实践：“船”承四海：从“郑和宝船”探索船舶设计奥秘 教学设计 ----2025-2026学年沪科版物理八年级下学期

课题：《“船”承四海：从“郑和宝船”探索船舶设计奥秘》跨学科教学设计 一、教材分析 本节内容选自沪科版《物理》八年级下册第九章章末“调研我国造船与航海方面的成就 ”，属于“物体的浮与沉 ”这一主题的延伸和实践应用。这一节旨在通过跨学科实践活动，让学生了解我国在造船与航海方面的历史成就和现代发展，深化对浮力知识的理解，培养学生的科学素养和爱国情怀。 本节的学习有助于学生将所学的浮力知识与实际生活联系起来，提高综合运用能力，符合新课标中对物理与社会、物理与技术等方面的要求。 二、学情分析 八年级学生已学习了密度、压强和浮力等基础知识，对物体的浮沉条件和阿基米德原理有所了解。具有一定的科学探究能力和实践动手能力，对动手制作和科学实验充满兴趣。同时，郑和下西洋的内容在初中历史七年级下册已经学习过，对于郑和下西洋的先进的事件和历史意义有一定的了解。 三、教学目标 1物理观念.通过模型制作，了解浮力在船舶设计中的应用，加深对阿基米德原理的理解，知道中国古代船舶技术中材料的发展历程。 2科学探究.利用模拟实验，体验水密隔舱减少浮力损失，感受中国古代科技的智慧，增强文化自信。 3科学态度与责任.通过实验，能够运用浮力、重心的知识分析船舶的设计特点，对比古今船舶技术，理解现代工程对传统智慧的继承与创新（如碳纤维与桐油、压载水舱与压载石）。 四、教学重点与难点 （一）教学重点： 1.水密隔舱的抗沉原理（物理：浮力公式应用）与历史意义（郑和船队零沉没的关键）。 2.稳性控制的古今技术对比（压载石 →压载水舱的科学逻辑）。 （二）教学难点 1.从物理视角解释 “ 隔舱数量与抗沉性的关系”。 2.理解船舶设计中 “材料 - 结构 - 功能” 的系统性思维（跨学科整合：历史材料特性 →物理性能需求 →工程应用）。 五、教学准备 1.实验器材：单格和 4 格打包盒（模拟船舱）、橡皮泥、水盆、不同材质小船模型（塑料瓶、铝罐、纸船）。 2.多媒体资源：郑和下西洋视频、宋代福船水密隔舱、现代船舶的压载水舱注水视频。 3.史料与数据：学生调查报告，明代《天工开物》造船章节节选、木材密度表、现代船舶隔舱数量对比表。 六：教学流程 课前准备：将学生分成小组，按教材的任务一和任务二要求，每个小组由一名同学设计并制作一个小船模型，其他组员写一篇关于中国船舶发展史的调查报告。 课堂引入：播放郑和下西洋的视频，视频中介绍郑和下西洋利用洋流和季风作为驱动帆船的古人智慧，郑和下西洋所到达的地方、所载物品和历史意义等。 （一）任务一：浮力材料——从“刳木为舟 ”到复合板材 活动 1 ：小船模型展示与评价。 （1）任务驱动。 通过学生展示自制小船模型并试行，学生将所学物理知识应用于实践，直观感受材料特性和结构设计对小船航行性能的影响，加深对浮力原理的理解，同时培养学生的动手实践能力、表达能力和团队协作意识，在交流评价中提升学生发现问题和解决问题的能力。 （2）问题。 ①你所制作小船模型的材料和动力是什么？ ②你认为小船模型的航行稳定性和动力性能如何？（生生互评、教师总结并点评） ③对比几种小船的材料，这些材料有什么共同点？ ④小船的空心结构是如何增大浮力的？其背后的物理原理是什么？ 图 1 学生制作的小船模型及展示小船在静水中航行 （3）任务分析。 ①知识层面：学生需要掌握密度、浮力、阿基米德原理等物理知识，理解“空心结构 ”增大排开液体体积从而提升浮力，以及“低密度材料 ”使平均密度小于水实现漂浮的原理。 ②实践层面：在制作小船模型过程中，学生根据经验制作小船，但材料特性、驱动装置背后的物理原理，通过试行观察小船的实际表现，将理论知识与实践操作相结合。 ③评价层面：学生要依据一定的标准，如小船在水中是否平稳、行驶速度和距离等，对小船的航行稳定性和动力性能进行评价，这需要学生具备观察能力和分析能力，能够从现象中总结出设计的优点与不足。 