六年級 【科學（人教鄂教版）】認識飛行器（第二課時）- 教學設計

課程基本信息學科小學科學班級六班級學期下課題認識飛行器（第二課時）教科書書名：義務教育教科書科學六班級下冊出版社：人民教育出版社湖北教育出版社出版日期：2020年12月教學人員姓名單位授課老師指導老師科學學問：知道制造飛行器的過程中，有許多創(chuàng)造受到了生物的啟發(fā)。科學探究：通過閱讀資料、觀看視頻，知道在自然界中可以找到飛行器創(chuàng)造的原型。科學態(tài)度：始終保持對飛行器的研究興趣?？茖W、技術(shù)、社會與環(huán)境：了解人類的好奇心和社會的需求是飛行器進展的動力。教學重點：知道在飛機的制造過程中，有許多創(chuàng)造受到了生物的啟發(fā)。教學難點：知道在飛機的制造過程中，有許多創(chuàng)造受到了生物的啟發(fā)。教學過程教學環(huán)節(jié)主要師生活動一回顧舊學問聚焦新問題學問回顧：提問：上節(jié)課我們一起認識了各種各樣的飛行器。你學到了哪些學問？【預設學生回答】學生1：我知道了飛行器分為航天器、航空器和火箭等。學生2：我知道了飛機、熱氣球等飛行器屬于航天器，是靠空氣的浮力或空氣相對運動產(chǎn)生的升力而升空飛行的。學生3：我還知道了飛機的翼型有助于產(chǎn)生飛行所需的升力。導語：人類為了完成飛天的夢想，從觀察身邊事物中不斷獵取靈感。飛行器的創(chuàng)造是從仿照開始的。從簡潔模擬形態(tài)，到深化研究功能。制造、創(chuàng)造出了一代又一代的飛行器。2.聚焦仿生學導語：大自然是人類的老師，有許多科學家都從中得到啟示，有所創(chuàng)造、有所制造。出示圖片：蒲公英和降落傘提問：你能看出它們之間的聯(lián)系嗎？【預設學生回答】學生1：蒲公英和降落傘形態(tài)相近。學生2：蒲公英可以隨風飄揚，科學家依據(jù)這種特性創(chuàng)造出了降落傘。飛機在飛行時一但遇到故障，只要背上降落傘，就可以平安著陸了。小結(jié)：人們通過研究生物的結(jié)構(gòu)和功能，從而創(chuàng)造出新的設備和工具，這就叫做仿生技術(shù)。日常生活中的許多創(chuàng)造都來源于自然界的仿生原理，飛機的設計制造也不例外。環(huán)節(jié)意圖：聚焦話題，激發(fā)學習興趣。明確仿生學的概念。二科學實踐活動:了解飛行器中的仿生學1.聚焦飛機設計中的仿生學提問：：創(chuàng)造飛機最初的靈感來源于鳥類，你覺得飛機的構(gòu)造中哪些和鳥類相像呢？請依據(jù)自己已經(jīng)了解的學問在飛機結(jié)構(gòu)簡圖上標注出哪部分結(jié)構(gòu)的設計靈感來源于鳥類。學生匯報：【預設學生回答】學生1：通過上節(jié)課的學習，我知道機翼翼型的設計靈感來源于鳥類的翅膀。學生2：小鳥有尾巴，飛機有尾翼。學生3：小鳥飛行時，鳥爪會蜷縮起來。飛機的起落架也是這樣的。學生4：其實飛機的整體形態(tài)和小鳥的身體樣子非常相像。從流線型的頭部，到展開的翅膀，到最終平行的尾部形態(tài)，都基本一樣。飛機的整體形態(tài)設計靈感就是來源于鳥類。環(huán)節(jié)意圖：初步了解飛機設計受到了鳥類的啟發(fā)。了解飛機中的仿生學導語：我們從形態(tài)上可以看到飛機仿照小鳥。那么在飛機的創(chuàng)造、制造的過程中，具體應用了哪些仿生技術(shù)呢？我們來聽聽同學們查閱資料后的共享。【預設學生回答】飛機整體樣子和鳥的身體外型學生1：首先飛機的整體形態(tài)和小鳥的身體樣子非常相像。從小小的頭部，到展開的翅膀，到最終的分開的尾部形態(tài)，都基本一樣。