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跨学科实践课：“船”承四海：从“郑和宝船”探索船舶设计奥秘 课时 1 课时
学习目标：1物理观念.通过模型制作，了解浮力在船舶设计中的应用，加深对阿基米德原理的理解，知道中国古代船舶技术中材料的发展历程。2科学探究.利用模拟实验，体验水密隔舱减少浮力损失，感受中国古代科技的智慧，增强文化自信。3科学态度与责任.通过实验，能够运用浮力、重心的知识分析船舶的设计特点，对比古今船舶技术，理解现代工程对传统智慧的继承与创新（如碳纤维与桐油、压载水舱与压载石）。 评价任务：1. 能运用阿基米德原理解释船舶做成空心的原理，从密度角度理解为何选择木料作为船体的原因。2. 能从社会背景、材料来源等多角度说明古代多用木材造船的原因。3. 能运用数学方法解释水密隔舱设计有效抗沉的原理。4. 能从二力平衡、重心与稳定程度的角度解释压舱石和压载水的作用，并正确放置舱内物品。
学习重难点：1.通过模型制作，了解浮力在船舶设计中的应用，加深对阿基米德原理的理解，知道中国古代船舶技术中材料的发展历程。2.利用模拟实验，体验水密隔舱减少浮力损失，感受中国古代科技的智慧，增强文化自信。
学习过程
问题（任务）、学习活动、嵌入评价（评价量规）：问题：从“郑和宝船 ”探索船舶设计奥秘视频导入：播放郑和下西洋的视频，了解其对世界航海史的意义。
教师：600 多年前，郑和船队七次下西洋，最远抵达非洲东海岸。宝船载重千吨却能破浪前行，它的设计藏着哪些超越时代的“黑科技 ”？今天我们将穿越古今，解码船舶的三大“绝技 ”。任务一：浮力材料 —— 从“刳木为舟 ”到复合板材活动 1 ：学生模型展示与原理分析学生展示自制小船（材料：塑料瓶、铝罐、防水纸）并在静水中试行，说明其设计船的材料与驱动力。总结设计共性：说明 “ 空心结构” 与 “低密度材料” 的应用。教师总结：空心结构 →增大 V 排 →提升浮力；平均密度＜水的密度 →漂浮。活动 2 ：宝船材料的跨学科分析提出问题：明代郑和的宝船采用什么材料制成？以下是郑和宝船各部分结构的木材密度表，请根据表中木材的密度和硬度说明，判断那种木材适合做船壳和船底？选择这种木材的优点是什么？
木材种类 密度（g/cm3） 硬度特征 主要应用部位 特征与历史依据
杉木 0.35-0.5 1 级（软） 船壳主体 质轻耐水，易加工→ “水上轻骑兵”
松木 0.45-0.55 2 级 船肋、横梁、辅助桅杆 刚性抗弯，耐压性佳
樟木 0.50-0.60 3 级 货舱、隔舱 芳香驱虫，榫卯遇水膨胀自锁 → 贵
族船舱“ 天然守护者”
柚木 0.6-0.7 4 级 甲板、上层建筑船底外壳、舵叶、关键耐蚀件 天然耐腐，抗海虫侵 蚀 → 破 浪 “ 先锋”
铁力木 0.9-1.10 5 级（极硬） 船底、龙骨、舵叶 硬如铸铁，抗 30m水深压强（300KPa） → 抗暗礁“船底铠甲 ”（郑和宝船专用）
物理视角：对比木材密度表（见表），引导学生分析材料特性与船体部位的匹配逻辑：历史视角：展示明代史料，说明宝船选用杉木（船壳）、铁力木（龙骨）等木材的原因。技术延伸：播放 “桐油防水工艺” 视频，关联化学防腐原理（油脂封闭木材纤维，防止渗水）。活动 3 ：古代船舶发展史及材料选择1. 新石器时代：祖先广泛使用独木舟和筏，筏是水上运载工具的雏形，由百越人发明。
舟 筏2. 秦汉时期：造船业发展出现第一个高峰。秦始皇时曾组织能运输 50 万石粮食的大船队，其攻打楚国时的舰队使用了楼船等多种战船。汉朝水师强大，中央政府能出动 2000 多艘楼船、20 万水军。楼船是汉朝重要船型，其建造和发展标志着造船技术高超。
汉代木板船船身及结构 古木帆船模型3. 唐宋时期：进入古代造船的成熟时期，达到第二个高峰。这一时期船体不断增大且结构更合理，唐朝内河船长 20 余丈、载人六七百者屡见不鲜，宋朝“神舟”载重量可达 1500 吨以上。造船数量
