资源简介

第15课　热气球（教学设计）
课题 热气球 课时安排 1课时
教材分析 本课是第四单元“空气的性质”的第3课，课题为热气球。教材围绕空气受热以后会怎样这一问题，安排两个探究活动：把轻薄的塑料袋罩在安全热源上方，观察袋子鼓起来并升空；把纸螺旋悬挂在热源上方，观察螺旋旋转。教材的主线是先用两个看得见的现象取证，再建构受热、膨胀、变轻、上升的因果链，最后回到热气球与孔明灯的升空原理和取暖、厨房等生活应用。 本课对应《义务教育科学课程标准（2022年版）》核心概念1“物质的结构与性质”中学习内容1.2“空气与水是重要的物质”的3~4年级内容要求：⑤观察并描述空气受热上升的现象。本课重点是让学生观察、描述空气受热上升，并在前两课的基础上理解热空气比冷空气轻。本课涉及的跨学科概念是物质与能量、稳定与变化：热源提供能量使空气的状态发生改变，冷热差异又带来空气位置的改变。 与原教材相比，2024年版更强调安全规范与生活应用，明确热源由教师操作，用吹风机热风档、暖风机等代替明火来做学生实验，并要求学生用同体积比较的方式说清热空气轻在哪里。本课承接第13课空气占据空间、第14课空气有质量，把对空气的认识推进到受热后的变化；又是第16课风的形成的直接基础，因为风正是热空气上升、冷空气补充的结果，同时也为高年级研究热传递与天气现象打基础。
核心 素养目标 科学观念：知道空气受热后体积会膨胀，同体积的热空气比同体积的冷空气轻，所以热空气会上升；知道热气球、孔明灯都是利用热空气上升的原理升空的。 科学思维：能根据塑料袋鼓起来并上升、纸螺旋旋转等现象，推理出受热、膨胀、变轻、上升的因果链，能解释暖气片、抽油烟机等生活现象，并说清变轻是指同体积更轻。 探究实践：会与同伴合作完成塑料袋热气球与纸螺旋两个实验，能观察并记录袋子加热前后的大小和位置变化，能用画箭头的方式把因果链记录在记录单上。 态度责任：感受古人发明孔明灯的智慧，对飞行现象保持好奇；牢记使用热源必须由教师操作，不玩火、不触碰加热后的器具，了解孔明灯在主城区放飞的安全隐患。
重点 和难点 教学重点：通过塑料袋升空和纸螺旋转动两个实验，观察并描述空气受热上升的现象，知道热气球升空利用的是热空气上升的原理。 教学难点：理解热空气变轻的准确含义，也就是同体积的热空气比同体积的冷空气轻，并能说出空气受热后体积膨胀这一中间环节。突破策略：用袋子受热前后的大小对比，再用袋子与旁边同样大小的冷空气作比较，把模糊的变轻替换为同体积更轻。
教学过程
教学环节 教学活动 设计意图
导入新课 教师播放热气球节升空的短视频和孔明灯缓缓上升的画面，画面中巨大的球囊慢慢鼓起、带着吊篮离开地面。播放结束后教师抛出一个问题：热气球没有翅膀，也没有螺旋桨，它是靠什么力量飞上天的？请学生大胆猜想，并把关键词写在黑板上。 学生四人小组讨论一分钟，把猜想写在记录单第一栏，例如热气把它托上去了、火把袋子里的空气变轻了、袋子里的空气变少了。教师把典型的猜想贴在黑板一侧，形成一张升空理由榜，为后面的实验验证提供靶标。 教师板书课题热气球，引导学生带着一个更具体的问题进入实验：热空气真的会自己往上跑吗？如果会，我们能不能在教室里造出一只小小的热气球？教师出示薄塑料袋和教师专用的热风源，说明今天的热源由老师操作，同学们负责观察和记录。 