飛機的整體形態(tài)設計靈感就是來源于鳥類。海鳥與機頭的探測器學生2：通過查閱資料，我發(fā)覺：機頭探測器的設計靈感來自于海鳥。海鳥可以通過喙部察覺出空氣中的陣風荷載量，并通過調(diào)節(jié)翅膀的樣子抑制升力。運用此原理，新型的空客通過安裝在機頭的探測器可以檢測風力并利用其可移動的機翼表面提高飛行效率。這個設計還可以進一步節(jié)能減排。機身樣子和鳥的身體外型學生3：我們能很清楚的發(fā)覺機身的樣子仿照的是鳥類紡錘形身體外型。在資料中我也查閱到：19世紀初，英國科學家凱利仿照山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu)，這對航空技術(shù)的誕生起到了促進作用。鳥類和機翼翼型學生4：在上節(jié)課的學習中，我知道了機翼的翼型就是源自鳥類翅膀。法國生理學家馬雷在其著作中介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系，而德國人亥姆霍茲發(fā)覺飛行動物的體重與身體的限度的立方成正比。依據(jù)鳥類飛行結(jié)構(gòu)的原理，人們制造了能夠載人飛行的滑翔機，機翼樣子正是其發(fā)自鳥類翅膀。蝴蝶與機翼結(jié)構(gòu)（出示蝴蝶展翅動圖）學生5：今日我在資料上又看到了“蝴蝶與機翼結(jié)構(gòu)”之間的關(guān)系。蝴蝶華麗的外表也掩飾了其簡單精細的翅膀結(jié)構(gòu)。這些翅膀可是它們高效飛行的利器。它們松軟的外膜和血管時緊時松，使其能在任何飛行階段都收放自如。同樣，空客工程師已研發(fā)出可以在飛行中自動翻轉(zhuǎn)的機翼。假如可以把握其轉(zhuǎn)動，那么飛行效率將得到提高，能耗也會降低。工程師們正在效仿蝴蝶的微毛細血管翅膀結(jié)構(gòu)，在機翼設計中采用小型可移動表面及機敏的內(nèi)部組件，從而提高飛行效率。鷹與機翼翼尖小翼學生6：關(guān)于機翼我還了解到：機翼翼尖處有一個小翼（出示圖片）通過學習資料我知道這個來源于老鷹等大型鳥類。人們通過長期觀察自然界大型鳥類，比如鷹和隼，發(fā)覺它們在飛行中展開翅膀向上偏折翅尖羽毛以減小阻力，從而實現(xiàn)遠距離滑翔。受此啟發(fā)，有專家提出在翼尖加裝短板來減小誘導阻力的想法。后來，設計師們不斷研究，創(chuàng)造了翼尖小翼，并將其安裝在運輸飛機上，以減小飛機的阻力。師：翼尖帶有小翼的飛機的飛行能力要強一些。但是也不是全部飛機都是帶有小翼的。為什么呢？我們通過一段視頻學習一下其中的科學道理（播放視頻1’04）環(huán)節(jié)意圖：了解飛機中的仿生學。導語：關(guān)于機翼的仿生學同學們查閱到許多，看來科學家在飛機機翼方面做了許多研究。那么飛行器在創(chuàng)造和制造過程中還遇到了哪些問題，科學家又是怎樣在大自然中受到生物的啟示，解決了飛行問題呢？蜻蜓與抗震顫裝置（播放視頻1’31）提問1：飛機在高速飛行時，常會引起猛烈震驚，甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事。針對這個問題科學家受到怎樣的啟示呢？【預設學生回答】：查詢資料中我們看到了相關(guān)問題。大自然中，也有昆蟲會消失類似的現(xiàn)象——被譽為昆蟲“飛行之王”的蜻蜓在振翅飛行時，也會遇到有害的顫振現(xiàn)象?？茖W家發(fā)覺：在蜻蜓前后翅前緣有不透亮?????斑紋，稱為翅痣。翅痣對于蜻蜓的平穩(wěn)飛行有著非常重要的作用。受其啟發(fā)，飛機設計師在機翼末端的前緣，像打補丁一樣各加了1塊類似翅痣的長方形金屬板，也被稱為抗震顫裝置。