价值。（×）
解析：许多植物的特性也具有重要的仿生价值，如荷叶的自清洁功能、竹子的结构等都为仿生学提供了灵感。
仿生学的发明创造都是直接模仿生物的外形。（×）
解析：仿生学不仅模仿生物外形，更重要的是模仿生物的结构、功能、行为等内在特性。
仿生实验的结果一定能直接应用到实际生活中。（×）
解析：仿生实验结果通常需要进一步改进和优化，考虑成本、技术可行性等多种因素后，才可能应用到实际生活中。
（三）、选择题
1.以下发明中，与仿生学无关的是（ ）
A. 电灯 B. 雷达（模仿蝙蝠回声定位） C. 尼龙搭扣（模仿苍耳）
答案：A
人们模仿蜂巢的结构特点，设计出了（ ）
A. 薄壳建筑 B. 潜艇 C. 飞机
答案：A
下列哪种生物的特性可用于开发新型的水下探测设备？（ ）
A. 蝙蝠的回声定位 B. 海豚的声呐系统 C. 蝴蝶的翅膀颜色
答案：B
在仿生设计中，首先要做的是（ ）
A. 进行实验验证 B. 寻找生物原型 C. 制作设计模型
答案：B
（四）、简答题
1.简述仿生学的研究方法和一般流程。
答案：仿生学的研究方法通常包括观察生物特性、提出仿生问题、查阅相关资料、进行实验探究、设计仿生产品或技术等。一般流程为：先观察自然界中生物的独特结构、功能、行为等特性，从中发现可以借鉴的地方并提出问题；接着查阅资料了解相关的科学原理和已有研究成果；然后通过实验来验证生物特性在实际应用中的可行性，分析实验结果；最后根据实验结论和实际需求，设计出具有实用价值的仿生产品、技术或系统。
2.举例说明一种生物特性及其在仿生学中的应用，并阐述其仿生原理。
答案：例如，壁虎具有在垂直墙壁上自由攀爬的能力。在仿生学中，科学家模仿壁虎脚掌的微观结构，研制出了一种具有类似吸附功能的材料，可用于制造攀爬设备等。其仿生原理是壁虎脚掌有许多细小的刚毛，这些刚毛与物体表面产生分子间作用力（范德华力），从而实现吸附。仿生材料通过模仿壁虎脚掌的微观结构，使材料表面产生类似的分子间作用力，达到吸附和攀爬的效果。
3.你认为仿生学对人类社会的发展有哪些重要意义？
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，它为创新提供了丰富的灵感来源，推动了众多行业的技术进步，如航空航天、医疗、电子等领域。在生活方面，仿生产品的出现改善了人们的生活质量，例如自清洁材料、高性能运动装备等。在环境保护方面，仿生学有助于开发更环保、可持续的技术和产品，减少对自然资源的依赖和对环境的破坏。此外，仿生学还促进了不同学科之间的交叉融合，培养了人们的创新思维和科学探索精神，为解决人类面临的各种问题提供了新的思路和方法。
（五）、设计一个实验，探究不同形状的翅膀对飞行器飞行距离的影响（基于鸟类翅膀的仿生研究）
实验目的
探究基于鸟类翅膀仿生的不同形状翅膀对飞行器飞行距离产生何种影响，从而明晰鸟类翅膀形状与飞行性能的关联，为飞行器的仿生设计提供依据。
实验材料
轻木与薄塑料片：用于制作飞行器的翅膀，因其质地轻盈，便于飞行器飞行，且能较好模拟鸟类翅膀的轻薄特性。
剪刀：裁剪轻木和薄塑料片，以制作出不同形状的翅膀。
胶水：将轻木和薄塑料片粘贴固定，确保翅膀结构稳固。
细线：可用于调整飞行器重心或连接部件。
小型电机（带螺旋桨）：为飞行器提供飞行动力。
电池盒与电池：为小型电机供电。
卷尺：精确测量飞行器的飞行距离。
不同形状翅膀的模板：如长而窄的翅膀、短而宽的翅膀、三角形翅膀等，确保制作的翅膀形状标准且具有可比性。
实验步骤
制作飞行器模型
根据不同形状翅膀的模板，用剪刀将轻木裁剪成相应的骨架形状，再用薄塑料片覆盖在骨架上，使用胶水粘贴牢固，制作出多种形状的翅膀，如长而窄的翅膀、短而宽的翅膀、三角形翅膀等。确保每个翅膀的材质、厚度完全一致，以控制变量。
将制作好的不同形状翅膀分别安装在相同规格的飞行器主体上，飞行器主体需安装好小型电机、电池盒和电池，保证飞行器除翅膀形状外，其他条件均相同。
测试准备
选择一个宽敞、平坦且无明显气流干扰的场地，如学校操场。
在场地一端设置起飞点，在起飞点放置一个固定支架，将飞行器放置在支架上，调整飞行器位置，使其保持水平。
进行测试
为飞行器安装电池，启动小型电机，待螺旋桨转速稳定后，轻轻释放飞行器，使其自由飞行。
待飞行器落地后，使用卷尺从起飞点开始，沿飞行器飞行方向测量到飞行器落点的直线距离，记录该距离数据，此为该形状翅膀飞行器的一次飞行距离。
对每种形状的翅膀飞行器，重复上述操作 5 次，记录每次的飞行距离数据。这是为了减小实验误差，使实验结果更具可靠性。
更换翅膀形状并重复测试
依次更换不同形状翅膀的飞行器，按照上述测试步骤，分别进行 5 次飞行距离的测量，并记录相应数据。
变量控制
飞行器主体：使用相同规格的飞行器主体，包括相同的质量、尺寸、重心位置等，确保除翅膀形状外，飞行器本身的其他因素不会对飞行距离产生影响。
动力系统：采用同一型号的小型电机、电池盒和电池，保证每次实验提供的动力相同。每次实验前，检查电池电量，确保电量充足且一致。
实验环境：选择在同一地点、相近时间进行实验，避免因不同场地的气流、风向、地面状况等环境因素差异对实验结果造成干扰。若实验当天天气不稳定，如风力较大，则暂停实验，选择天气平稳的时段进行。
翅膀材质与制作工艺：使用相同的轻木和薄塑料片制作翅膀，且制作过程中保证翅膀的厚度、骨架结构等完全一致，仅改变翅膀的形状。
预期结果
长而窄的翅膀：可能使飞行器飞行距离较远。因为这种形状类似于一些擅长远距离飞行的鸟类翅膀，在飞行时能产生较小的空气阻力，有利于飞行器保持较长距离的飞行。预计其平均飞行距离在 [X1] 米左右。
短而宽的翅膀：或许会使飞行器飞行较为灵活，但飞行距离相对较短。短而宽的翅膀能提供较大的升力，但空气阻力也较大，不利于长距离飞行。预计其平均飞行距离在 [X2] 米左右，且 [X2]<[X1]。
三角形翅膀：飞行距离可能介于长而窄翅膀和短而宽翅膀之间。三角形翅膀的空气动力学特性较为特殊，其产生的升力和阻力与前两者不同。预计其平均飞行距离在 [X3] 米左右，且 [X2]<[X3]<[X1]。
通过对不同形状翅膀飞行器飞行距离数据的分析，可清晰了解不同形状翅膀对飞行器飞行距离的影响，为基于鸟类翅膀的飞行器仿生设计提供有力的实验依据。
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