设计意图：热气球的画面直接击中学生的好奇心和飞行梦想，球囊鼓起到离地升空的连续画面把空气的状态变化可视化。先猜想后验证的安排让学生的原始观念全部暴露出来，为后续的实验制造明确的对照，达成科学观念目标中知道热空气会上升这一要求。 设计意图：把猜想写下来而不是只说一说，能让每个学生都参与思考，也让教师看到班级的认知起点。升空理由榜给学生一种被认真对待的感觉，实验之后可以逐条回看哪一条被证实、哪一条被修正，达成科学思维目标中依据现象进行推理的要求。
讲授新课 本节课围绕一个看不见的变化展开：空气受热以后会怎样。课堂从热气球和孔明灯升空的画面切入，先收集学生的原始想法，再用塑料袋升空和纸螺旋转动两个实验取证，最后建构受热、膨胀、变轻、上升的因果链，并用它解释热气球升降、孔明灯升空、暖气与空调的安装位置、烟囱排烟等生活现象。全课的核心结论只有一句：同体积的热空气比同体积的冷空气轻，所以热空气会上升。 设计上把变轻这个说法当作必须澄清的靶心。三年级学生看到袋子飞起来，很自然会说热空气变轻了，但严格说来，空气受热后质量并没有减少，而是体积变大、同样体积里的空气变少了。本课不引入密度这个名词，而是用同一只袋子受热前后比大小、再用袋子与旁边同样大小的冷空气比轻重，把变轻固定为同体积的热空气比同体积的冷空气轻。 环节一：情境导入·聚焦问题（约6分钟） 教师播放两段各约一分钟的视频，一段是热气球节上巨大的球囊充气后带着吊篮升空，一段是我国传统孔明灯在夜空中缓缓飘升。播放结束后教师提出问题：它们没有翅膀，也没有螺旋桨，凭什么飞上天？教师同时在讲台上摆出一只被吹灭的蜡烛、一只薄塑料袋和一台教师专用的热风装置，告诉学生今天要在教室里做一只手掌大小的热气球。教师同时说明实验纪律：热风装置只由老师操作，同学们双手放在桌面上观察，任何人不得擅自靠近出风口。 师：热气球能飞起来，可能跟什么有关？生（预设）：跟上面那把火有关，火把空气烤热了。师：空气被烤热以后发生了什么变化，才能把这么大的球囊托起来？生（预设）：热空气变轻了，比旁边的空气轻，所以往上跑。师：说变轻，是跟什么比才叫轻？生（预设）：跟旁边没有烤热的冷空气比，跟它一样多的热空气比冷空气轻。师：那我们怎样在教室里证明热空气真的会往上跑？生（预设）：可以用塑料袋试一试，看它会不会自己飞起来。师：要让塑料袋飞起来，我们还需要特别注意什么？生（预设）：要小心烫，不能用手去碰出风口，也不能把袋子贴得太近。 学生四人小组分工为材料员、操作员、观察员和记录员。材料员到材料台领取薄塑料袋一只、棉线和纸螺旋各一份、观察记录单一份。各小组先在记录单第一栏写下本组的猜想，写清楚我们认为袋子会怎样变化以及理由，再由记录员在全班交流时读出来。教师提醒学生，今天的实验热源一律由老师操作，同学们只负责观察、描述和记录。各组还要约定一个手势，看到袋子有往上拉手的感觉时轻轻举一下手，提醒同伴不要松手太早。 【知识归纳】①空气受热以后体积会膨胀，同样多的热空气比同样多的冷空气轻，所以热空气会上升。②热气球、孔明灯都是利用热空气上升的原理升空的。③描述变轻时一定要说清楚是和谁比，也就是同样体积的热空气和冷空气相比。④这里的同样多很关键，改成同样重或者同样大都不够准确，课堂上统一说同体积。 【评价要点】达成科学观念目标：学生能说出热空气会上升，达标证据是能举出热气球、孔明灯等例子并指出与受热有关。