高效制作的采杞机设计与制作

一、教学资源分析

这是一节科技类项目设计案例课。科技类项目设计是高中研究性学习的一种重要的实施类型。在学生独立进行选题、进行科技类项目设计研究之前，安排本课，作为一个案例。本课涉及的教学资源有央视CCTV-10《我爱发明》20120811《采杞记》视频，学生做模型所需器材，包括木工锯、曲线锯、凿子、电烙铁等工具，学生电源、小型直流电动机（12V，120r/min）、滑动变阻器等实验仪器，以及塑料管、木板、方木条、导线、铁丝、焊锡、松香等耗材，项目还涉及榫卯结构、焊接等工艺。

二、学生情况分析

本课的授课对象是高一学生。这个年龄段的学生，多数缺少动手经验，上述加工工具多是学生未曾见过的。这些工具的使用、工艺流程的把握，对学生来说有不小的困难，甚至存在一定的安全风险。所以，在进行本项目时，指导老师的数量要相对多一些。笔者进行该项目时，48 位学生，配备6 名指导教师。该发明项目涉及的物理原理对学生来说难度适中。本项目的总体难度属于跳一跳够得着的水平，处于学生的最近发展区。

三、教学设计整体思路

本课的整体设计思路是，学生通过体验一个发明项目“采杞机”从发现问题到模型设计制作修改完善全过程，借以了解发明项目的实施过程，同时掌握各种加工工具的使用，熟悉相关工艺流程，为学生独立进行选题、实施科技类项目设计的研究奠定基础。同时，学生在该项目中综合运用所学知识解决实际问题，提高了学生的创新精神和实践能力、提高了学生体会农民疾苦的责任担当意识等核心素养。

四、教学目标分析

1.通过体验科技类项目“采杞机”的发明过程，了解一个科技类项目需经历发现问题、设计方案、构图、制作模型、试验改进等过程。学会使用木工锯、曲线锯、凿子等工具。

2.理解电动机的工作原理，理解滑动变阻器通过改变连入电路的电阻大小，实现对电动机转速的快慢调节的物理原理。通过焊接导线，练习使用电烙铁进行焊接、学会往鳄鱼夹上套胶皮套等工艺。改造电动机的外部结构，实现变转动为平动的物理运动要求。

3.通过体验“采杞机”项目，体验农民劳作的辛苦，感受科技促进生产力进步的力量。体验动手动脑的快乐，体验解决实际问题的快乐，体验完成一次认识自然的实践项目的快乐。通过小组合作，学会倾听和发表意见。

五、教学重点与难点

重点：发明项目的实施过程。

难点：各种工具的使用。

六、课时安排

3 课时

七、教学流程

八、教学过程

（一）导入新课

图1　农民采摘枸杞

学生观看视频央视CCTV-10 套《我爱发明》20120811《采杞记》的前4 分40 秒，展现农民采摘枸杞工作的劳累、人工需求和采摘技术要领。通过观看视频让学生充分体会发明采摘枸杞机械的必要性、迫切性和技术要求。

（二）讲授新课

1.发现问题，提出设计方案，并不断修改。

（1）发现问题，独立设计解决方案。

学生观看上述视频后，让学生谈谈农民采枸杞时遇到的困难，谈谈如何减轻农民的劳动、减少枸杞由于不及时采摘造成烂在地里的现象。以小组为单位进行讨论，设计本组的“采枸杞机”模型的草图。

每个小组派代表上台展示本组设计方案（用实物投影），教师引导同学们对展示的设计方案进行评价。评价标准参考“工作原理的可行性”“草图勾画的表达力”两方面进行。

（2）与发明人交流，不断修改设计方案。

学生观看视频《采杞记》中的第一代“采杞机”的研发、田间试验，不播放视频中对试验的分析部分。让学生针对田间试验进行讨论分析：第一代“采杞机”的工作原理是什么？它的工作效果令人满意吗？有何缺点？如何改进？同学们先在小组内讨论这些问题，然后小组代表发言，进行班内交流。

图2　第一代采杞机

学生观看视频《采杞记》中的第二代“采杞机”的研发、田间试验，不播放视频中对试验的分析部分。让学生针对田间试验进行讨论分析：第二代“采杞机”的工作效果令人满意吗？有何缺点？如何改进？同学们先在小组内讨论这些问题，然后小组代表发言，进行班内交流。

