资源简介

第20课　纳米材料（教学设计）
课题 纳米材料 课时安排 1课时
教材分析 本课是第五单元“材料的演变”的收束课，也是全册教材的最后一课，把学生的目光引向前沿科技。教材从荷叶上滚动的晶莹水珠出发，先让学生建立对“纳米”这个极小长度单位的量感——纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，纳米材料的尺度大约在1至100纳米，只有用电子显微镜才能看清它的结构；再通过荷叶效应认识纳米材料防水防污的特殊性能，并拓展到更坚固更轻、抗菌、表面积大等特性；最后列举自清洁玻璃、纳米涂层衣物、纳米药物载体、纳米防晒霜、纳米级芯片等应用，让学生感受技术改变了人们的生产和生活。 本课对应《义务教育科学课程标准（2022年版）》核心概念12“技术、工程与社会”中学习内容12.2“技术与工程改变了人们的生产和生活”和12.3“科学、技术、工程相互影响与促进”的3~4年级内容要求，包括“举例说出生活中常见的科技产品给人类生活带来的变化”“知道科学、技术和工程之间存在相互影响、相互促进的关系”。教学中要让学生认识到纳米技术是当今世界的前沿科技，我国在纳米科技研究方面处于国际前列。本课还渗透跨学科概念“结构与功能”与“稳定与变化”。 与旧版教材相比，2024版把纳米材料从“科普介绍”升级为“观察现象—揭示结构—辨别信息”的探究过程，新增了荷叶效应的观察实验和对纳米广告的理性辨析。本课承接第17至19课关于材料来源、性能与演变的完整认识，把“材料会演变”这一单元主线推向未来，同时为四年级继续学习物质性质、为专项学习“像工程师那样”用材料解决真实问题打下兴趣与观念的基础，也是全册科学学习的收束与升华。
核心 素养目标 科学观念：知道纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，纳米材料的尺度大约在1至100纳米；知道纳米材料因为尺度极小而具有与原来不同的特殊性能，如防水防污、更坚固更轻、抗菌、表面积大。 科学思维：能借助荷叶效应把“表面微小的凸起结构”与“水珠滚落不沾污”联系起来，初步体会结构与功能的关系；能对纳米广告的说法提出疑问并用证据判断，发展批判性思维。 探究实践：能规范完成水滴在荷叶（或仿荷叶材料）上滚动的观察实验，会用放大镜观察叶面并与普通布片做对比，能阅读资料卡提取关键信息并与同伴分享。 态度责任：感受纳米科技的魅力与我国纳米研究的成就，对前沿科技保持好奇与向往；知道新技术需要经过充分的科学评估，不盲目相信夸大的宣传，形成重证据、讲理性的科学态度。
重点 和难点 教学重点：知道纳米与纳米材料的基本含义，通过荷叶效应等实例感受纳米材料防水防污等特殊性能，能举出至少三种纳米材料的应用。 教学难点：建立对“纳米之小”的量感，初步理解“尺度小到纳米级，材料就会表现出与原来不同的特殊性质”。突破策略：用“从米到纳米”的缩放动画配合同步类比，把1米比作地球、1纳米比作一颗玻璃弹珠，再让学生用手比划、用自己的话形容；用普通布片洇湿、荷叶水珠成球滚落带走灰尘的对比实验，把看不见的尺度变成看得见的现象。
教学过程
教学环节 教学活动 设计意图