达成科学思维目标：学生能提出可以检验的猜想，达标证据是记录单上的猜想里包含了怎么证明的想法，而不是只写一个结论。本环节以小组为单位统计，能提出检验办法的小组达到三分之二以上即视为达成。 环节二：探究实践一·塑料袋热气球（约12分钟） 材料清单（每组一份）：轻薄的透明塑料袋一只，规格尽量统一，袋口约三十厘米；棉线一小段；观察记录单一份；湿抹布一块。教师专用器材：吹风机的热风档或者小型暖风机一台、电热风枪一把、隔热手套一副、灭火毯一块。安全提示：热源一律由教师操作，学生只观察不接触；热源远离窗帘、纸张等可燃物；不使用明火蜡烛做学生分组实验；加热过的器具和出风口很烫，不要用手触摸；实验结束后先把热源断电冷却再收材料。器材摆放要求：热风装置放在讲台中央，塑料袋和纸螺旋放在每组桌面的右上角，湿抹布放在随手可取的位置，出现冒烟或者异味立即断电。 操作步骤：第一步，先请一名学生双手拎着塑料袋的两个上角，把袋口朝下撑开，观察常温下袋子是瘪的、软塌塌的，几分钟内不会自己鼓起来。第二步，教师把热风装置的出风口朝上，调到热风档，与袋口保持约二十厘米距离。第三步，把袋口罩在热风上方约十秒，观察袋子慢慢鼓起、变挺，并且有向上飘的趋势。第四步，当感觉到袋子往上拽手时轻轻松开双手，塑料袋缓缓升到半米多高，随后因为里面的空气变凉而慢慢下落。第五步，重复一次并记录。操作提示：罩袋时袋口要完全朝下，尽量把热风包在袋内；松手时机以袋子上飘、手指感到被轻轻上拽为准，松得太早袋子还没热透，松得太晚袋子会碰到出风口。 记录单样式：三行表格，栏目为袋子的状态、袋子的位置、我的发现。样例记录：常温下，瘪、贴着手往下垂；罩在热风上方十秒，鼓起来了、有向上拉手的感觉；松开手，升到半米多高随后下落。追问链：师：袋子为什么会鼓起来？生（预设）：里面的空气受热以后变多了、变大了，把袋子撑起来了。师：袋子为什么会往上飘？生（预设）：里面的热空气比外面的冷空气轻，它想往上跑，就把袋子带上去了。师：袋子为什么升上去一会儿又落下来？生（预设）：里面的空气慢慢变凉，变得跟外面的空气差不多重，托不住袋子就落下来了。教师提醒学生，记录时要把加热前、加热中、松开手这三个时刻分开写，不要笼统地写袋子飞起来了。 师：同样多的空气，受热以后质量和冷空气一样吗？生（预设）：质量是一样的，只是在同样大小的空间里，热空气比冷空气少一些，所以同样的体积比冷空气轻。师：如果袋子一直在热源上方加热，它会怎么样？生（预设）：它会一直往上飘，继续加热就能升得更高。师：那真正的热气球为什么要带一个可以开关的燃烧器？生（预设）：需要加热的时候就点火，想让球囊降下来就少加热，让它里面的空气变凉。师：热气球上的人能不能自己决定往上飞还是往下落？生（预设）：可以，他控制燃烧器点火就是加热，让火小一点或者停一会儿，球囊里的空气变凉，热气球就会慢慢降下来。师：热气球上的人能不能自己决定往上飞还是往下落？生（预设）：可以，他控制燃烧器点火就是加热，让火小一点或者停一会儿，球囊里的空气变凉，热气球就会慢慢降下来。 【知识归纳】①空气受热后体积膨胀，塑料袋里的空气变多变大，所以袋子鼓起来。②同体积的热空气比同体积的冷空气轻，所以袋子会上升。③热空气变凉以后又会下沉，所以袋子升到一定高度会慢慢落下，热气球的升降就是靠不断调节球囊里空气的冷热来控制的。