資源簡介

2022年新蘇教版科學五年級下冊教材分析
第二單元 仿生
單元設計意圖
1.本單元主題的提出
人們發現，植物和動物在幾百萬年的自然進化當中不僅適應了自然，而且其程度接近完美。仿生學就是試圖在技術方面模仿動物和植物在自然中的功能和行為，創造出一系列滿足人類需求的產品，它是科學與技術相結合的一個重要領域。尤其是在各科學領域和技術快速發展的今天，仿生學的研究和應用得到了極大的關注和蓬勃的發展。它理應成為學生學習的內容。
學生雖然并不了解仿生的概念，但對仿生的應用并不陌生，他們在生活中知道和使用過多種仿生物品，對這一領域充滿好奇。本單元的設計就是從實際事例出發，幫助學生了解生物和仿生物品之間的聯系，體會仿生學的思維和方法，從而激發學生的學習興趣，發展學生的創造性思維，同時幫助學生理解仿生概念，提升知識應用能力。
對兒童來說，仿生概念的建立是一個漸進的過程。本單元所設計的學習內容，是學生在整個小學階段科學課程中對工程和機械設計的再一次體驗和更深入的研究，意在加強學生對工程和機械領域的認知和應用能力，為接下來更高層次的理解和應用打下基礎。
2.本單元對《課程標準》的落實
(1)本單元通過一系列觀察、探究、設計等活動，落實《課程標準》高年段的課程目標。
科學知識：
認識人類與自然資源和能源的關系。
了解技術是人們改造周圍環境的方法，是人類能力的延伸，工程是依據科學原理設計和制造物品、解決技術應用的難題、創造豐富多彩的人工世界的一系列活動；了解科學技術推動著人類社會的發展和文明進程。
科學探究：
能基于所學的知識，通過觀察、實驗、查閱資料、調查、案例分析等方式獲取事物的信息。
能基于所學的知識，運用分析、比較、推理、概括等方法得出科學探究的結論，判斷結論與假設是否一致。
能基于所學的知識，采用不同的表述方式，如科學小論文、調查報告等方式，呈現探究的過程與結論；能基于證據質疑并評價別人的探究報告。
能對探究活動進行過程性反思，及時調整，并對探究活動進行總結性評價，完善探究報告。
科學態度：
表現出對事物的結構、功能、變化及相互關系進行科學探究的興趣。
能大膽質疑，從不同視角提出研究思路，采用新的方法、利用新的材料，完成探究、設計與制作，培養創新精神。
科學、技術、社會與環境：
了解人類的好奇和社會的需求是科學技術發展的動力，技術的發展和應用影響著社會發展。
(2)本單元學習內容基于《課程標準》課程內容中“技術與工程領域”的高年段要求。
17.1技術發明通常蘊含著一定的科學原理。
知道很多發明可以在自然界找到原型，能夠說出工程師利用科學原理發明創造的實例。
18.2工程的關鍵是設計。
利用攝影、錄像、文字與圖案、繪圖或實物，表達自己的創意與構想。
將自己簡單的創意轉化為模型或實物。
根據現實的需要設計簡單器具、生產物品或完成任務。
3.本單元在整套教材中與其他單元的關系
4.本單元次級主題的構成及邏輯關系
本單元由《生物的啟示》《蛋殼與薄殼結構》《海豚與聲吶》《我們來仿生》四課組成，這四課之間是總—分—總的邏輯關系。
第一課是“總”，向學生介紹仿生的概念；第二、三課是“分”，從具體案例探究中體會仿生的方法和價值，其中，第二課是蛋殼與薄殼結構的案例探究，第三課是海豚與聲吶的案例探究；第四課是“總”，為學生創建仿生設計的平臺，讓學生在吸收本單元知識的基礎上融合內化成自身的知識應用能力。
單元教學目標
通過案例分析仿生現象，了解仿生的含義，認識常見的仿生制品。
能借助閱讀、討論、探究、游戲等多種方式，解釋生物的形態、結構、功能、活動方式的特點。