导入新课 教师拿出一片新鲜荷叶（或用仿荷叶自清洁布片），用滴管在叶面上滴一滴水。水珠在叶面上滚来滚去，像一颗晶莹的珠子，叶面上一星水渍也不留。学生发出惊叹，教师请一名学生上台轻轻晃动荷叶，水珠滚得更快，还把叶面上的少许灰尘带走了。 教师接着把同一滴水滴在普通纸片上，水立刻洇开一大片。教师提问：“同样是水，为什么在荷叶上站不住脚，在纸上却马上散开？”学生纷纷猜测：荷叶太滑了、荷叶上有一层蜡、荷叶表面很特殊。 教师揭示课题：“荷叶的秘密藏在纳米级的小结构里。这节课我们一起认识神奇的纳米材料，看看尺子最小能小到什么程度。”学生带着“纳米到底有多小”“荷叶为什么不怕水”两个问题进入探究。 荷叶滴水现象神奇、安全、现象明显，水珠滚落带走灰尘的细节极具吸引力，学生想立刻知道“为什么”，探究动机被充分调动；与纸片滴水的对比凸显“表面结构不同、表现就不同”，为后面揭示荷叶表面的微小凸起、渗透结构与功能的跨学科概念埋下伏笔，达成科学观念目标。 教师把学生的猜想如实记录在黑板上，不做评判，学生感受到科学探究从猜想开始的从容；两个核心问题“纳米到底有多小”“荷叶为什么不怕水”为整节课的两大板块定向，达成科学思维与探究实践目标。
讲授新课 【总起】本课以“现象—尺度—结构—应用”为主线，按“制造悬念—建立量感—探秘结构—迁移辨析”四步推进。先让学生看荷叶上滚动的晶莹水珠，用与纸片滴水的对比制造认知冲突；再用缩放动画与生活类比建立对纳米尺度的量感，让学生自己形容纳米有多小；然后用亲手滴水与放大镜观察揭开荷叶效应的秘密，认识纳米材料的特殊性能与应用；最后畅想未来材料、辨别纳米广告，把科学的理性与想象的热情一起带出课堂。 环节一：情境导入·聚焦问题（约7分钟） 教师举起一片新鲜荷叶（或仿荷叶自清洁布片），用滴管在叶面上滴一滴水。水珠停不住脚，在叶面上滚来滚去，像一颗晶莹的小珠子，叶面上一星水渍也不留。教师请一名学生上台轻轻晃动荷叶，水珠滚得更快，还带走了叶面上的少许灰尘。接着教师把同一滴水滴在普通纸片上，水立刻洇开一大片。教师把荷叶和纸片并排举高，请全班观察对比。 师：同样是一滴水，为什么在荷叶上变成水珠滚来滚去，在纸上却马上散开？生（预设）：因为荷叶表面太滑了，水停不住；因为荷叶上有一层像蜡一样的东西。师：追问，纸的表面粗糙，水一下子就渗进去；荷叶的表面如果只是光滑，水珠为什么还能把灰尘带走？生（预设）：说明荷叶表面不只是一层光滑的东西，可能有一种很特别的结构。师：再追问，要想知道这个结构到底长什么样，我们用什么办法？生（预设）：用放大镜看看叶面，或者查资料、看显微镜拍的图片。 全班分成六人小组，每组领一份探究材料：新鲜荷叶一片（或仿荷叶布片一块）、普通棉布片一块、滴管一支、盛清水的烧杯一个、放大镜两把、少许泥土或面粉（模拟灰尘）、观察记录单一张、抹布一块。分工：组长统筹，材料员取放，操作员负责滴水，记录员填写记录单，安全员负责桌面清洁，汇报员准备发言。教师提示：荷叶不要撕破，水滴不要洒到桌面外边，随时用抹布擦干，防止滑倒。 【知识归纳】①荷叶上的水珠不会散开，能滚来滚去，还能带走灰尘；普通布片和纸片上的水会洇开、渗进去。②同样一滴水出现不同表现，说明两种表面的结构不一样。③研究看不见的原因，可以从看得见的现象出发，用观察、对比、查资料的方法一步步揭开。 【评价要点】达成科学观念与探究实践目标：能准确描述水珠在荷叶上与在布片上的不同表现，能提出至少一个可以用观察或资料回答的问题。达标证据是小组记录单“看到的现象”一栏写清两条对比，并在小组内说出自己最想弄清的一个问题。 