第三单元《运动和力》大单元整体教学设计 -2025-2026学年科学四年级上册教科版

根据《义务教育科学课程标准（2022）》编写 小学科学（教科版）四年级上册 第三单元《运动和力》 大单元教学设计 基 本 信 息 学科 小学科学 版本 教科版 年级 四年级上册 单元名称 第3单元《运动和力》 单元主题 动力工程师：探索力与运动的奥秘 课时安排 9课时 一、单元主题 “动力工程师：探索力与运动的奥秘” 围绕力如何改变物体运动状态、不同力的特性（重力、反冲力、弹力、摩擦力）及能量转换，引导学生通过工程实践（设计制作小车）深化对“运动与相互作用”核心概念的理解。 二、单元大情景 “校园动力工程师挑战赛” 学生化身“动力工程师”，接受任务：为校园科技节设计一辆能完成特定任务的小车（如载重行驶、精准停车）。通过8课时的探究活动，逐步破解“力与运动”的科学密码，最终在“校园科技博览会”展示小车作品。 三、课程标准分析 核心概念 核心概念3.物质的运动与相互作用 学习内容 3.1 力是改变物体运动状态的原因； 3.2 常见的力及其作用效果； 3.3 运动的物体具有能量 学段目标 （3-4年级） ①描述力如何改变物体运动状态； ②设计实验探究力的作用效果； ③制作简单装置解决实际问题 四、单元教材分析 本单元包括《让小车运动起来》《用气球驱动小车》《用橡皮筋驱动小车》《弹簧测力计》《运动与摩擦力》《运动的小车》《设计制作小车（一）》《设计制作小车（二）》共8课内容。 《让小车运动起来》核心内容为探究力如何改变物体运动状态（启动/停止/变速）。并通过垫圈重力拉动小车，理解“力是改变物体运动状态的原因”，建立“拉力越大，小车运动越快”的因果关系。 《用气球驱动小车》核心内容为认识反冲力（气球喷气产生反向推力）。尝试气球大小与小车运动距离的关系实验，理解反冲力的方向与大小。 《用橡皮筋驱动小车》核心内容为探究弹力（橡皮筋形变产生的恢复力）。通过橡皮筋缠绕圈数与小车行驶距离的关系实验，验证“形变越大，弹力越大”。 《弹簧测力计》核心内容为学习力的测量工具及单位（牛顿，N）。规范使用弹簧测力计测量重力、拉力，理解力的大小量化。 《运动与摩擦力》核心内容为摩擦力对运动的阻碍作用及影响因素（接触面粗糙度、压力大小）。并尝试通过对比实验（不同表面拉动木块），分析增大/减小摩擦力的方法。 《运动的小车》核心内容为运动的物体具有能量（动能），能量大小与速度和质量相关。并通过斜坡高度影响小车撞击距离的实验，建立“速度越快，能量越大”的概念。 《设计制作小车（一）》核心内容为工程设计流程（明确问题→制订方案→绘制设计图）。根据任务要求（行驶距离、载重等），设计小车结构并选择动力（弹力/反冲力）。 《设计制作小车（二）》核心内容为制作、测试、评估与改进原型。并尝试调试小车性能（如减少摩擦、优化动力），实践“测试→问题→改进”的工程思维。 本单元以“力与运动”为核心，构建“概念认知→工具应用→规律探究→工程实践”的递进链条： 1.基础认知（第1-3课）：通过三种力（重力、反冲力、弹力）驱动小车，建立“力改变运动状态”的概念。 2.量化分析（第4-6课）：引入测量工具（弹簧测力计），探究摩擦力与能量的定量关系，深化力的作用效果。 3.工程整合（第7-8课）：综合前6课知识，完成“设计→制作→优化”的工程闭环，培养解决实际问题的能力。 本单元紧扣新课标“物质的运动与相互作用”核心概念，通过阶梯式探究活动，实现从现象观察（力作用）到本质理解（能量转换），最终落脚于工程应用（技术物化）。 五、教学目标 科学观念 1. 理解力改变物体运动状态； 2. 区分重力、弹力、反冲力、摩擦力的特性； 3. 知道运动的物体具有能量。 