知道很多發明的原型來自自然界，對仿生設計產生興趣。
單元活動框架
課時建議
序號 課題 課時
1 生物的啟示 1
2 蛋殼與薄殼結構 1
3 海豚與聲吶 1
4 我們來仿生 1
總課時 4
第5課 生物的啟示
1.教學內容
本課在生物和仿生制品之間建立關聯，按照學生認知的邏輯順序逐漸深入地安排了三部分內容。
第一部分是找物品設計與動植物形態結構的相似之處，讓學生對比幾組圖片，了解生活中的一些物品是人們受動植物形態結構的啟示設計出來的，并讓學生說說身邊更多這樣的案例。
第二部分是對蜂巢形狀特征的研究，其中包括三個活動。活動一是閱讀資料，了解蜂巢猜想；活動二是通過幾種蜂巢形狀的對比，讓學生意識到正六邊形蜂巢結構的優勢所在，并從平面拓展到不同立體結構抗壓能力的認識；活動三是交流生活中具有蜂巢結構的物體，以及它們的優點。
第三部分是關注仿生產品與仿生對象的關系，即船舶的設計從魚類身上獲得的啟示。通過觀察和交流，找出魚和船各部分存在的對應關系，分析它們在結構和功能上的相似之處，加深對仿生概念的理解。
拓展學習內容是鼓勵學生調查了解：人們在設計飛機時從鳥類身上獲得了哪些發明創造的啟示。
2.教學目標
認識不同的仿生現象，意識到人類的很多發明創造可以在自然界找到原型。
能多角度探究蜂巢結構的特點，知道蜂巢結構在生活中的應用。
對仿生設計產生探究的興趣。
3.重點與難點
重點：認識不同的仿生現象。
難點：多角度探究蜂巢結構的特點。
4.教學準備
教師材料：各種蜂巢結構、魚身體的圖片和視頻。
學生分組材料：A4紙、記錄單。
第6課 蛋殼與薄殼結構
1.教學內容
本課從關注蛋殼的結構特征到認識其抗壓能力，并以建筑上常用的拱結構為橋梁，發展到認識與蛋殼相似的薄殼結構。本課教學內容分三部分。
第一部分，研究雞蛋殼的形狀特點。這里包括兩個活動：一是指導學生觀察并描述蛋殼的特點，激發他們的學習興趣；二是研究蛋殼的精妙之處，通過試著握碎雞蛋、戳破蛋殼、用蛋殼承載重物，發現蛋殼抗壓能力的優勢。
第二部分，觀察比較蛋殼和拱的外形，認識拱形建筑和建筑上的拱結構，并通過測試拱的承重能力，發現拱也具有抗壓能力強的特點。
第三部分，通過閱讀了解人們受蛋殼的啟示發明了薄殼結構，并在建筑等領域廣泛應用。
2.教學目標
嘗試用握、戳、承重等方式破壞蛋殼，直觀感受蛋殼的穩固。
對比蛋殼和拱形，找出兩者之間的關聯。
通過承重對比實驗，知道拱橋的承重能力大于平橋。
了解拱結構、薄殼結構在建筑等領域的應用。
3.重點與難點
重點：研究蛋殼和拱的承重能力。
難點：研究拱的承重能力。
4.教學準備
教師材料：拱形建筑、薄殼建筑的視頻或圖片等。
學生分組材料：完好的雞蛋、蛋殼、鉛筆、平板、塑料瓶蓋、A4卡紙等。
第7課 海豚與聲吶
1.教學內容
本課關注的是仿生學中的一個典型案例：海豚與聲吶，即科學家從海豚在海里游動和捕食的行為得到啟發，發明了聲吶。如果說蛋殼與薄殼結構是結構上的相似，那么，海豚與聲吶則是工作原理上的相似。本課教學內容分三部分。
第一部分，通過了解科學家所做的海豚游動的實驗，知道海豚游動和捕食時離不開嘴巴和耳朵。
第二部分，做模擬海豚游動和捕食的游戲，感受海豚利用嘴巴和耳朵捕食的情況，了解海豚游動躲避障礙物和捕食的過程。
第三部分，通過閱讀了解海豚探路的原理，以及聲吶、B超、雷達的工作原理。說明海豚、聲吶、B超利用的是回聲定位，而雷達利用的是無線電波的反射來發現目標、跟蹤目標，它們的原理相同。
2.教學目標
知道什么是超聲波，了解超聲波回聲定位和無線電波反射定位的原理。
