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第三单元第7节 设计和制作"过山车"
【教科版 三年级上册 科学】
学习目标
● 知道过山车依靠重力和惯性运动,由底座、轨道、车厢(模型中用小圆球代替)三大部分组成;
● 能够根据任务要求设计过山车轨道路线图,包含直线轨道和曲线轨道,并标注起点、终点、运动方向;
● 能用给定材料(塑料套件或卡纸套件)按照设计图搭建过山车模型,让小球从高处自动滚完全部轨道且不脱轨;
● 学会用软尺或细绳测量轨道的总长度(2米以上),验证是否符合要求;
● 经历"分析要求→设计方案→制作模型→测试改进"的工程设计基本流程,培养合作意识和动手能力。
教学重点与难点
教学重点
根据六条设计要求,用给定材料设计并搭建过山车模型--轨道总长≥2米、含直线和曲线轨道、小球滚完全程不脱轨、与同学合作、坡度有变化、整座过山车稳固。
教学难点
在方案设计阶段准确规划轨道总长(2米以上)、合理设置直线和曲线轨道布局、利用高低差(坡度)让小球获得足够的动力跑完全程。
一、聚焦--你见过或玩过过山车吗 (约6分钟)
【教师活动】同学们,请看大屏幕上的图片--这是游乐园里最受欢迎的项目之一。大家见过或玩过游乐园中的过山车吗 过山车给你留下最深的印象是什么 今天,我们就来当一回"小小工程师",设计并搭建一座属于我们自己的"过山车"模型!
(一)认识过山车:回忆与交流
【学生活动】学生回忆过山车经历并交流。小峰说:我坐过过山车!从最高点冲下来的时候特别快,风呼呼地吹!小雅说:我在电视上看到过山车的轨道有上坡和下坡,还有弯弯曲曲的弯道。小文说:我发现过山车不用发动机--它是被拉到最高点然后自己滑下来的!小刚说:过山车的轨道有的是直的,有的是弯的,像一条龙一样。
【教师活动】同学们观察得真仔细!过山车确实不需要发动机--它是靠重力(地球的吸引力)从高处滑下来的,高处→低处的运动就是它"自动"跑完全程的秘密。你们说到了轨道的"直"和"弯"--这就是我们今天要重点研究的!
游乐园中的过山车
【过渡语】过山车的魅力就在于--坡度的变化让它快慢交替,直线和曲线轨道的结合让它有惊无险。那如果我们亲手来做一座过山车模型,需要满足哪些要求呢
二、明确任务--我们的"过山车"要满足哪些要求 (约5分钟)
(二)六条设计要求
【教师活动】我们的"过山车"不是随便搭建的--要成为一个合格的"工程作品",必须同时满足以下六条要求。请大家认真记住每一条:
第一条:轨道总长在2米以上--要足够长,才能充分体验小球从起点到终点的"旅程"。
第二条:有直线轨道和曲线轨道--直线轨道让小球加速,曲线轨道让小球转弯,两者都要有。
第三条:小球能滚完全部轨道,不能脱轨--这是最核心的要求,直接决定做"过山车"是否成功。
第四条:与同学合作完成--这不是一个人的任务,小组成员要合理分工、互相配合。
第五条:轨道的坡度要有变化--不能一直平着走,要有高处有低处,上坡下坡交替出现。
第六条:整座"过山车"要稳固--支架要立得稳,轨道不能摇晃,否则小球容易掉下来。
【学生活动】学生齐读六条要求后小组讨论。小建问:老师,"轨道总长2米以上"怎么量 用尺子一段段量吗 小丽问:小球什么样子才算"脱轨" 掉出轨道槽就算吗 小强问:坡度要有变化,是不是说每一段轨道高度都要不一样
【教师活动】好问题!关于测量--我们有两种工具可以帮助:软尺和细绳。软尺可以直接贴着轨道量出长度;细绳可以先顺着轨道摆放,摆完后拉直再用直尺量绳子的长度,就是轨道的长度了。关于"脱轨"--小球滚出轨道槽、中途掉了出来,就算脱轨。关于坡度变化--不要求每段高度都不同,但至少要有高坡、中坡和低坡的区别,让小球经历"下滑→平走→上坡"的完整过程。