這樣就解決了機翼的顫振問題。蒼蠅與導航儀提問2：當飛機飛行消失猛烈傾斜，失去平衡時，怎樣能盡快恢復呢？【預設學生回答】：據(jù)有關(guān)資料記錄，一只小小的蒼蠅可以在1秒內(nèi)轉(zhuǎn)彎6次，并能夠在空中回旋、向后飛、翻筋斗、直上直下、停在天花板上?？茖W家通過研究蒼蠅楫翅的導航原理，研制勝利了一種音叉式振動的陀螺儀?？墒癸w機自動停止危險的滾翻飛行，在機體猛烈傾斜時還能自動恢復平衡，即使是飛機在最簡單的急轉(zhuǎn)彎時也萬無一失。蝙蝠與雷達導航（播放視頻1’30）提問3：飛機是怎樣在夜間完成正常飛行的呢？【預設學生回答】：大家都知道蝙蝠就是在夜里飛行的，還能捕獲飛蛾和蚊子；而且無論怎么飛，從來沒見過它跟什么東西相撞。資料中介紹，科學家就是仿照蝙蝠探路的方法，給飛機裝上了雷達。駕駛員從雷達的熒光屏上，能夠看清楚前方有沒有障礙物，所以飛機在夜里飛行也非常平安。貓頭鷹與氣動噪聲（播放視頻1’）提問4：飛機起飛和降落時會發(fā)出的震耳欲聾的轟鳴聲，人體感覺很不舒適。這個問題時又是怎樣解決的呢？【預設學生回答】：通過資料學習我們知道，貓頭鷹擁有鋸齒狀的翅膀以及絨毛狀的腿部羽毛，這有助于貓頭鷹最大限度地削減氣動噪聲，使其能夠“悄無聲息地”捕獲獵物?？茖W家們嘗試將貓頭鷹“無聲飛行”的原理運用到飛機上，仿照貓頭鷹羽毛后緣的可伸縮式刷子邊緣及天鵝絨般的起落架涂層，解決了這一問題。環(huán)節(jié)意圖：人類的需求是飛行器進展的動力。導語：在飛行器制造中，還有許多生物也為飛行器的創(chuàng)造和改進供應了思路。我們再來學習幾篇資料：（播放語音）噴氣發(fā)動機與烏賊依據(jù)牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事實上，這一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如烏賊（墨魚）、水母的反沖原理。烏賊遭到危險時，能從腔內(nèi)噴出一束墨汁，一方面把水的顏色弄深，一方面供應反作用力向前飛快竄逃。飛機噴氣發(fā)動機推動的原理也是如此。噴氣發(fā)動機在工作時，從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，在此過程中，發(fā)動機向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發(fā)動機一個反作用力，推動飛機前進。機身蒙皮與蒙古弓飛機的機身是由蒙皮包裹的，然后再將受力傳遞到翼梁和翼肋。同時，蒙皮的完整性也影響著飛機整體的氣動性能。因此，蒙皮的強度關(guān)系到整架飛機的結(jié)構(gòu)平安。數(shù)百年前蒙古鐵騎的戰(zhàn)弓引起了設計師們的興趣。為適應馬上作戰(zhàn)，蒙古弓要做的短小，但又要保證弓的強度。聰慧的古人采用了復合材料的方法，他們用水牛角和鹿腱來加強弓的強度。設計師們由此獲得啟發(fā)，將玻璃纖維與鋁合金相結(jié)合，完成了適應現(xiàn)代大飛機要求的復合材料。飛機涂料與鯊魚皮自適應表面的設計與開發(fā)是飛機設計具備顯著環(huán)境適應性的領(lǐng)域，要從自然界查找靈感。今日的民用客機，40%的阻力可歸結(jié)于湍流邊界層。連續(xù)的自適應表面可以破壞這層湍流然后消退蒙皮摩擦阻力。拉條（飛機表面順氣流方向的一行小溝）可以削減4-7%的蒙皮摩擦力。但是拉條很簡潔損壞，所以是個重大工程問題。不過，德國弗勞恩霍夫研究所設計了一種涂料，仿照鯊魚皮并加入了類似拉條的小溝，可以用蠟紙版作為飛機最外側(cè)涂層。