环节二：探究实践一·纳米有多小，建立量感（约10分钟） 教师播放“从米到纳米”的缩放动画：从1米（教室里的课桌宽度）缩到1毫米（一粒米），再缩到1微米（头发丝直径的几十分之一），最后缩到1纳米。教师板书：纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，也就是1米等于10亿纳米；纳米材料的尺度大约在1至100纳米。为了让学生建立量感，教师给出两个类比：如果把1米放大成地球那么大，1纳米就只有一颗玻璃弹珠那么小；如果把一根头发丝横着切开，大约要切上十万份，才能得到1纳米那么宽。请学生用手比划，并用自己的话说一说“纳米到底有多小”。 师：1纳米等于十亿分之一米，你能用自己的话形容一下它有多小吗？生（预设）：就是把1米切成十亿份，取其中的一份，小得根本看不见；就是头发丝的十万分之一那么细。师：追问，这么小的东西，我们能用教室里的放大镜看清它的结构吗？生（预设）：不能，放大镜只能放大几倍到几十倍，纳米太小了，要用专门的电子显微镜才能看清楚。师：再追问，为什么科学家要把材料做到这么小？小到纳米级有什么特别的好处？生（预设）：可能太小了会有新的性质；表面会变得很大，能吸附很多东西。 【知识归纳】①纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，1米等于10亿纳米。②纳米材料的尺度大约在1至100纳米，用普通放大镜看不清它的结构，要借助电子显微镜。③尺度小到纳米级，材料往往会表现出与原来完全不同的特殊性质，这是纳米材料最大的特点。 【评价要点】达成科学观念目标：能准确说出纳米是长度单位、1纳米等于十亿分之一米、纳米材料尺度约为1至100纳米，并能用自己的话形容纳米之小。达标证据是学生口述的量感描述与记录单上填写的纳米定义，允许用比喻，只要体现极小即可。 环节三：探究实践二·荷叶探秘，认识纳米材料的特殊性能（约15分钟） 实验：水珠在荷叶上跳舞。材料：新鲜荷叶一片、普通棉布片一块、滴管、清水、少量泥土或面粉、放大镜、观察记录单。操作步骤：①在荷叶上滴一滴水，用滴管轻轻推动水珠，观察它是散开还是成球滚动；②在普通棉布片上滴同样一滴水，观察水痕扩散的情况；③在荷叶表面撒少许泥土或面粉，再滴水，观察水珠滚动时是否把灰尘带走，叶面是否保持干净；④用放大镜观察荷叶表面，看一看有没有可以看出的细小结构。记录单样式：表面材料—水珠形状—是否渗入—是否带走灰尘—放大镜下的发现。样例数据：荷叶，水珠成球、能滚动，不渗入，能带走灰尘，放大镜下看到表面有细密的颗粒状起伏；棉布片，水立刻洇开一大片，渗入布中，不能带走灰尘，放大镜下看到一根根纤维。操作提示：荷叶需平放，不要用手反复触摸叶面，以免破坏表面结构；每组至少重复两次，现象一致后再作结论。 教师结合荷叶表面的电子显微镜放大图讲解：荷叶表面布满许多肉眼看不见的纳米级微小凸起，水珠落上去只能踩在极小的尖端上，站不稳，于是缩成球形滚走，滚动时顺手把灰尘带走，这就是荷叶效应。科学家模仿荷叶表面的这种微小结构，造出了防水防污的纳米涂层，用在雨伞、衣服、玻璃上。纳米材料还有更多特殊性能：因为结构致密，可以做得更坚固更轻，例如碳纳米管、纳米陶瓷刀具；纳米银具有抗菌作用，用在口罩和冰箱内胆上；纳米材料表面积很大，吸附能力和催化能力强，可以做纳米催化剂、净化水的吸附材料。 