SPIKE 科创基础套装

从自然中学习

丹尼尔、苏菲、李欧和玛利亚了解到,有些灯泡的发明是从萤火虫的发光原理中获得的启发。快来帮他们了解一下,我们还从大自然中获得了哪些其它的启发!

45-90 分钟
高级
1-4 年级
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课前准备

(注意:本课程包含 A 和 B 两个部分,它们对于完全达到教学标准都至关重要。如果时间有限,请根据学生的需要从这两部分中选取一些内容进行讲解。)

本课程的主要学习内容是了解工程设计和仿生学 — 人们从自然界中获得启发,由此设计出能够解决人类问题的方案。学生将设计并搭建一个这种类型的解决方案。
本课程给出了一些启发性的建议。鼓励学生找到一个人类会遇到的问题,并发挥创意,为该问题设计并搭建解决方案。强调说明,不存在唯一正确的模型。

  • 科学背景 - 从自然中学习: 仿生学是人们从其他生物身上获得启发,从而为人类问题设计出解决方案的过程。
    • 这些启发可能来自生物运用其感觉器官或其它内部和外部结构(包括微观结构)的方式和过程。
    • 在本课程中,学生只需要模仿动物身体上能够实际观察到的一些外部结构。
    • 提供示例,建议在其中包含与光和声音有关的示例(以实现整个单元学习的连贯性)。请根据学生的具体学习需求确定示例的数量和类型。
    • 为了帮助学生更好地设计和发明,还可以通过分享一些关于各种动物身体部位的图片/信息来为他们提供更多灵感。
  • 前期知识铺垫 - 从自然中学习: 利用常备科学材料、共享信息、图片和定义。
    • 动物的外部身体部位包括角、毛皮、鳃、带关节的腿部、翅膀、鸟嘴、眼睛、羽毛、鳞片、耳朵、刺、触角、鼻子、眼皮、壳、翎,以及明亮的颜色或花纹。
    • 动物凭借自身的身体部位,得以在自然环境中繁殖、生长和生存,例如,它们为了确保安全,能够融入周围的环境,保护自己的身体,或及时躲避捕食者。
    • 人们能够利用从自然界获得的启发来进行发明和创造。光和声音的例子:1)仿照萤火虫发光体的形状设计 LED 灯泡,使它们能够在低能耗的情况下变得更亮;2)仿照翠鸟的嘴部,设计更加安静的火车或风力涡轮机部件,从而减少对周围社区的噪音干扰;3)设计能够根据明暗程度改变颜色的光敏材料,让机器和人能够与背景融为一体。
    • 大家熟悉的发明及其灵感来源:飞机——鸟的翅膀;直升飞机——蜻蜓和蜂鸟;自行车头盔——龟壳;潜水艇外形——鲸鱼;人造手臂——象鼻(动物的身体结构课程)
    • 关键词汇: 身体部位、生存、发明
  • 搭建和编程提示: 请查看学习单元中的建议。针对本课程的建议:
    • 利用 SPIKE App 应用程序“开始”菜单中的所有教程强化教学效果。
    • 尝试学习“科学:观察!倾听!搭建!单元中的一节或多节其它课程,以积累更多搭建经验,同时熟悉 SPIKE App 应用程序中的图标模块。
    • 告诉学生,编程在本课程中属于可选项目。
  • 材料: 利用上述背景信息,选择并查找与学生的理解力相匹配的信息、图片或视频,其中的内容需涉及两个方面:1)动物的外部身体部位 2)仿生学。对于后者,可以搜索仿生实例,或仿生实例 + 光和声音。确定向学生介绍这些科学知识的方式:使用多少个例子,分享信息的地点,提供多少选项等等。收集手工材料,方便学生用它们来改进模型。

A 部分(45 分钟

参与

(全班,10 分钟)

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  • 介绍故事的主人公和第一项挑战:丹尼尔、苏菲、李欧和玛利亚了解到,有些灯泡的发明是从萤火虫的发光原理中获得的启发。快来帮他们了解一下,我们还从大自然中获得了哪些其它的启发!