科学思维 1. 通过数据归纳力的作用规律（如“拉力越大，小车越快”）； 2. 用流程图分析工程问题。 探究实践 1. 设计控制变量的实验（如摩擦力实验）； 2. 使用弹簧测力计； 3. 制作并优化小车模型。 态度责任 1. 在实验中遵守安全规则； 2. 小组合作解决工程难题； 3. 反思技术应用中的节能与环保。 六、学情分析 1.年龄特点：四年级学生具象思维为主，对动手实验（如玩小车）兴趣浓厚，但抽象理解“能量”“摩擦机理”需借助可视化活动。 2.认知基础：已学习“力可以改变物体形状”（三年级），但对“力与运动关系”缺乏系统认知。 3.学习难点：控制变量设计实验（如摩擦力影响因素）；将科学原理转化为工程方案（小车设计）。 七、活动设置 第1课 力与运动侦探社 探究力如何改变小车运动状态 实验：垫圈数量与小车启动/停止/快慢的关系（数学：记录数据并绘图） 第2课 反冲火箭挑战赛 理解反冲力方向与大小的作用 对比实验：大气球 vs 小气球驱动小车的距离（技术：慢动作视频分析反冲气流） 第3课 弹力发射实验室 验证弹力大小与形变程度的关系 测量橡皮筋缠绕圈数与小车行驶距离（工程：优化橡皮筋固定方式） 第4课 测力计特工训练营 掌握力的测量方法 实践：用弹簧测力计测文具盒重力、拉力（跨学科：数学单位换算） 第5课 摩擦力闯关行动 探究摩擦力影响因素 对比实验：木块在不同表面（砂纸/玻璃）的滑动阻力（科学+技术：传感器测力） 第6课 能量爆破实验 建立运动物体具有能量的概念 斜坡实验：小车从不同高度滑下撞击纸盒，测量凹陷深度（数学：绘制高度-凹陷图） 第7课 小车设计工坊 设计满足任务要求的小车方案 绘制设计图，标注动力类型（弹力/反冲力）、结构（车轮/车轴）（美术：三维草图） 第8课 工程优化攻坚战 测试改进小车性能 实地测试载重、行驶距离，用“问题-原因-对策”表优化（工程日志撰写） 八、教学方法 1.任务驱动法：以“校园科技博览会小车挑战”为主线，每课解决一个子任务（如“如何让小车跑得更远？”）。 2.实验探究法： （1）对比实验：第5课“摩擦力实验”控制变量（同一木块、不同表面）。 （2）量化分析：第6课用尺子测量纸盒凹陷深度，建立“高度→速度→能量”的证据链。 3.工程迭代法：第8课采用“制作→测试→问题→改进”循环，用低成本材料（吸管、瓶盖）快速原型开发。 九、学习方法 1.合作学习：4人小组分工（操作员、记录员、汇报员、材料员），轮换角色确保全员参与。 2.思维可视化：用流程图梳理“小车故障排查步骤”（如“车轮卡住→检查车轴摩擦力”）。 3.迁移应用：家庭实验“用橡皮筋驱动玩具船”，迁移弹力知识到新场景。 十、评价策略 （一）单元总体评价策略 类型 内容与比例 过程性评价（60%） 实验记录单（30%）+ 小组协作表现（20%） + 安全操作（10%） 终结性评价（40%） 小车模型功能性（20%）+ 《动力工程师手册》（设计图+优化报告）（20%） （二）分活动评价表 活动1：力与运动侦探社（第1课《让小车运动起来》） 实验操作规范性 完成1组垫圈拉力实验 完成3组实验并记录数据 自主设计变量（如不同路面）并分析影响 数据记录完整性 记录小车启动/停止现象 记录不同拉力下小车速度变化 绘制“拉力-速度”折线图并标注趋势 科学推理能力 说出“力让小车动起来” 解释“拉力越大，小车越快”的原理 用箭头图表示力的方向与运动关系 合作参与度 听从小组分工 主动分享实验发现 组织组员讨论误差原因（如绳子打滑） 活动2：反冲火箭挑战赛（第2课《用气球驱动小车》） 实验设计能力 完成气球驱动小车基础实验 对比大气球/小气球行驶距离差异 设计多气球组合方案（如串联气球） 现象解释准确性 