教师出示纳米材料应用资料卡，请各小组任选一张阅读并用“因为……所以……”的句式向全班介绍：①自清洁玻璃幕墙，表面有纳米涂层，雨水一冲就能带走灰尘，高楼不用经常擦洗；②纳米涂层衬衫，水渍和油渍不易渗入，不易沾污；③纳米药物载体，能把药物送到身体里指定的部位，减少对健康细胞的影响；④纳米防晒霜，涂在皮肤上几乎透明，却能挡住紫外线；⑤纳米级芯片制造，让手机和电脑速度更快、体积更小。教师补充常识：“纳米”一词来自希腊语，原意是侏儒，意思是非常小；纳米技术是当今世界的前沿科技，我国在纳米科技研究方面处于国际前列。 师：荷叶片上什么也看不见，为什么水珠却站不住脚？生（预设）：因为荷叶表面有纳米级的微小凸起，凸起很小很多，水珠踩在上面接触的地方少，就缩成球滚走了。师：追问，人们从荷叶身上学到了什么本领？生（预设）：模仿荷叶表面的微小结构，做出了能防水防污的纳米涂层，用在雨伞、衣服和玻璃上。师：再追问，纳米材料除了防水防污，还有哪些本领？生（预设）：更坚固更轻，可以做碳纳米管和纳米陶瓷刀具；能抗菌，可以做纳米银口罩；表面积大，能做催化剂和吸附材料净化水。 预设问题与应对一：学生以为“纳米”是一种很厉害的米或者一种材料名称。应对：回到板书，强调纳米首先是长度单位，就像米、厘米一样；纳米材料是指尺度在1至100纳米之间的材料，两者不是一回事。预设问题与应对二：学生认为荷叶不沾水是因为上面有油或蜡，洗一洗就不灵了。应对：准备一片用洗洁精洗过的荷叶做对比演示，洗过的荷叶水珠会塌下去，帮助学生认识到起关键作用的是表面的微小凸起结构，而不是油污。预设问题与应对三：学生看到广告就认为带“纳米”两个字的商品一定高级。应对：把“纳米鞋垫包治百病”“纳米杯子永葆健康”两条广告摆在小组面前，追问“它凭什么能做到”“有没有权威机构的证据”，引导学生形成先问证据、再作判断的习惯。 变式训练1道：小明的妈妈想买一把“纳米抗菌菜刀”，广告上写着“切菜不沾、永不生锈、还能杀灭一切细菌”。请你用今天学到的知识，说说这条广告里哪些说法比较可信，哪些说法需要打个问号。参考要点：纳米涂层让刀具表面不易沾附、便于清洁，这类说法有科学依据，比较可信；但“杀灭一切细菌”说法太绝对，纳米银等材料有抗菌作用，并不等于能杀灭所有细菌，需要看专业机构的检测数据；同时还要看这把刀是否真用了纳米技术，不能只看名字里有纳米两个字。 【知识归纳】①荷叶表面有纳米级的微小凸起，水珠站不住脚就缩成球滚走，滚动时带走灰尘，这就是荷叶效应。②模仿荷叶表面的结构，人们造出了防水防污的纳米涂层，用于雨伞、衣服、玻璃。③纳米材料的特殊性能还包括：更坚固更轻（碳纳米管、纳米陶瓷刀具）、抗菌（纳米银用于口罩和冰箱内胆）、表面积大（纳米催化剂、吸附材料用于净化水）。④纳米材料的奇特性能来自它极小的尺度，尺度变了，性质也会跟着变。 【评价要点】达成科学观念与科学思维目标：能完整说出荷叶与水珠的关系，能举出至少三种纳米材料的应用并说明用到了什么性能；能对一则广告提出至少一个需要证据支持的地方。达标证据是小组的观察记录单、应用资料卡的口头介绍，以及广告辨析中的口头判断与理由。 环节四：全册总结·科学梦想起航（约6分钟） 教师出示两组图片：一组是我国纳米科技研究的相关成果与应用场景，另一组是日常生活中已经用上纳米技术的物品，如自清洁玻璃幕墙、抗菌冰箱内胆、免烫衬衫、纳米防晒霜。