該涂料包含納米件，保證它可以抵擋紫外線而轉(zhuǎn)變溫度。研究所表示該涂料應用到飛機上可以每年節(jié)省448萬噸燃油。機艙設備與荷葉在現(xiàn)在的進化階段，荷葉表面的角質(zhì)可以使其表面的雨水滾落并帶走污濁以保持自身的清潔與干燥。這就是“荷花效應（theLotusEffect）”。荷葉的這種特性激發(fā)了人們在機艙設備涂層設計上的靈感。這種涂層可以使水分以滾珠的形式流走并同時去除污物。這樣就提高了飛機的清潔度，同時還能省水，減重，降耗并削減碳排放。此靈感已經(jīng)在空客飛機上的衛(wèi)生間得到了應用。在將來，座位和地毯的材料也很可能被這樣設計。列陣飛行與大雁在自然界中，大雁遷徙時會列陣集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。列陣飛行時，領(lǐng)頭雁的翅膀會產(chǎn)生漩渦狀氣流，其后的雁就會因此得到額外的升力，也就是說會省力。機翼也可以有同樣的效果，稱之為“尾渦”。軍用飛機常常利用列陣飛行削減能耗。目前，客運噴氣式飛機出于平安考慮，還沒有使用這種方法。環(huán)節(jié)意圖：飛機在創(chuàng)造和制造中，許多設計可以在自然界找到原型。參考仿生學設計飛行器談話：通過學習仿生學，對于你們自己設計和制作一種飛行器有什么啟發(fā)？【預設學生回答】學生1：我覺得做好飛行器首先要觀察和研究鳥類或昆蟲等飛行動物的的特點，可以獵取更多靈感。學生2：制作飛行器的材料應當選用材質(zhì)輕的，易于飛行。學生3：設計和制作的飛行器要具備飛行動力。學生4：我想可以設計帶有平衡棒的飛行器使飛行狀態(tài)更平穩(wěn)。設計：談話：結(jié)合前面你對飛行器的了解，你想設計什么樣的飛行器？【預設學生回答】學生1：我想設計一款直升機。學生2：我想利用仿生學設計一款飛行器。布置任務：在你設計的的飛行器中，參考了哪些仿生學的學問？請將設計圖畫在記錄單上。交流：導語：讓我們來看看同學們的設計圖，聽聽他們的想法吧。【預設學生回答】學生1：我設計的飛行器是將來飛機。我畫的這個飛行器四個角度的樣子：正面、背面、下面、以及落地時的狀態(tài)。機頭部分安裝雷達，進行飛行平安探測。機翼選擇旋翼，在底部也安裝了一個螺旋槳，增加飛行動力和升力。在這里我參考了蜻蜓的飛行方式和蝙蝠的探路方式等仿生學學問。學生2：我設計的飛行器是升級版“竹蜻蜓”。首先增加了飛翼的數(shù)量，提高升力。再有，下面安裝了氣球，通過氣球內(nèi)氣體噴射時產(chǎn)生的反沖力，增加飛行器的推力。參考了烏賊的反沖原理。學生3：我設計的飛行器是超級風箏。整體仿昆蟲的造型?！坝|角”是探測雷達。尾部增加振動陀螺儀，參考蒼蠅的“平衡棒”原理。學生4：我設計的是水母飛行器。整體仿水母的造型。上面材質(zhì)輕薄，類似于飛行衣。減輕飛行重力，通過下面的水管出水時產(chǎn)生的噴射力，升空飛行。小結(jié)：同學們，你們覺得他們設計的怎么樣？相信你們肯定也會有很棒的設計方案！環(huán)節(jié)意圖：學習仿生學對設計和制作飛行器的啟發(fā)?？偨Y(jié)全課小結(jié)：在飛行器的創(chuàng)造過程中，受到了這么多生物的啟發(fā)。模擬生物的本領(lǐng)已經(jīng)成為工程科學進展進步的重要途徑。目前，新型飛行器外形設計，科學家已經(jīng)將目光從鳥類仿生轉(zhuǎn)移到魚類仿生中。今后我們會有更多的設計和研究空間。盼望同學們也能像科學家一樣發(fā)覺自然界中更多的隱秘，期盼你們更多的創(chuàng)造和創(chuàng)作。