从自然中学习

（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

• 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。

• 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。

• 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

• 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。

• 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。

• 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……

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。

• 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。