【知识点】知识点1--过山车模型的六条设计要求是一个整体工程标准:1总长≥2米(量足够)2含直线+曲线轨道(类型丰富)3小球全程不脱轨(核心性能)4小组合作(分工配合)5坡度有变化(动力持续)6整座稳固(安全可靠)。满足这六条才算一件"合格"的作品。
过山车设计的六条要求概览
序号 设计要求 具体含义 验证方法
1 轨道总长在2米以上 轨道线路总长度≥2米 用软尺或细绳测量后读取总长度
2 有直线轨道和曲线轨道 同时包含直的轨道和弯的轨道 目测:看到直路和弯路
3 小球滚完全部轨道不脱轨 小球从起点到终点完整运行不掉落 滚球测试:全程不掉即合格
4 与同学合作完成 全体组员分工协作 查小组分工记录
5 轨道的坡度要有变化 包含高、中、低不同坡度区域 目测:有明显的高低起伏
6 整座"过山车"要稳固 支架稳固、轨道不摇晃 用手轻摇:无明显晃动
【过渡语】六条要求记住了没有 记住--从设计到制作的每一步,都要时刻对照这六条要求来检查。接下来我们看有哪些材料可以使用。
三、认识材料--用这些材料来实现我们的方案(约4分钟)
(三)材料展示与选择
【教师活动】老师为每个小组准备了两种套件,大家可以任选其一:一种是"塑料套件",另一种是"卡纸套件"。请各组观察材料盒里的东西,讨论一下这两种材料各有什么优缺点,你们组打算选哪一种。
【学生活动】学生分组观察材料并讨论。小华说:塑料套件有现成的轨道槽,小球放进去不容易掉出来,而且积木可以搭出不同的高度。小琳说:卡纸套件虽然要自己动手折轨道槽,但卡纸可以剪成任意形状,还能做成很特别的弯道造型。小睿说:我注意到卡纸套件里有胶带和剪刀--我们可以用胶带固定轨道和支架。小智说:我注意到两种套件的轨道尺寸不一样--塑料积木的轨道比较窄但深度够,卡纸折的轨道比较宽但深度比较浅,可能小球容易跑出去。
【教师活动】真好,大家都在仔细观察材料的特点!老师再补充一点--轨道的长度怎么测量呢 用软尺测量很方便,直接贴着轨道量就行;用细绳也可以--把细绳沿着轨道摆好,再拉直量绳子长度。两种方法都能帮你验证轨道总长是否在2米以上。
材料类别 组成 优点 可能的不足
塑料套件 塑料轨道积木、支架、连接件、小球 轨道槽防脱轨、结构稳固、搭建方便 弯曲程度有限,大弯道较难实现
卡纸套件 卡纸、剪刀、胶带、小球 可任意裁剪、造型灵活、成本低 需要自制轨道槽、不够稳固
测量工具 软尺、细绳 软尺直接读数 / 细绳灵活可弯曲 用软尺或细绳都能准确量出轨道总长
【知识点】知识点2--两种制作材料的不同特性:1塑料套件:有现成的轨道槽防脱轨,搭建方便稳固,但弯曲程度有限;2卡纸套件:可自由裁剪出各种形状,创意空间大,但需要自制轨道槽且强度较低。3测量工具:软尺可直接测量弯曲轨道的长度;细绳可沿着轨道摆放后再拉直量长度。要根据设计需要选择合适的材料组合。
【过渡语】材料认识了,要求记住了,接下来是最关键的一步--制定方案!也就是在动手之前,先把我们的"过山车"路线设计出来。
四、制定方案(方法一)--用绳子摆出"过山车"的轨道路线(约4分钟)
(四)方法一:绳子摆线法
【教师活动】第一种设计方法最简单直观--请你拿出一根绳子,在桌面上摆出你想要的过山车轨道路线。把绳子的形状看成轨道的形状,绳子弯曲的地方就是曲线轨道,绳子拉直的地方就是直线轨道。摆好之后,全组同学都能一眼看到轨道的整体布局。
【学生活动】学生用绳子在桌面上摆出设计路线。小欣说:我把绳子先摆成一个长直道,然后绕一个S形弯道,最后再来一段直道到终点--这样既有直线又有曲线!小哲说:我摆了两个大圈,像"8"字形,但这个需要处理好交叉的地方--一个轨道在上、一个在下。小然说:我摆了一个从高到低的斜坡,先一个直线斜坡→弯道→再一段平路到终点--注意起点要最高!
【教师活动】摆得不错!老师看到几个关键设计思路:第一,起点处位置要高--可以用几本书把起点垫高;第二,直线段用来积累速度,曲线段用来转弯;第三,绳子摆好后可以用软尺量一量长度,大概看看有没有2米。注意:用绳子摆时,绳子长度就代表轨道总长--所以绳子要够长!