描述“气球喷气推小车”现象 用“反冲力方向向后”解释小车前进 联系火箭发射原理说明反冲力应用 创新应用 列举1种反冲力实例（如喷水船） 提出改进小车稳定性方案 制作“反冲力科普微视频”并配音解说 活动3：弹力发射实验室（第3课《用橡皮筋驱动小车》） 变量控制能力 测试1组橡皮筋圈数与距离 完成3组不同圈数对比实验 探究橡皮筋材质（宽/窄）对弹力的影响 结论科学性 说出“圈数越多，跑得越远” 解释“形变越大，弹力越大”的原理 用数据论证“过载形变导致弹力下降” 工具创新性 使用基础橡皮筋固定 设计防脱钩装置（如卡扣） 发明可调弹力发射器（如齿轮调节器） 活动4：测力计特工训练营（第4课《弹簧测力计》） 工具使用规范性 正确握持测力计 平视刻度读数（误差≤0.1N） 自主校准零点并修正误差 测量准确性 测量1个物体重力 测量3类物体并记录 计算物体质量（g=9.8N/kg）并验证 安全责任意识 知道测力计量程限制 预判超量程风险（如超重报警） 制定《测力计使用安全守则》海报 活动5：摩擦力闯关行动（第5课《运动与摩擦力》） 实验操作规范性 完成1组表面粗糙度对比实验 控制变量测试2种表面（砂纸/玻璃） 增加压力变量（如加重木块）并设计三组实验 数据分析能力 记录“粗糙表面拉力大”现象 绘制摩擦力对比柱状图 建立“压力+粗糙度”双因素数学模型 生活应用迁移 列举1个增大摩擦实例（如轮胎花纹） 解释冰面撒盐防滑原理 设计“防滑鞋底”创意方案并测试效果 活动6：能量爆破实验（第6课《运动的小车》） 实验探究深度 完成斜坡高度与撞击距离实验 测量不同高度下纸盒凹陷深度 探究质量变量（轻重小车）对能量的影响 能量转化解释 说出“小车运动有能量” 解释“高度→速度→能量”转化链 用汽车安全气囊案例论证动能危害防护 创新设计 提出1种缓冲方案（如海绵） 设计多级缓冲装置（弹簧+泡沫） 制作“动能吸收器”模型并测试减伤效果 活动7：小车设计工坊（第7课《设计制作小车（一）》） 工程设计逻辑性 绘制简易小车草图 标注动力系统（弹力/反冲力）和结构 用三视图展示设计细节（正/侧/俯视） 方案可行性 选择1种动力类型 论证动力选择理由（如“弹力适合短距离冲刺”） 预算材料成本并制定采购清单 团队协作 参与小组讨论 整合组员意见形成方案 主导方案答辩并回答质疑 活动8：工程优化攻坚战（第8课《设计制作小车（二）》） 问题解决能力 发现1个问题（如车轮卡顿） 提出2项改进措施（如润滑车轴/减重） 用“问题-原因-对策”表系统分析并验证效果 测试严谨性 完成基础行驶测试 记录载重/距离/时间数据 用慢动作视频分析行驶稳定性缺陷 迭代创新 优化1处结构 实现性能提升（如载重增加50%） 提交《工程优化报告》含3次迭代记录 十一、作业设计 活动1：力与运动侦探社（第1课《让小车运动起来》） 基础作业 记录3次垫圈拉力实验数据（拉力大小与小车运动状态） ★：记录1组数据 ★★：记录3组数据+标注启动/停止 ★★★：记录3组数据+分析“最小启动拉力”规律 提升作业 绘制“拉力-小车速度”折线图 ★：绘制单组数据图 ★★：绘制3组对比图+标注趋势 ★★★：添加公式说明（如“速度∝拉力”） 拓展作业 设计“无轮小车”（如冰面滑行）并测试摩擦力影响 ★：完成简易模型 ★★：对比粗糙/光滑路面速度差异 ★★★：用视频慢动作分析滑行轨迹 活动2：反冲火箭挑战赛（第2课《用气球驱动小车》） 基础作业 拍摄气球喷气推动小车的视频（10秒） ★：视频画面清晰 ★★：视频含慢放镜头+标注气流方向 ★★★：视频配音解说反冲原理 提升作业 测试长气球/圆气球行驶距离差异 ★：记录2组数据 ★★：数据对比+结论（如“长气球更持久”） ★★★：用流线型原理优化气球形状 