④这里要特别注意，热空气上升靠的是它与周围同体积冷空气的轻重差别，并不是因为它有什么特别的力量。 【评价要点】达成探究实践目标：学生能合作完成加热与松手两个关键动作，能描述袋子加热前后的大小和位置变化，达标证据是记录单上写清了鼓起来和有向上拉手的感觉。达成科学观念目标：学生能说出热空气上升的原因，达标证据是能提到同体积的热空气比冷空气轻而不只是说变轻了。教师可随机请两名学生复述袋子升空的原因，其余学生用有没有说清跟什么比来互评。 环节三：探究实践二·会转的纸螺旋与因果链建构（约11分钟） 活动一：会跳舞的纸螺旋。教师出示事先剪好的蛇形纸螺旋，用棉线从中间吊起。先请学生想办法让它动起来，学生大多会想到用嘴吹、用书扇。教师问：如果不用嘴吹、不用手扇，它还会动吗？随后把纸螺旋悬在热风装置出风口上方约二十厘米处，纸螺旋稳稳地旋转起来。活动二：观察空气的流动。教师在出风口上方贴一条细纸带，纸带向上飘并摆动，说明有空气在向上流动。活动三：建构因果链。教师在黑板贴上四张箭头卡，请学生把受热、膨胀、变轻、上升四个词按顺序排好，并在下面写上一句完整的话。安全提示：纸螺旋和纸条只能用棉线悬挂，悬挂点离热源保持二十厘米以上，教师操作热源时学生不要靠近。 师：纸螺旋没有被风吹，它为什么会转起来？生（预设）：因为热源上方的空气在往上流动，推动纸螺旋转起来了。师：这说明热空气除了会上升，还有一个什么特点？生（预设）：它一直在动，会从下面往上面流动。师：请把受热、膨胀、变轻、上升排成一个正确的顺序。生（预设）：空气受热以后体积膨胀，同样多的热空气比冷空气轻，所以会上升。师：这句因果链能解释热气球的升空吗？生（预设）：能，燃烧器把球囊里的空气加热，热空气上升托起球囊和吊篮，热气球就飞起来了。师：如果把因果链里的变轻去掉，只写受热和上升，行不行？生（预设）：不行，中间少了最关键的一步，热空气上升的原因就是它比同样多的冷空气轻。 预设问题与应对。预设一：学生说热空气变轻了，说不出跟谁比。应对：追问一句是同一个袋子里的空气变轻了，还是同样大的一团热空气比冷空气轻，引导学生把话补完整。预设二：学生认为空气受热以后质量变少了。应对：结合第14课的称空气实验提醒学生，受热不会让空气减少，改变的是体积，同样多的空气占的地方变大了。预设三：学生把袋子升空理解为风吹上去的。应对：请学生观察教室里没有风、窗帘不动，而袋子照样升起来，说明动力来自热空气本身。预设四：有学生想自己动手点火加热。应对：明确本课所有热源都由教师操作，学生只能观察和记录，遇到热的器具要远离。预设五：学生认为热气球的球囊越大越容易飞。应对：引导学生想到球囊越大里面的空气越多，但成败的关键在于球囊里空气的温度是否足够高，只要足够热，小袋子也能飞起来。 变式训练：小明把一只薄塑料袋罩在取暖器上方，袋子很快鼓起来并向上飘；他把取暖器关掉以后，袋子又慢慢落回桌面。请你用受热、膨胀、变轻、上升这条因果链，把袋子的上升和下落各解释一遍。参考思路：取暖器打开时，袋内空气受热体积膨胀，同样多的热空气比外面的冷空气轻，热空气上升把袋子带起来；取暖器关掉后，袋内空气逐渐变凉，体积缩小，变得跟外面的空气差不多重，托不住袋子就落下来了。追问：如果把取暖器对着袋子再吹一会儿，袋子还会再飞起来吗？学生明确只要重新加热，袋子就能再次升空，说明关键条件是空气的温度。 