通過閱讀和對比，發現海豚探路、聲吶、B超、雷達的工作原理。
在“海豚捉魚”的游戲活動中，進一步認識模擬活動的特點。
分工合作，提升團隊合作意識。
3.重點與難點
重點：了解海豚活動以及捕食的工作原理。
難點：團隊合作，完成游戲。
4.教學準備
教師材料：相關視頻和圖片。
學生分組材料：游戲頭飾。
第8課 我們來仿生
1.教學內容
在前幾課學習的基礎上，通過仿生學習和仿生實踐，指導學生學以致用，嘗試模仿一種生物的形態、結構或功能，設計一種產品。
第一部分是通過用眼觀察、動腦思考、動手制作等多種形式，研究手臂的結構和功能。這是本課的重點內容，先了解自己的手臂是如何動作的，再與假肢手臂進行比較，發現兩者在結構和功能方面的相似之處，最后自己動手做一只手臂模型。
第二部分做“保護色”游戲。讓學生發現自然界的有些小動物，用其自身與周圍環境融為一體的顏色來保護自己，從而理解各種迷彩服的設計是為了與環境融為一體，避免被發現。
第三部分是閱讀，了解六足機器人的仿生案例。
第四部分提出錐形瓶與燒瓶清洗問題，介紹了一種有創意的仿生設計。
第五部分是親自動手設計仿生物品。在前面的鋪墊和模擬練習的基礎上，鼓勵學生嘗試設計仿生用品。
2.教學目標
能按要求制作手臂的結構模型。
通過閱讀資料和分析，了解一些生活中的仿生產品。
發揮團隊合作意識，共同完成游戲任務。
嘗試進行仿生設計。
3.重點與難點
重點：通過對仿生產品的了解和分析，嘗試進行仿生產品的設計。
難點：設計仿生產品。
4.教學準備
教師材料：課件。
學生分組材料：制作手臂的寬窄卡紙、鉚釘、線、膠帶、小動物卡片。
參考資料
蜂巢的結構
蜂巢的內部結構稱為蜂房，蜂房由一系列以蜂蠟制作，緊密排列的六角柱體蜂室組成，這種六角形所排列而成的結構叫作蜂窩結構。蜂窩結構達到了建筑材料最省、容積最大、堅固性最強和最有效地利用空間的完美程度。
蜂巢是嚴格的六角柱體。它的一端是六角形開口，另一端則是封閉的六角棱錐體的底，由三個相同的菱形組成。18世紀初，法國學者馬拉爾奇曾經專門測量過大量蜂巢的尺寸，令他感到十分驚訝的是，這些蜂巢組成底盤的菱形的所有鈍角都是109°28′，所有銳角都是70°32′。后來法國數學家克尼格和蘇格蘭數學家馬克洛林經過理論計算，發現如果要消耗最少的材料，制成最大的菱形容器，正是這個角度。從這個意義上說，蜜蜂稱得上是“天才的數學家兼設計師”。
雞蛋的相關知識
蛋殼對壓力的承受力是驚人的。在中國雜技佳作中，不僅有人踩雞蛋的節目，更有提起兩桶水踩蛋的精彩表演。這是利用蛋殼承壓能力的一個極好的例子。蛋不僅是整個生物界最大的單體細胞，以現代技術和工程知識系統的眼光來看，它還是一個將工程學、建筑學、防衛戰略、保存能量和使空間利用達到最佳化等完美結合于一身的大自然的絕妙之作。應該說，樸實無華的一枚蛋綜合了人類只是在其文明進程的后來階段才認識并加以應用的概念。蛋利用了拱頂的原理，由于所需要的作用不同，蛋殼對拉力和壓力有著不同的承受力。蛋殼雖然是絕緣材料，但又能讓空氣和濕氣透過。在僅僅數厘米大的微小空間內囊括了多項先進技術。
我們的觀察首先從雞蛋，特別是從蛋殼開始。蛋殼是由94%的碳酸鈣(以方解石晶體的形式)、1%的碳酸鎂、1%的磷酸鈣和4%的蛋白質構成的。方解石晶體基本上是隨意排列的，因此晶體之間形成了許許多多的小孔，這些蛋孔可以讓空氣和濕氣通過，而空氣和濕氣對于雛雞，當然還有細菌(比如沙門氏菌)的生存來說是必不可少的。