拓展作业 制作“多级反冲火箭”模型（串联气球） ★：完成单级推进 ★★：实现二级推进+记录接力时间 ★★★：分析火箭分离机制（如气压触发） 活动3：弹力发射实验室（第3课《用橡皮筋驱动小车》） 基础作业 填写橡皮筋圈数与行驶距离对比表 ★：填写3圈数据 ★★：填写5圈数据+计算平均距离 ★★★：发现“圈数过多导致距离缩短”并解释 提升作业 探究橡皮筋宽度对弹力的影响 ★：对比2种宽度 ★★：记录3种宽度数据+绘制柱状图 ★★★：建立“宽度-弹力”数学模型 拓展作业 设计“可调弹力发射器”（齿轮调节圈数） ★：画出设计草图 ★★：制作原型并测试3种档位 ★★★：申请“迷你弹射器”专利说明书 活动4：测力计特工训练营（第4课《弹簧测力计》） 基础作业 测量3个物体重力并标注单位（N） ★：测量1个物体 ★★：测量3个+单位正确 ★★★：附加质量换算（如“500g≈4.9N”） 提升作业 制作“重力侦探手册”（图文记录物体重力特征） ★：手册含3个物体 ★★：添加密度对比（如铁块vs泡沫） ★★★：分析月球重力差异（1/6地球重力） 拓展作业 用测力计验证“斜面省力原理”（测坡度拉力） ★：测试1种坡度 ★★：测试3种坡度+绘制省力曲线 ★★★：推导最优坡度角（如30°最省力） 活动5：摩擦力闯关行动（第5课《运动与摩擦力》） 基础作业 列举3个增大/减小摩擦力的生活实例 ★：列举2例 ★★：分类列举（如“轮胎花纹↑/冰面↓”） ★★★：用摩擦系数解释 提升作业 设计“摩擦力擂台赛”（不同表面拉力对比） ★：测试2种表面 ★★：测试5种表面+数据排序 ★★★：提出“摩擦指数”概念（如砂纸=5星） 拓展作业 发明“智能防滑鞋”（温敏材料遇冷变粗糙） ★：描述材料特性 ★★：制作鞋底原型并测试 ★★★：模拟低温环境验证防滑效果 活动6：能量爆破实验（第6课《运动的小车》） 基础作业 记录斜坡高度与纸盒凹陷深度数据 ★：记录2组高度 ★★：记录5组高度+绘制深度图 ★★★：用“能量=质量×速度²”解释数据 提升作业 对比轻/重小车撞击效果（同高度释放） ★：定性描述差异 ★★：测量凹陷深度差异+分析 ★★★：关联汽车安全设计（如吸能区） 拓展作业 制作“动能回收装置”（弹簧缓冲+能量转换） ★：草图设计缓冲结构 ★★：原型实现50%动能吸收 ★★★：用LED灯验证能量转化（撞击发光） 活动7：小车设计工坊（第7课《设计制作小车（一）》） 基础作业 绘制小车三视图（正/侧/俯） ★：画出单视图 ★★：三视图完整+标注尺寸★★★：添加剖视图展示内部结构（如齿轮传动） 提升作业 撰写《动力选择论证书》（弹力vs反冲力） ★：列举1种动力优劣 ★★：对比2种动力+数据支撑 ★★★：提出混合动力方案（如橡皮筋+气球） 拓展作业 用3D建模软件设计小车（可选Tinkercad） ★：完成基础模型 ★★：模型含可动部件（车轮/车轴） ★★★：模拟风洞测试并优化流线型 活动8：工程优化攻坚战（第8课《设计制作小车（二）》） 基础作业 记录2次优化过程（问题-方案-效果） ★：记录1次优化 ★★：记录2次+分析成败原因 ★★★：提出第3次优化预测 提升作业 制作《小车性能测试报告》（载重/速度/距离） ★：测试1项性能 ★★：测试3项+数据可视化 ★★★：对比优化前后性能提升率 拓展作业 策划“校园小车竞速赛”规则及安全预案 ★：列出3条规则 ★★：设计评分表（速度30%+创意40%+安全30%） ★★★：制定急救流程（如电池短路处理方案） www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页） 学科网（北京）股份有限公司 $$