教师介绍：纳米技术是当今世界的前沿科技，我国在纳米科技研究方面处于国际前列，很多成果已经走进百姓生活。教师请学生用“因为有了……所以……”的句式，说一说技术给生活带来了哪些变化，并提示客观看待新技术：新材料的便利是真实的，但不能把纳米当成包治百病的万灵药，新技术要经过充分的科学评估才能放心使用。 教师布置畅想任务：“如果你是纳米科学家，你想发明什么纳米材料来解决什么问题？”学生先在小组内说一说，再派代表分享，例如想让校服永不沾污、想让马路自己变干净、想让创可贴能自动杀菌、想让海水更容易变成淡水。教师请同伴追问“它凭什么能做到”“难点在哪里”，引导学生把想象建立在已有性能的基础上，想象也要讲科学道理。 教师引导学生辨析广告：出示“纳米鞋垫包治百病”“纳米杯子永葆健康”“纳米水杯能软化血管”三条宣传语，请小组讨论可信吗、为什么。学生发现这些说法夸大其词、缺乏证据，把纳米概念当成噱头。教师小结：科学讲证据，广告常常只说好处不说条件；遇到带“纳米”字样的商品，先问一句“有没有权威检测和真实数据”，再决定信不信。这就是科学态度，也是对自己和家人负责。 【课堂小结】这节课我们从荷叶上的一滴水出发，知道了纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，纳米材料的尺度大约在1至100纳米；弄清了荷叶效应的原因，认识了纳米材料防水防污、更坚固更轻、抗菌、表面积大等特殊性能；还学会了辨别纳米广告。【板书生成】按“课题—尺度—现象—原理—应用—态度”的顺序逐步生成板书：先写课题“纳米材料”；再写纳米的定义与量感类比；接着写荷叶效应从微小凸起到水珠滚落的三步；然后填上纳米材料的特殊性能与典型应用；最后写上“讲证据、多查证”与“未来材料，由你创造”，由学生说、教师写。【知识归纳】①纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，纳米材料的尺度大约在1至100纳米。②纳米材料的特殊性能来自它极小的尺度，如防水防污、更坚固更轻、抗菌、表面积大。③新技术要讲证据、多查证，不盲目轻信宣传。【评价要点】达成态度责任目标：能客观看待纳米技术，能对夸大宣传提出至少一条质疑。达标证据是广告辨析中的口头判断与小组内表达的一致性。 【当堂检测】1.选择题：下列关于纳米和纳米材料的说法，正确的是（　）。A.纳米是一种很特殊的米　B.1纳米等于十亿分之一米，纳米材料的尺度大约在1至100纳米　C.用放大镜就能看清纳米材料的结构　D.只要商品名字里有纳米两个字，就一定非常高科技。2.材料分析题：小明看到一则广告：“本产品采用纳米技术，能自动清洁、杀菌消毒、预防所有疾病。”请你用本课学到的知识，判断这则广告哪些内容需要进一步查证，并说说遇到这类宣传应该怎样做，再举出两个纳米材料在生活中的真实应用。 参考答案与解析：1.选B。纳米是长度单位，不是一种米；1纳米等于十亿分之一米，纳米材料的尺度大约在1至100纳米；纳米尺度极小，普通放大镜看不清，要借助电子显微镜；商品名字里有纳米字样并不等于真的用了纳米技术，更不能凭名字判断科技含量。2.这则广告中“自动清洁”尚有可能，若产品表面有纳米涂层，可以让污渍不易附着；但“杀菌消毒、预防所有疾病”说法过于夸大，需要权威机构的检测数据和专业依据，不能轻信。遇到这类宣传应先问有没有权威证据，查证后再决定是否购买，也可以请家长咨询专业人士。