  • 思考 — 分享您收集的仿生学和动物部位示例,并引导学生围绕课程主题展开简短的讨论。

    • 观察这些图片。动物是如何利用这些部位实现生存的?人类也具备这种能力吗?(答案会因您找到的仿生学图片而有所不同:不,人类没有这种能力:自己发光 — 萤火虫;飞翔或在嘴的帮助下安静地移动 — 鸟;潜入水下深处 — 鲸鱼;把头缩进壳里 — 乌龟。)
    • 有哪些发明会让你联想到动物的某种能力?(例如:凭借机翼或叶片像鸟或昆虫一样飞行的飞机和直升机;像鲸鱼一样潜水的潜水艇;像龟壳一样保护头部的头盔;像萤火虫一样发光的灯泡;像鸟一样安静移动的火车和风力涡轮机)
    • 观察更多图片上面展示的分别是动物的哪些身体部位?(答案会因您找到的动物部位图片而有所不同:角、毛皮、鳃、带关节的腿部、翅膀、鸟嘴、眼睛、羽毛、鳞片、耳朵、刺、触角、鼻子、眼皮、壳、翎,以及明亮的颜色或花纹)
    • 想想各种动物的身体部位。你可以利用从中获得的启发解决哪些人类问题?(鼓励学生说出他们的想法并将其记录在黑板上,方便他们共同进行参考。)
  • 给每个小组分发一套 SPIKE 科创基础套装和一台设备。

探究

(小组,25 分钟)

  • 在活动过程中,告诉学生,他们的灵感可以来自任何动物,他们可以随心所欲地设计并搭建各种解决方案,来解决五花八门的人类问题。课程的“参与”部分给出了一些建议。强调说明,不存在唯一正确的模型。本课程是一个开放式项目,编程属于可选项。

  • 让学生:

    • 利用从“参与”部分获得的启发,选择一个要解决的人类问题,以及在解决这个问题时需要模仿的动物身体部位。
    • 画出他们的方案,包括带给他们启发的动物身体部位,以及设计方案帮助人类解决问题的具体方式。(让学生写出动物身体部位的名称,并圈出、标记或展示他们在方案中模仿这一部位的方式。)
    • 思考最适宜的材料。
    • 开始根据他们的设计方案搭建模型。
    • (可选)开始对模型进行编程,用它来展示设计方案的工作原理。
  • 在活动进行到一半的时候,让学生按照他们习惯的方式交流想法,并利用在分享中获得的灵感进一步完善他们的模型。

    • 测试他们的模型。修改模型,使它能够像他们预期的那样运行。
  • 鼓励学生开展头脑风暴,讨论如何将手工材料和乐高®组件组合运用到他们的设计方案中。鼓励学生在确定问题、设计解决方案和选择材料时充分发挥想象力。

解释

(全班,10 分钟)

  • 将学生召集到一起分享彼此的成果和创意。

  • 让每个小组分享并解释他们进行中的设计方案(模型和草图),包括:

    • 他们想要解决的问题以及他们想要解决这个问题的原因。
    • 他们是受到哪种动物身体部位的启发,以及动物是如何运用这个部位的。
    • 他们希望自己的发明能够发挥哪些作用。(学生可以口头描述或直观地展示他们解决方案的工作原理,但无需完成功能模型。)
    • 他们的设计是否有效,还是他们必须要调整设计。
    • 他们遇到哪些需要给予协助的设计挑战。

如果要继续学习“B 部分 — 解释”,请让学生保留搭建好的模型,或者给他们一些时间重新进行搭建。

B 部分(45 分钟

解释

(全班,10 分钟)

  • 重复“A 部分 — 解释”中的步骤,让其他小组演示并解释他们的学习成果。

拓展

(全班,30 分钟)

  • 让学生:

    • (10 分钟)继续测试和修改模型,直到它们能够实现预期的效果。
    • (15 分钟)演示他们的发明,并展示它是如何模仿动物的某个身体部位来解决人类问题的。
  • (5 分钟)鼓励学生分享:

    • 帮助他们完成挑战的知识、想法或技能。
    • 在搭建过程中获得的知识、想法或技能。
  • 让学生整理套装和工作区。

评估

(全班,5 分钟)

  • 在学生构思、搭建和编程的过程中,利用引导性问题促使他们进行思考和做出决策。

教师观察清单

  • 查看学习目标(_教师支持_部分)。

  • 利用清单观察学生的进度:

    • 他们能够参考所提供的科学资料,在描述和设计中指出动物利用外部身体结构实现生存的一些例子。
    • 他们的设计能够解决人类的某种问题,并且其中的一项功能是通过模仿特定动物的身体部位实现的。(学生可以口头描述或直观地展示他们解决方案的工作原理,但无需完成功能模型。)
    • 他们能够描述他们的设计使用了哪些材料,以及具有哪些功能。

自我评估

让每位学生选择一块最能代表自己当前水平的积木。

  • 蓝色积木:我觉得自己能够按照说明创建程序。
  • 黄色积木:我能够按照说明创建程序。
  • 绿色积木:我能够按照说明创建程序,还能帮助同伴达到相同水平。

同伴反馈

让学生在各自小组内讨论他们的合作经验。
鼓励他们使用如下表达方式:

  • 当你……我非常感兴趣
  • 我想了解更多关于你如何……

分层教学

可通过如下方式简化本节课:

  • 缩小人类问题的选择范围,或者提供某一特定的人类问题,并让他们将问题与某个特定动物的外部结构联系起来。强调指出,学生在搭建设计方案时可以不使用智能集线器,也可以不进行编程。
    可通过下列方式增加难度:
  • 让学生对模型进行编程,以展示他们发明的工作原理。也可以鼓励他们提高“拓展”部分挑战的难度,通过将两个或多个结构结合在一起来解决多个问题。

拓展

  • 让学生将他们在“探究”部分所画的设计图制作成宣传页或广告单,来介绍他们的发明。让他们借助箭头、圆圈和标签来解释发明的工作原理。他们还可以添加一些注释(几个单词或者一句话),告诉人们为什么要使用这个发明。

如果实施该部分内容,课程时间将超过 45 分钟。

教师支持

学生将会:

  • 找出能够帮助动物生长和生存的外部身体部位。
  • 设计一个通过模仿动物的某个外部身体结构来解决某种人类问题的方案。
  • 对设计方案进行描述,包括使用了哪些材料,以及解决人类问题的具体方式。

(每两名学生 1 套积木套装)

  • LEGO® Education SPIKE 科创基础套装
  • 安装了 LEGO Education SPIKE App 应用程序的设备
  • 请参阅”课前准备 - 材料”部分。

《义务教育科学课程标准(2022年版)》 1-2年级

  • 5.2-2 说出生活中常见动物的名称及特征,说出动物的某些共同特征。
  • 5.2-3说出周围常见植物的名称及特征。
  • 12.2-3 举例说出周围简单科技产品的结构和功能,知道科技产品给人们生活带来的便利、快捷和舒适。
  • 13.3-4 制作简单的实物模型并展示,尝试通过观察发现作品中存在的问题并提出改进方案。(工程教育标准)

《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》1-2年级

  • 4.1.1-5 通过数字设备辅助学习、交流与分享,激发对信息科技的好奇心和学习兴趣,产生对信息科技的求知欲。

《义务教育语文课程标准(2022年版)》1-2年级

  • 3.3.4-3 对周围事物有好奇心,能就感兴趣的内容提出问题,结合其他学科的学习和生活经验交流讨论,尝试提出自己的看法。

拓展学习:《义务教育语文课程标准(2022年版)》1-2年级

  • 3.3.4-2 观察大自然,热心参加校园、社区活动,积累活动体验。结合语文学习,用口头或图文等方式整理、表达自己在活动中的见闻和想法。

学生材料

学生学习单

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