【知识归纳】①热空气上升的过程是可以被看见的，纸螺旋转动、纸带向上飘动都是证据。②受热、膨胀、变轻、上升是一条完整的因果链，回答问题时要说全，不能只答最后一个词。③生活中很多装置都在利用这条因果链，例如烟囱、抽油烟机、暖气片和空调的位置安排。④这条因果链也是第16课风的形成的基础，热空气上升以后，周围的冷空气会补充过来。 【评价要点】达成科学思维目标：学生能把四个词排成正确的顺序并说出完整解释，达标证据是小组在黑板上排出的因果链顺序正确。达成态度责任目标：学生能自觉遵守热源由教师操作的规定，达标证据是实验过程中无人抢动热风装置、无人触摸出风口。教师在本环节做一次安全小结，请各组用一句话说说实验中最需要注意的安全事项。 环节四：迁移应用·课堂小结（约5分钟） 生活应用研讨：①热气球为什么能载着人和吊篮升空？它又是怎样降下来的？②孔明灯为什么能飘起来？为什么现在很多城市禁止在主城区放飞孔明灯？③冬天的暖气片为什么装在窗户下面的墙脚，而不是装在天花板上？④空调制冷时为什么装在房间上部？⑤烟囱和抽油烟机为什么都装在高处？教师引导学生用热空气上升这一句话统一解释这五个现象，并把关键的一句写进记录单。教师补充孔明灯的安全提示：孔明灯升空后方向无法控制，可能落到电线、树林和房屋上引起火灾，许多城市已经明令禁止在主城区放飞，我们要自觉遵守规定，也要提醒家人。【知识归纳】①空气受热后体积膨胀，同体积的热空气比同体积的冷空气轻，所以会上升，变凉以后又会下沉。②热气球、孔明灯、暖气片、空调、烟囱、抽油烟机都跟这条规律有关。【评价要点】达成态度责任目标：学生能说出两条以上使用热源的安全要求，达标证据是能主动提醒同伴不要触摸加热后的器具，并能说出孔明灯不能在主城区放飞的理由。 【课堂小结】这节课我们造出了一只小小的热气球，也看清了空气受热以后的三步变化：体积膨胀、同样体积比冷空气轻、向上流动。所以热气球能升空，孔明灯能飘起来，暖气片要装在低处才能让整个房间暖和，抽油烟机要装在高处才能把油烟抽走。要特别记住两件事：一是说变轻一定要说清是同体积的热空气和冷空气相比；二是孔明灯虽然好看，但它在主城区放飞会有落到电线和房屋上的火灾隐患，不能随意放飞。教师请学生看着板书把因果链完整地复述一遍，再同桌互相说一次，最后全班齐读。 【板书生成】板书分五步生成：先写课题热气球，左侧贴出升空理由榜的几条学生猜想，中间画向下罩着的塑料袋简图并标出鼓起来、升上去两个现象，右侧写受热、膨胀、变轻、上升四个词并用箭头连成一条链，下面写应用举例，即热气球、孔明灯、暖气片、空调、烟囱，最后在右下角用不同颜色的粉笔写上安全约定：热源教师操作，不玩火不触摸。教师边写边请学生报出因果链的四个词，板书上的箭头逐条由学生指认方向。 【当堂检测】一、选择题：关于热空气，下列说法正确的是（　）。A．空气受热后体积变小，所以会沉下去　B．同体积的热空气比同体积的冷空气轻，所以会上升　C．热空气上升是因为它被外面的风吹上去的　D．空气受热以后质量会变大。二、简答题：冬天，小明发现教室里的暖气片装在窗户下面的墙脚处，而空调却装在靠近天花板的高处。请你用空气受热上升的道理，分别解释这样安装的好处。 参考答案与解析：一、B。