增多，唐朝造船基地广泛，宋朝东南各省建立大批官方和民间造船工场，如明州、温州两地年造船600 艘，吉州船场曾年产 1300 多艘。造船工艺也越来越先进，唐朝舟船采用钉接榫合工艺提高船的强度，宋朝开始使用船坞，比欧洲早 500 年，且能依据船图施工，而欧洲在 16 世纪才出现简单船图。宋朝还继承和发展了南朝的车船制造工艺，车船是一种装有木叶轮的战船，可人力踏动，船行如飞，南宋杨幺起义军使用的车船可达二三层、载千余人，最大的有 32 车。唐朝木帆船模型及船钉 宋代万斛神舟复原图4. 明朝时期：造船业达到第三个高峰。元朝继承和发展唐宋先进造船工艺和技术，建造大量各类船只，阿拉伯人的远洋航行逐渐衰落，中国航海船舶居世界首位。明朝的造船工场分布广、规模大、配套全，达到古代造船史的最高水平。主要造船场有南京龙江船场、淮南清江船场、山东北清河船场等。明朝造船工场还有配套手工业工场及严格的管理制度，为郑和七次下西洋的远航壮举奠定了基础。郑和宝船现代复原模型 郑和下西洋 600 周年纪念邮票提问：直至明代，我国造船大多用木质材料，这是为什么呢？（可以从社会背景、材料来源等角度分析）学生回答问题后，利用 AI 技术（豆包）分析该问题答案，学生观察其回答与豆包给出答案的角度与全面性。
介绍：新中国成立后：①钢铁材料强度提高：从普通的船体结构钢发展到高强度钢。质量提升：钢铁生产工艺不断改进，钢材的纯净度、均匀性等质量指标大幅提高。品种增加：开发出多种特殊性能的钢材，如超厚止裂钢、低温钢、船用双向不锈钢等，满足了不同类型船舶和海洋工程装备的特殊要求。②有色金属材料铝合金由于密度小、耐腐蚀等优点，在船舶制造中的应用逐渐增加，如在一些对重量要求较高的高速艇、游艇及部分军舰上层建筑等方面有广泛应用。钛合金也凭借其高强度、高耐蚀性和良好的低温性能等，在一些高端船舶和特殊用途船舶上得到一定应用。③复合材料应用范围扩大：从 1980 年代开始引入复合材料至船舶制造，起初主要使用玻璃纤维增强塑料，后来碳纤维等高性能复合材料的应用也日益普及，从最初的小型快艇逐步拓展到大型船只的部分结构部件。制造工艺进步：中国船舶制造业对复合材料的制造工艺逐渐精熟，包括成型和固化等步骤，产品质量和性能不断提升。④防护材料在船舶防腐、防污方面，开发出性能更优异的涂料和牺牲阳极材料等防护材料，有效延长了船舶的使用寿命，降低了维护成本。任务二：抗沉革命 —— 水密隔舱的古今传承
过渡语：材料再好，若船体破洞进水仍会沉没。单舱船一旦漏水，随着水的进入，船的总重力增大致浮，而郑和宝船为何能“一舱进水，全船不沉 ”？AI 视频，郑和介绍宝船不沉的技术——水密隔舱
活动 1 ：水密隔舱模拟实验
实验设计：用带格子的塑料盒模拟船舱，封堵部分格子后注入水，观察整体吃水线变化。现象记录：单舱进水 →整体下沉；多隔舱进水 →仅局部下沉，整体保持漂浮。物理原理：分隔空间 → 限制进水体积 →减少浮力损失（排下降有限）。活动 2 ：历史与现代对比
展示郑和宝船的隔舱设计，提问：“隔舱数量越多，抗沉性如何变化？ ”（数学建模：假设单舱体积 V，总舱数 n，进水 1 舱时浮力损失为 1/n，故 n越大，损失越小）。联系现代案例：泰坦尼克号因隔舱未封顶沉没福建舰防爆舱 →水密隔舱技术的军事应用。活动 3 ：利用 AI 统计学生作业中，提到“水密隔舱 ”技术的人数及内容（学生作业已经按照学号进行降密）任务三：稳定设计 —— 从压载石到智能配重解决了福船的抗沉没问题，现在需要在船舱中放物品了，当时郑和宝船共 8 层，甲板下有四层，如果你是船长的助手，你将这些物品都放置在哪一层呢？活动 1 ：物品放置配对提问：甲板下四层分别装有奇珍异宝、船员生活的淡水和粮食等物资，还有砂石块，那么怎么放置能够使船航行更稳呢？学生活动：将物品与所放置的层数进行匹配并进行说明。第 5 层装茶叶、瓷器及贸易的各种奇珍异宝，便于分类及拿取。第 6-7 层装船员生活的淡水和粮食等物资。第 8 层装砂石块，物理原理：降低重心 →提高稳度 →抗倾覆能力提升（类比不倒翁）。提问：如何让船舶在风浪中不侧翻？古人用“压舱物 ”，现代船舶用“压载水舱 ”。
活动 2 ：视频播放：现代船舱的压载水介绍分组讨论：用 “压载石 ” vs “注水舱 ” 配重的优缺点（古代：固定重量，材料贵重；现代：可调节，成本低）。小结：材料轻量化：挖空术（秦汉）→木铁复合（唐）→桐油（明）→碳纤维（现代）结构抗沉化：单舱（汉）→分舱术（唐）→15 隔舱（明）→隔舱（现代）稳性控制：堆货（汉）→瓷器压载（唐）→龙骨设计（明）→智能水舱（现代）

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