方解石晶體的排列賦予了蛋殼與其作用相稱的一個完美的結構，也就是它能夠抗較大的壓力，但抗拉力則相對較弱。這樣，如果通過兩個凸出的頂端對蛋殼施加力，那么雞蛋抗壓力就顯得很強，這也是由它們的拱形結構的力學特性決定的，拱形結構使圓屋頂和拱形物能夠承受巨大的重量。在這種狀態下，壓力沿拱形結構(也就是沿蛋壁)分布，而不會使結構斷裂。而蛋殼又必須是易碎的，這樣雛雞只用微弱的力就能破殼而出。雛雞用嘴向外用力，從蛋殼內部看呈凹形的頂部很容易碎裂，因為它的抗拉力很弱。
一個絕妙的以氣室(類似一種安全氣囊)和卵帶(兩根纏繞在一起的筋把蛋黃固定住)為基礎的彈性——氣動系統可確保蛋黃位于蛋的中心位置。
薄殼結構
薄殼結構是建筑學上的術語。薄殼是一種曲面構件，主要以沿厚度均勻分布的中面應力而不是以沿厚度變化的彎曲應力來承受外力。薄殼結構就是曲面的薄壁結構，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，材料大都采用鋼筋和混凝土。
一個人握住一個雞蛋使勁地捏，也不容易把雞蛋捏碎。薄薄的蛋殼之所以能承受這么大的壓力，是因為它能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個部分。建筑師根據薄殼結構的特點，設計出許多既輕便又省料的建筑。人民大會堂、北京火車站以及其他很多著名建筑，屋頂都采用了薄殼結構。
早在2000多年前，人們通過蛋殼、龜殼等創造出殼體結構，利用抗壓性能強、抗拉性能弱的石料等建造殼形屋蓋，主要用作宗教活動的場所，這些屋頂的跨度都不大，一般為30~40米，厚度較厚。在20世紀初，隨著鋼筋混凝土的出現，加快了薄殼結構的發展。
聲吶
聲吶的全稱為“聲音導航與測距儀”，是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉換和信息處理，完成水下探測和通信任務的電子設備。它有主動式和被動式兩種類型，屬于聲學定位的范疇。
由于電磁波在水中衰減的速率非常高，無法作為偵測的信號來源，因此以聲波探測水面下的人造物體成為運用最廣泛的手段。無論是潛艇或水面船只，都利用這項技術的衍生系統，探測水底的物體，或者以其作為導航的依據。
聲吶技術迄今已有100多年歷史，1906年由英國海軍劉易斯·尼克森發明。他發明的第一部聲吶儀是一種被動式的聆聽裝置，主要用來偵測冰山。這種技術第一次世界大戰時被應用到戰場上，用來偵測藏在水底的潛艇。
聲吶是各國海軍進行水下監視使用的主要技術，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤；進行水下通信和導航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰術機動及水中武器的使用。此外，聲吶技術還廣泛用于魚雷制導、水雷引信，以及魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下作業、水文測量和海底地質地貌的勘測等。
雷達
雷達，是英文Radar的音譯，源于radiodetectionandranging的縮寫，意思為“無線電探測和測距”，即用無線電發現目標并測定其空間位置。因此，雷達也被稱為“無線電定位”。
雷達所起的作用和眼睛、耳朵相似，當然，它不是大自然的杰作，同時，它的信息載體是無線電波。其原理是雷達設備的發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體將電磁波反射回去，雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取該物體的某些信息(目標物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。