步骤 操作方法 设计要点 参考用时
1.准备绳子 取一根长绳子(约3米) 绳子长度要超过2米 30秒
2.摆出路线 在桌面上弯曲绳子摆出轨道形状 确保包含直线段和曲线段 2分钟
3.检查长度 用软尺量绳子总长 总长≥2米 30秒
4.调整优化 根据六条要求逐条检查修改 坡度变化、稳固性 1分钟
【知识点】知识点3--绳子摆线法的三大优势:1直观:全部组员都能同时看到轨道整体布局,方便讨论修改,不需要画图能力;2可测量:绳子长度直接反映轨道总长,用尺子一量就能判断是否达标(2米以上);3可调整:绳子可以随时重摆,不满意就换一种摆法,试错成本为零。
用绳子摆出的过山车轨道路线
【过渡语】绳子法很直观,但绳子拿走了就没有记录了。第二种方法更正式--把它画下来!
五、制定方案(方法二)--在纸上设计"过山车"的轨道路线(约5分钟)
(五)方法二:纸面设计法
【教师活动】第二种方法更正式--在白纸上画出过山车的轨道路线来。画设计图的时候有几个要点需要特别注意:
1如果轨道有交叉--上面的轨道画实线(---),下面的轨道画虚线(┅┅┅),这样别人一看就知道哪条在上哪条在下。
2特殊位置一定要配文字说明--比如写"起点(最高处)""大弯道""交叉点:上层""终点"等,这样更清晰。
3用箭头标注小球的运动方向--从起点画箭头→沿着轨道一直画到终点。
4起点和终点要明确标出来--画小旗子或者圆圈标记。起点和终点可以在同一个位置(回圈式),也可以在不同位置(开放式)。
5最后检查路线是否连续--从起点到终点中间不能有"断路",小球必须能沿着画出来的轨道一直跑到终点。
【学生活动】学生尝试在纸上绘制过山车轨道路线图。小刚说:交叉处画实线和虚线很重要--如果不区分,搭建时搞不清谁在上谁在下。小芳说:箭头还能帮我们判断坡度方向--小球是从高往低滚的,所以从起点到终点的箭头应该是往下走的。小强说:我检查了一下我的设计图,从起点到终点中间是连续的,没有断掉。小玉说:我的起点和终点分别在纸的左上角和右下角,这样整条轨道可以充分展开,便于做出直线和曲线!
【教师活动】大家的图纸很有想法!小刚提醒到实线和虚线的区别--这非常关键,可以说是在用"工程语言"表达空间层次。小芳从箭头推理坡度的方向--这就是"动脑设计"!小强检查了连续性--确保轨道没有断头路。小玉把起点和终点放在对角线上--这样可以充分利用空间铺出长轨道。
绘图要点 具体方法 容易犯的错误
交叉处区分 上层画实线,下层画虚线 全都画成实线,空间层次不清
关键位置说明 加简短文字标注(最高点、弯道、交叉点等) 只有线条没有文字,让人看不懂
运动方向 用箭头从起点到终点标注 没有箭头,不知道小球往哪边滚
起点/终点标记 用小旗子或圆圈标出 没有标记或者标记不清
路线连续性 检查起点到终点是否一路连通 轨道中间有"断头路"
【知识点】知识点4--纸面设计法的五大要点,简记为"交/文/箭/起/连":1交叉处实虚线区分→立体层次;2关键位置配文字→清晰易懂;3箭头标注运动方向→体现运行逻辑;4标注起点终点→明确起止;5检查路线连续→确保连通可行。纸面设计法的优势在于:图纸可以保留下来作为"施工图",搭建时随时对照查看。
在纸上设计的过山车轨道路线图
【过渡语】方案设计好了,接下来就是激动人心的时刻--按照设计图来搭建我们的过山车模型!记住施工原则:按图施工!
六、实施方案--根据设计图制作我们的"过山车"(约12分钟)
(六)搭建实施:三大施工要求
【教师活动】正式搭建之前,有三条施工要求请大家牢记:
第一,严格按设计图来搭建--设计图就是你的"施工图纸"。在搭建过程中如果发现设计有问题,一定要在图纸上先修改,再按修改后的图纸施工。
第二,搭建过程中和完成后,要反复对照六条设计要求逐条检查--轨道够不够2米 有没有直线和曲线轨道 坡度有没有变化 支架稳固吗
第三,各组限时15分钟完成搭建。建议选出一名"总工程师"来对照图纸指挥,其他成员分别负责支架搭建、轨道铺设和组装拼接。
【学生活动】各小组分工合作,开始搭建过山车模型。过程中教师巡视指导。
【各组搭建过程中的典型对话】
第一组(塑料套件):小峰说:按照设计图,起点要垫高到两本书的高度!把积木柱子搭起来。小雅说:轨道的直线部分已经铺好了--让它从起点往下斜着走,这样小球一开始就有速度!小文说:弯道到啦--用弧形积木接上去!小琳说:我量了一下轨道长度--现在有1.5米了,还不够2米,再接一段曲线轨道吧!