空气受热以后体积膨胀，同体积的热空气比同体积的冷空气轻，所以热空气会上升，A把变化说反了，热空气上升不是被风吹上去的，受热也不会让空气的质量变大，所以C和D不正确。二、暖气片加热周围的空气，热空气变轻后上升，冷空气从旁边流过来补充，房间里的空气就能循环起来，暖气片装在墙脚处，热空气可以从下往上把整个房间烘暖，效果最好；空调制冷时吹出的是冷空气，冷空气比较重会向下沉，空调装在高处，冷空气可以从上往下流动，房间降温更均匀，如果装在低处，冷空气会一直沉在下面，上面就凉不下来。 设计意图：本课把两个实验安排成同一因果链上的两次取证。塑料袋热气球提供的是整体现象，袋子鼓起来又升上去，学生一眼就能看见；纸螺旋提供的是流动细节，证明热空气确实在向上流动并推动物体。两个现象一粗一细互相支持，再配上纸带向上飘动的第三个佐证，学生建构受热、膨胀、变轻、上升的因果链就有了扎实的现象基础。 设计意图：本课评价紧扣难点。环节一评价学生能否提出可检验的猜想；环节二评价学生能否说出同样是变轻，谁和谁相比；环节三评价学生能否把四个词排成正确的顺序并说成完整的一句话；环节四评价学生能否用因果链解释暖气片、空调、抽油烟机等生活装置的安装位置，以及是否自觉遵守热源由教师操作的安全约定。当堂检测第一题考查概念准确性，第二题用真实情境考查因果链的迁移应用。
板书设计 热气球 升空理由榜：热气托上去？空气变轻了？空气变少了？ 实验一　塑料袋：受热鼓起，松手上升，变凉下落 实验二　纸螺旋：热源上方稳稳定转，说明热空气在向上流动 因果链　空气受热→体积膨胀→同体积比冷空气轻→上升 关键　说变轻，要说是同体积的热空气和冷空气相比 应用　热气球升降靠调节球囊内空气的冷热 应用　孔明灯升空；暖气片装低处；空调装高处 应用　烟囱排烟、抽油烟机装在高处 安全约定　热源由教师操作，不玩火，不触摸加热后的器具
作业布置 基础性作业：完成活动手册中本课的记录页，把受热、膨胀、变轻、上升四个词填进因果链的方框里，并用一句话把这条链说完整；再画一只热气球，用箭头标出球囊内空气受热上升的方向。 提升性作业：回家观察家中的暖气片、空调或者取暖器的位置，用今天学的道理解释它的安装位置，把现象和解释各写两句话，请家长听完后签上名字。 拓展性作业：查阅孔明灯的资料，了解它升空的原理和可能带来的火灾隐患，写一份六十个字左右的简短倡议，说说为什么不能在学校和居民区放飞孔明灯。
教学反思 塑料袋升空的场面很打动人，全班在袋子离开手掌的一瞬间自发鼓掌。让学生亲手感受袋子向上拽手的那一下，比任何讲解都更能让他们记住热空气上升这件事。 热源的准备是关键变量。第一次试教时暖风机的风量太大，是风把袋子吹上去的，科学性受到质疑。改进办法是把电热风枪调到低风量高温档，或者用暖风机并让袋口离开出风口二十厘米以上，避免把风的影响混进实验。 变轻的表述仍然是难点，约有一半学生只会说热空气轻。需要在板书上把同体积三个字用红粉笔单独框出来，并固定一句追问：跟什么一样多的冷空气比？反复使用几次以后学生就能养成说清比较对象的习惯。 纸螺旋容易因为悬挂偏斜而转得不稳，有个别学生误以为是不转。改进办法是课前用棉线从纸螺旋中心点穿过打结，并在讲台上先试转一遍；也可以准备两个纸螺旋作为备用，保证每组都能看到清楚的旋转现象。
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