雷達的優點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。因此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應用于社會經濟(如氣象預報、資源探測、環境監測等)和科學研究(天體研究、大氣物理、電離層結構研究等)領域。星載和機載綜合孔徑雷達已經成為當今遙感中十分重要的傳感器。以地面為目標的雷達可以探測地面的精確形狀，其空間分辨力可達幾米到幾十米，且與距離無關。雷達在洪水監測、海冰監測、土壤濕度調查、森林資源清查、地質調查等方面也顯示出了很好的應用潛力。
假肢
假肢，也稱“義肢”，是供截肢者使用以代償缺損肢體部分功能的人造肢體，有上肢假肢和下肢假肢。多用鋁板、木材、皮革、塑料等材料制作，其關節采用金屬部件，現在假肢界主流是鈦合金和碳素纖維材料。義肢指人造肢體，用來取代肢體的功能障礙(不論暫時性或永久性)，或是用來掩飾肢體傷殘。與義體(如假鼻子、假發)最大的不同，在于義肢的功能性較強，且單指上下肢而言。
河鲀
河鲀體呈圓筒形，向后漸狹，體裸露無鱗或被覆刺鱗，背鰭一個，無鰭棘，與臀鰭相對，無腹鰭，尾鰭截形或圓形或新月形，體色及花紋隨種類的不同而異。河鲀生性膽小而貪婪，上下顎各生2個板狀牙齒，其食道結構特殊，向前腹側及后腹側擴大成囊，遇敵害時能吸入水和空氣，使胸腹部膨脹如球，浮于水面，被捕獲后，雖離水亦能吸氣膨脹，發出咕咕的聲音。
翠鳥——新干線列車
日本新干線列車最初高速行駛時，原有的子彈型頭部設計，因聲爆效應產生的噪聲超過了環保標準。工程師從翠鳥的嘴巴得到了靈感。翠鳥的長嘴呈流線型，向后部直徑逐漸增加，水流可以順暢地向后流動，扎向水中捕魚時只會濺起很少的水花。工程師據此對子彈型車頭進行重新改造后，車速比原有設計提升了10%，而電力消耗降低了15%，噪聲水平也有了顯著下降。
野豬——防毒面具
第二次世界大戰期間，科學家發現野豬在聞到刺激性異味時，用有力的長嘴拱地得以存活下來——松軟的土壤顆粒吸附和過濾了毒氣，由此受到啟示發明了防毒面具，用吸附性強的活性炭來過濾毒氣。
蜻蜓——直升機
直升機的發明并非源于蜻蜓，卻靠蜻蜓改善了安全性能。在空氣動力學中有一種“顫振”現象，如果直升機飛行時不能消除這種現象，快速飛行時就會使機翼折斷，導致機毀人亡。蜻蜓翅端前緣有一塊色深加厚的部分，叫翅痣，它是保護薄而韌的蜻蜓翅膀快速振動卻不折損的關鍵。人們仿照翅痣，在機翼上設計了加厚部分，于是戰勝了顫振，保證了直升機的安全。
仿生現象簡表
1.蒼蠅——小型氣體分析儀
2.螢火蟲——人工冷光
3.蚊子——無痛針頭
4.水母——水母耳風暴預測儀
5.蛙眼——電子蛙眼
6.蝙蝠——盲人用的超聲探路儀
7.藍藻的不完全光合器——光解水裝置
8.動物的爪子——起重機的掛鉤
9.章魚——煙幕彈
10.鴨蹼——船槳
11.螳螂臂或鋸齒草——鋸子
12.蒼耳果實——尼龍搭扣
13.龍蝦——氣味探測儀
14.蝴蝶上的鱗片——變色衣服
15.荷葉——防水衣服
16.樹葉的排列——悉尼大劇院
17.魚的沉浮——潛艇
18.響尾蛇——空對空響尾蛇導彈

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