图3　第二代采杞机

图4　第三代采杞机(www.xing528.com)

学生观看视频《采杞记》中的第三代“采杞机”的研发、田间试验，不播放视频中对试验的分析部分。让学生针对田间试验进行讨论分析：第三代“采杞机”的工作效果令人满意吗？有何缺点？如何改进？同学们先在小组内讨论这些问题，然后小组代表发言，进行班内交流。

图5　第四代采杞机

学生观看视频《采杞记》中的第四代“采杞机”的研发、田间试验。说说四代采杞机设计思路的变化趋势。

2.探索“采杞机”的功能实现物理原理。

教师给出器材图片，学生探究如何利用所给器材实现第四代“采杞机”的功能。

器材：学生电源、小型直流电动机（12V，120r/min）、滑动变阻器、塑料管、木板、方木条、导线、铁丝等。

以小组为单位，进行讨论。小组代表发言，进行班级内交流，确定“采杞机”的科学原理。

3.学习使用各种工具，制作第四代“采杞机”模型。

（1）练习使用木工锯、曲线锯，学会切割木头。

图6　木工锯的使用视频

图7　曲线锯的使用视频

学生观看视频，学习使用木工锯和曲线锯，完成第四代“采杞机”模型底座的画线、切割工作。

（2）练习使用凿子、木工锯，学会制作榫卯结构。

图8　凿子的使用

图9　榫卯工艺视频

学生观看视频，学习使用凿子，复习木工锯的使用，制作第四代“采杞机”模型底座的榫卯结构。

（3）练习使用电烙铁，学会焊接导线。

图10　学生焊接导线

学生观看视频，练习焊接制作第四代“采杞机”所用导线。

（4）练习使用手锯，学习切割塑料管，制作第四代“采杞机”模型的部分构件，并完成第四代“采杞机”模型的组装与展示。

图11　制作“采杞机”模型

同学们以小组为单位，上台展示本组作品，并操作演示。其他学生进行点评。评价框架：从功能实现、做工工艺两方面谈一下。

（三）课堂小结

请学生谈一下，一个“发明项目”需要经历哪些过程？该过程中每个环节需要解决什么问题？工具使用和工艺方面有何收获？还有哪些收获？

九、教学反思

对学生来说，这是一次基于项目的学习。问题来自“农民采摘枸杞”这一真实情境。在这次项目学习中，学生体会到综合课程的意蕴，即运用多学科的知识解决真实问题。这些学科涉及科学、技术、数学、工程等，是一次STEM 教学的尝试。木工锯、曲线锯、电烙铁的使用，榫卯结构、焊接技术等工艺的实践，令学生感到新鲜，他们兴趣十分高涨，参与度很高，深入体会到知识转化为生产力的奥妙，沉浸在创造的快乐当中。在施教过程中，教师也会被这种快乐深深感染。学生的创新精神、实践能力、合作意识、科学精神、社会责任感，都得到切实地提高。不过，在指导学生进行操作时，安全问题仍值得我们充分注意。

十、教学评价

这次课是一次创新，体现在以下几个方面：一是以项目学习的形式开展教学，让学生体会到综合运用所学知识解决问题的过程，明白了一个发明创造是如何进行的；二是引入丰富的加工工具和多项工艺，为下一步学生独立进行科技类项目设计奠定坚实的基础，而且，这种嵌入式安排使得工具使用、工艺等教学内容自然流畅，浑然一体；三是让学生使用研究性学习的方式学习该项目，充分发挥学生的探索精神，为学生认识自然提供了一种很好的范式，体现了明显的建构主义色彩。四是选择的项目来自农民的劳作，让学生体会到劳动的艰辛，体会到知识的价值，体会到一种改善农民生产状态的社会责任感。五是把《我爱发明》引入课堂，丰富了教学资源。

从上课状态看，学生非常喜欢这样的课程，参与度很高，激发了学生学习的热情和兴趣，听课老师都深受感染。安全问题不像自己事先想象得那么严重，这让我意识到我们的学生实际上很能干，给他一个舞台，他就会还给你一个惊喜。我们日常对学生的保护实际上是有些过度了，这是一节好课。