第二组(卡纸套件):小刚说:我们来折轨道槽--把卡纸两边折起约1厘米高的边缘,中间留出小球滚动的槽。小丽说:注意折的边缘要高度一致,不然小球在弯道上容易卡住。小睿说:我们用书做支架--起点处叠高4本书,中间叠2本,终点处放平--这样就形成了坡度变化!小建说:用胶带把轨道固定在书上--要粘牢,不然一碰就掉。哦对了,我们在曲线段边缘多折一点,防止小球甩出去。
【教师活动】很好,各组进展顺利!注意这些细节:第一组发现轨道不够2米,及时加了一段曲线轨道--这就是在对照第一条要求检查!第二组在曲线段加高轨道边缘--就是在满足第三条要求(小球不脱轨)!还有别忘了第五条--坡度要有变化。你们可以让轨道先下坡→平走→再下坡→上坡,这样坡度就有变化了。另外,第六条的稳固也很重要--不要只顾着轨道好看而忽略了支架的稳定性。
施工步骤 内容 验收要点
1.搭建支架 用积木/书/底座撑起轨道的高低支架 支架稳不晃动
2.铺设轨道 按设计图放置/粘贴轨道(直线+曲线) 轨道连续无断头
3.检查长度 用软尺/细绳测量轨道总长 ≥2米
4.检查坡度 确认高、中、低不同的坡度区域 坡度有变化
5.球道测试 放入小球测试运行 小球滚完全程不脱轨
6.整体稳固 轻推支架检查整体稳定性 整座过山车不摇晃
【知识点】知识点5--工程实施阶段的六步流程:1搭支架→2铺轨道→3测长度→4查坡度→5验轨道→6稳整体。每完成一步都要检查是否满足相对应的设计要求:1搭支架→稳固性;2铺轨道→直线+曲线;3测长度→2米以上;4查坡度→有变化;5验轨道→小球全程不脱轨;6稳整体→充分对照所有六条要求。工程中"边做边检"比"做完再检"更高效--发现问题随时调整。
搭建过程示意图
【过渡语】大部分小组的过山车已经搭好了。我们来回顾一下整个"设计和制作"的过程--从最初的构思到最终的成品,经历了哪些步骤 从中你学到了什么
七、课堂小结(约3分钟)
【教师活动】回顾一下本节课的重要历程:
● 第一步:明确了六条设计要求--这是我们的"质量标准",每一条都很重要。
● 第二步:认识了材料--塑料套件和卡纸套件各有优缺点,选择要因地制宜。
● 第三步:制定了方案--可以用绳子摆线,也可以用纸面设计,两种方法都很好。
● 第四步:按图施工--搭建了过山车模型,并在过程中不断对照六条要求来检查改进。
● 过山车的核心科学原理:重力让小球从高处向下滚,获得足够的动力和速度;直线轨道加速,曲线轨道转向,坡度变化控制运动快慢。
【学生活动】学生跟着老师一起回顾。小峰说:我觉得最难的是让轨道既要有坡度变化又要够2米以上--因为轨道长就要多绕几个弯,绕弯又要考虑小球能不能顺利通过。小雅说:我发现合作很重要--我们组有人负责看图指挥,有人负责搭支架,有人负责铺轨道,有人负责测量,很快就搭好了!小文说:我最深的感触是"设计图纸真的很重要"--照着图纸搭建的时候,每一步都很清楚,不会乱。
【教师活动】大家说得非常好!今天这节课不只是一个"动手做"的活动,更是一次"工程实践"的体验。你们经历了一个完整的工程设计流程--分析需求→设计方案→搭建模型→测试调整。今天课后,请大家保留好自己的过山车模型,下一节课我们还要进行全班的测试和评比,看看哪些小组的作品能够同时满足全部六条设计要求,让小球顺利跑完全程!
【知识点】知识点6--工程设计的五个基本步骤:1明确需求(六条设计要求)→2选择材料(塑料/卡纸套件)→3制定方案(绳子摆线法/纸面设计法)→4制作实施(按图搭建)→5检查改进(对照六条要求验证并调整)。这是工程设计中通用的"设计-制作-测试"循环。在生活中,造房子、修桥、做玩具,都遵循这样的流程。
板书设计
课题 3.7 设计和制作"过山车"
六条要求 总长2米+直线+曲线+不脱轨+合作+坡度变化+稳固
材料 塑料套件 / 卡纸套件 | 软尺 / 细绳
设计方法 1绳子摆线法 2纸面设计法(交文箭起连)
实施流程 搭支架→铺轨道→测长度→查坡度→验轨道5稳整体
工程流程 需求→材料→方案→制作→测试→改进

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