活动 2 ：明朝造船史料分析与材料应用探究。 （1）任务驱动。 借助展示明朝造船史料，引导学生结合物理知识和历史背景，分析不同木材特性与船体部位的适配关系，了解古代造船智慧，培养学生跨学科分析问题的能力，提升学生对材料科学和历史文化的综合认知。 （2）问题。 木材种类 密度 （g/cm3） 硬度 特征 特征与历史依据 主要应用部位 杉木 0.35-0.45 1 级（软） 质轻耐腐，浮力优 →“水上轻骑兵 ” 船壳主体 樟木 0.50-0.60 2 级 芳香驱虫，榫卯遇水膨胀自锁 →贵 族船舱“天然守护者 ” 货舱、隔舱 坤甸木 0.80-0.95 3 级 千年耐腐，防虫蚀 →关键承重件 舵杆、桅杆 柚木 0.55-0.65 4 级 耐盐耐晒→破浪“先锋 ” 甲板、上层建筑 铁力木 0.9-1.05 5 级 （极硬） 硬如铸铁，抗 30m 水深压强 船底、龙骨、舵叶 抗暗礁“船底铠甲 ” （郑和宝船专用） 表 1 明代《天工开物》、《瀛涯胜览》等资料关于木料参数及作用记录 ①观察表中材料特性，说一说，哪种材料适合做船壳？哪种材料适合做船底？并说明理由（最后出示材料应用部位） ②木质帆船如何做到防水?（视频介绍桐油防水工艺） 任务分析。 ①物理分析：学生要对比木材密度表，理解密度、硬度等物理特性与船体不同部位功能需求的联系，如船底需要硬度高的材料，承受水压并抗暗礁，船壳主体需要质轻且浮力优的材料，减小船的质量。 ②历史探究：学生需结合明代史料，从历史角度分析材料选择的原因，考虑当时的资源获取、工艺水平、社会需求等因素，将物理知识与历史背景相结合。 ③技术理解：通过观看“桐油防水工艺 ”视频，学生要理解油脂封闭木材纤维防止渗水的原理，认识到材料处理技术对船舶性能的重要性，拓展对材料应用的认知。 活动 3 ：我国船舶的发展及成就。 （1）任务驱动。 通过回顾我国船舶发展历史（秦汉、唐宋、明代三个高峰期），探讨直至明代未出现全钢铁制船舶的原因。以及介绍现代船舶材料成就，了解我国船舶发展历程中的技术进步和材料演变，培养学生的历史思维和科学探究精神，增强学生的民族自豪感和爱国情怀。 （2）问题。 ①直至明朝时期，我国大部分船都是木质材料，但当时已有造铁技术，如当时宝船上的船锚可以达到高 3.6 米、重约 7 吨。 明朝时期为什么没有全钢铁制船舶出现呢？可以从技术、材料和社会因素等方面进行分析。 对比同学们的回答和 AI（豆包）给出的答案，思考在分析问题时存在哪些遗漏或不足。 ②从古代木质船舶到现代使用高强度钢材、铝合金、复合材料等，推动其发展的动力是什么？ ③我国自主研发的特种钢材广泛应用于现代军舰（海南舰）、航母的建造，你发现特种钢材料有什么优点？ （3）任务分析。 ①历史与技术分析：学生要从历史发展角度，分析明朝时期钢铁冶炼技术水平、加工工艺、社会经济需求等因素对船舶材料选择的限制，思考技术发展与材料应用的相互关系，培养学生批判性思维。 ②材料演变探究：学生需梳理从古代到现代船舶材料的变化，理解不同材料的特性和优势，以及随着科技进步，材料科学的发展如何满足船舶在性能、功能等方面的更高要求。 ③情感与认知提升：结合海南舰停靠海南的热点，通过了解我国在船舶材料领域的自主研发成果和现代成就，学生能深刻认识到科技发展对国家国防和海洋事业的重要意义，激发爱国情怀，同时提升对材料科学重要性的认知。 ④AI评价应用：学生回答问题后，借助 AI 技术获取答案，通过对比答案，反思自身回答在知识覆盖、逻辑分析等方面的不足，学习更全面、深入的分析思路，提高自身的分析和总结能力 。 图 2 利用AI（豆包）搜索明朝为何没有全钢铁船舶的问题截图 （二）任务二：抗沉革命 —— 水密隔舱的古今传承 活动 1 ：模拟水密隔舱实验 （1）任务驱动。 观察学生设计的小船，假设在海上遇风浪或撞礁石后单舱快速下沉的现象，揭示单舱小船的弊端，借助郑和 AI 视频引入宝船水密隔舱技术。通过单舱、多舱小船进水的对比实验，让学生直观理解水密隔舱的抗沉原理。 （2）问题。 ①单舱小船在遇到风浪或礁石破损进水时，会产生哪些严重后果？ ②单舱小船和 4 舱小船承载相同货物，当船舱进水时，对比船的状态？（单舱小船下沉，4 舱小船仍然漂浮） 图 3 单舱和多舱小船进水实验模拟 ③根据刚刚的实验对比，如果你是船舶设计师，在设计船时，你希望隔舱数量的多一些还是少一些？ ④隔舱的数量对船舶抗沉性有何影响？水密隔舱依据什么原理实现船舶抗沉的？ 原理：分隔空间 →将浮力分为多份 →减少浮力损失（V 排） ⑤在刚刚的实验中，如何操作可以减缓单舱小船的下沉速度？ （3）任务分析。 实验利用钩码模拟载重，通过单格与 4 格打包盒进水后的状态对比，直观呈现隔舱设计对限制进水体积的作用，4 格打包盒在进水后因分隔空间，仅部分隔舱进水，浮力损失有限，而单格打包盒进水后整体重量骤增导致快速下沉，验证了“分隔空间可减少 V 排减小 ”的物理逻辑。同时减缓单舱小船下沉速度的方法符合学生生活经验，提高学生解决问题的能力。 活动 2 ：水密隔舱技术史料分析。 （1）任务驱动。 通过水密隔舱技术介绍及郑和宝船水密隔舱个数史料记载，利用 AI 技术（豆包）检索学生调查报告中提及“水密隔舱 ”技术的学生学号和内容。结合泰坦尼克号沉没事件，分析水密隔舱技术的历史意义与工程应用要点。 （2）问题。 ①（播放视频：中国航海博物馆关于水密隔舱技术介绍）我国唐代出现的水密隔舱技术领先欧洲近千年，已列入世界非物质文化遗产，水密隔舱技术对现代造船有何影响？ 图 4 “水密隔舱”技术被列入世界非物质文化遗产名录 ②泰坦尼克号有 16 个单独的水密隔舱，舱与舱之间的水密门用电动开关控制，即使有 4 个隔舱同时进水，也会安然无恙。泰坦尼克号为何沉没呢？ 图 5 泰坦尼克号隔舱设计及船舱进水致船沉没原因分析图 （3）任务分析。 史料显示我国水密隔舱技术自唐代发展至明代已应用于宝船，通过桐油与丝麻的密封工艺实现全封闭隔舱，现代造船业仍采用隔舱技术，体现出现代对古代技艺的传承。泰坦尼克号 16 个水密隔舱因未封顶，当进水导致船体倾斜后，海水如多米诺骨牌般漫延至相邻隔舱，最终引发连锁沉没，对比凸显了隔舱结构完整性的关键作用。 图 6 利用AI“豆包”搜索学生调查报告中提及“水密隔舱”技术结果的截图 （三）任务三：稳定性设计 —— 从压载石到智能配重 活动 1 ：物品放置配对实践。 （1）任务驱动。 基于郑和宝船上下八层的结构记载，通过“珍宝、淡水物资、压舱石 ”与甲板下楼层的配对活动，理解船舶稳定性设计的物理原理。 （2）问题。 ①宝船体量大且层数多，如何通过物品放置保证航行稳定？ ②如果你是船长，说明以下物品（珍宝、生活物资、砂石）放置在甲板下的哪一层？你处于什么考虑这样放置？ ③为什么要把砂石放置在最底层，物理原理是什么？ （3）任务分析。 将珍宝置于上层（第 5 层）便于拿取，淡水物资置于中层（6-7 层）、压舱石置于底层（第 8 层），降低船体重心，利用重心越低稳性越好的物理原理，确保船舶在航行中浮力与重力的平衡，同时兼顾物资取用的实用性。 图 7 郑和公园展厅中宝船模型剖面图及宝船配置引用自《函宇通》船舶篇 活动 2 ：古今稳性技术对比。 （1）任务驱动。 通过视频介绍郑和宝船压舱石技术与现代压载水技术，结合韩国金光号货轮侧翻案例，分析船舶稳性设计的技术演进与安全要点。 （2）问题。 ①压舱石技术与现代压载水技术在稳性控制上的原理异同？ ②（视频播放：韩国金光号沉船原因分析）金光号因压载水不当及车辆摆放失误侧翻，可吸取哪些设计教训？ 图 8 韩国金光号货轮沉没原因视频介绍截图 （3）任务分析。 古代压舱石通过固态配重固定重心，现代压载水则通过液态水的动态调节实现重心优化，两者均基于“调节配重控制重心 ”的原理，但压载水技术更具灵活性；金光号案例中，压载水未随货物分布调整，加之车辆偏心堆放，导致重心偏移超出稳性范围，凸显了现代船舶需动态匹配负载与配重的工程原则。 学科网（北京）股份有限公司 $