纳米材料在生活中的真实应用举例：自清洁玻璃、纳米抗菌口罩、纳米防晒霜、纳米涂层防污衣物、纳米药物载体等，写出两种即可。 本课以“现象—尺度—结构—应用”为主线，四个环节分别承担“制造悬念—建立量感—探秘结构—迁移辨析”的任务。环节一用荷叶滴水与纸片滴水对比制造认知冲突；环节二用缩放动画与生活类比建立对纳米尺度的量感，并让学生自己形容纳米有多小，达成科学观念目标。 环节三是本课重心，先让学生亲手在荷叶上滴水、用放大镜观察叶面，再揭示荷叶表面微小凸起使水珠站不住脚、滚落时带走灰尘的荷叶效应，进而认识纳米材料更坚固更轻、抗菌、表面积大的特殊性能与应用，达成科学观念与科学思维目标；环节四在此基础上畅想未来材料、辨别纳米广告，达成态度责任目标。 评价以实验观察记录单、资料卡信息提取、广告辨析判断为主要证据。教师重点关注学生能否把“微小结构”与“特殊表现”联系起来，能否对未经证实的宣传提出疑问，而不必要求学生掌握任何微观机理的抽象解释。
板书设计 纳米材料 纳米：长度单位，1纳米＝十亿分之一米，1米＝10亿纳米 纳米材料：尺度约1至100纳米，要用电子显微镜才能看清结构 量感类比：1米像地球那么大，1纳米只有一颗玻璃弹珠那么小 荷叶效应：叶面微小凸起→水珠站不住脚→缩成球滚落→带走灰尘 纳米材料的特殊性能：防水防污、更坚固更轻、抗菌、表面积大 应用：自清洁玻璃、防污衬衫、纳米药物载体、纳米防晒霜、纳米级芯片 我国纳米科技研究处于国际前列 科学态度：新技术要讲证据，广告别轻信，遇事多查证 未来材料，由你创造
作业布置 基础性作业：完成活动手册“纳米材料”知识页，写出纳米是什么单位、1纳米等于多少米、纳米材料的尺度范围，并用一句话说明荷叶效应的原因。 提升性作业：阅读一张纳米材料应用的资料卡（自清洁玻璃、纳米抗菌口罩、纳米防晒霜任选其一），用“因为这种材料……所以能……”的句式，向家人介绍它的原理和用途。 拓展性作业：和家长一起寻找家中或小区里可能用到纳米技术的物品，例如自清洁玻璃、抗菌冰箱内胆、免烫衬衫，拍照或画图记录一到两件，并写一句自己的判断理由。
教学反思 预设问题：学生对纳米之小缺乏真实感受，容易把它当成一种神奇的粉末或一种材料名称。改进设想：除了缩放动画和地球弹珠类比，再补一条身体类比——如果把一根头发丝横着切开，大约要切十万份才能得到1纳米那么宽，让学生用“切头发”的动作把数字变成可想象的画面。 学生真实困难：荷叶效应的原因涉及微观结构，学生容易说成“荷叶上有油所以滑”。改进设想：准备一片用洗洁精洗过的荷叶与一片新鲜荷叶做对比，洗过的荷叶水珠会塌下去，帮助学生认识到起作用的是叶面的微小凸起结构而不是油污，坚持先看现象、再揭结构的顺序。 材料准备问题：新鲜荷叶季节性强、不易保存，仿荷叶布片效果稍逊。改进设想：提前采购荷叶冷藏保存，同时准备仿荷叶自清洁布片作为备用；如条件允许，增加一段荷叶表面电子显微镜放大图或慢镜头视频，弥补实物观察的不足。 评价跟进问题：畅想未来材料时，个别学生的想法脱离科学依据，比如“纳米房子能自己变大”。改进设想：给出句式支架“我想发明一种……的纳米材料，用来解决……的问题，因为它能……”，并请小组同伴追问“它凭什么能做到”，引导想象建立在已有性能基础上，保护热情的同时守住科学性。
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