小学科学人教鄂教版 (2017)六年级下册14 模拟探索:到火星上去第二课时教学设计及反思

课程基本信息

学科

小学科学

年级

六

学期

春季

课题

14模拟探索：到火星上去（第二课时）

教科书

书名：义务教育教科书 科学 六年级 下册                              

出版社：人民教育出版社 湖北教育出版社   出版日期：2020 年12月

教学人员

姓名

单位

授课教师

指导教师

教学目标

【科学知识】

    了解火星与地球基本条件的区别。

【科学探究】

    1. 能根据所学知识利用文字与图案或实物，表达自己的想法，设计较为合理的“火星定居计划”。

    2. 了解一项工程需要由多个子系统组成，如实现“火星定居计划”需要考虑供氧、供水、供暖、食物补给系统等。

【科学态度】

    能大胆质疑，从不同视角提出研究思路。

【科学、技术、社会与环境】

了解航空航天技术的发展和应用影响着社会的发展。

教学重点：

根据所学知识制定“火星定居计划”。

教学难点：

    能利用文字与图案或实物，表达自己的创意与构想，从多方面制定有理有据的“火星定居计划”。

教学过程

教学环节

主要师生活动

一、情景导入

1.联系上节课内容，提出新问题

提问：各位同学们，大家好。上节课我们利用“火星探测器”成功在火星上“着陆”了， 那我们可以搭载火箭直接到火星上居住吗？

【预设学生回答】

学生1：通过之前的学习我了解到，火星是太阳系中综合条件与地球最相似的星球，因此我认为可以直接到火星上居住。

学生2：我和你的观点有些不同，目前来看，火星确实是太阳系中除了地球最适合我们生存的星球。但通过一些资料我了解到，火星与地球还是存在很多不同之处，因此我认为我们人类以及地球上的各种生物，都不能直接在火星上生存，还需要做一些准备。

环节意图：承上启下，勾连第一课时内容，并引导学生探究新任务。

二、

探究与实践

1.提出问题

提问：通过之前的学习我们了解到虽然火星与地球有一些相似和很多不同，因此想要在火星上“定居”我们首先需要进一步了解火星，关于火星，你们最想要了解什么问题？

【预设学生回答】

学生1：我想知道火星表面的平均温度是多少？这样我可以决定带什么季节的衣服。如果与地球差别很大还需要准备特制的服装。

学生2：我想知道火星大气状况是怎样的？与地球有什么区别。

学生3：我们离不开水，火星上有水吗？

学生4：火星上有动植物吗？火星上有足够的食物吗？

追问：这些问题可以通过什么方法解决呢？

【预设学生回答】

学生：可以利用查阅书籍、网络等资料的方法解决。

2.对比火星与地球

谈话：请同学们利用查阅资料的方法将收集到的信息填写在表格中。

【预设学生回答】

学生1：地球与火星自转轴有明显倾斜，亦有明显的四季变化，地球公转一圈约为365天，火星公转一圈约为687天。地球自转周期为23小时56分4秒，火星自转周期为24小时37分，也就是说火星上的一天和地球的上一天是差不多的。

学生2：地球与火星结构相似，都分为壳、幔、核。并且都有两极。

学生3：地球和火星一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷。

过渡语：通过调查我们了解到火星与地球有这么多的相似之处，这些也印证了同学们提出的火星与地球很相似的说法。但火星与地球也有所不同，让我们继续对比火星与地球。

【预设学生回答】

学生1：火星比地球小一些，半径为地球的53%，体积为地球的15%，质量为地球的11%，表面重力为地球的38%。地球表面上的平均温度大约是14℃，火星冬季最低温度为零下125℃，夏季最高22℃，平均气温-63℃。

学生2：地球上的水约占地球表面积的71%，火星的空气中、土壤及地下有水，在火星两极也发现有冰盖。

学生3：地球上空气主要由78%的氮气、21%氧气、0.94%的稀有气体，0.03%的二氧化碳，0.03%的其他物质组成的混合物。

火星表面平均气压约为地球的0.6%。有95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氢气，很少的氧气、水汽、一氧化碳等。

小结：同学们收集的信息很丰富，总结出很多火星与地球的区别，除此之外，火星与地球还有很多不同之处。比如：地球与火星的土壤存在明显的不同。地球的土壤是由砂、黏土、腐殖质、水和空气组成。火星土壤中含有大量的铁锈，硫含量为地球的100倍，钾含量仅为地球的五分之一,没有腐殖质。

3.确定问题，探究解决方案

谈话：通过对比火星与地球，我们发现火星与地球的环境存在一些不同，请你说说我们在火星上生活会遇到哪些问题？

【预设学生回答】

学生1：火星上的温差较大，人类及地球上的各种生物可能会不适应。

学生2：火星表面没有稳定的、大量的水，水是生命之源，没有可以饮用的水人类将无法生存。

学生3：通过对比火星与地球的大气组成，我发现有很大差别，最重要的火星上没有氧气，动植物生存离不开氧气。

学生4：火星上也没有物资，没有食物，我们需要食物为我们提供能量。

引导语：通过对比火星与地球，同学们提出了各种问题，想要在火星上定居就要解决这些问题，想想哪些方法可以使火星的环境变得和地球一样适合我们居住。选择一个你最感兴趣的问题试着提出解决方案。

【预设学生回答】

学生1：关于温差这一问题，我认为人类可以先选在洞穴中生活，因为洞穴中有一定保温作用，就像陕北的窑洞一样住起来冬暖夏凉，而在在洞穴内还可以减少辐射对我们的伤害。与此同时，在地表可以利用3D打印技术选择火星上现有的适宜的材料建造各种适合地球生物生存的建筑物。目前已经有很多机构在地球上利用人工智能和3D打印技术设计、制造出适合在火星搭建建筑物。

衣着方面，如果是在建筑物内则可穿普通的衣物，如果需要外出就需要穿特制的宇航服了，宇航服需配有氧气瓶，有较强的保暖功能，而且能都抵挡辐射。

学生2：我想解决火星上没有水这一问题，我构想了三种设备可以在火星上收集水。首先火星的大气中有水蒸气，可以利用抽湿机收集空气中的水。第二种设备是用来提取地下和土壤中水，火星的地表类似地球上的冻土地带，当温度升高时水会涌出，因此这一设备的功能就是给地表加热，同时收集水。第三种方法可用于应急，是将从地球上带来的燃料燃烧，这样也会产生水。

这些三种方法的出水量都不高，获取到的水也比较有限，因此想要大范围、大量的获取水就需要对火星的大环境进行改变，通过查阅资料我了解到有些科学家提出用太空镜给火星加热，有些科学家提出可以利用小行星撞击来改变火星大环境……。

【预设学生回答】

学生3：火星上没有氧气，但有二氧化碳，通过查阅资料，我了解到二氧化碳在一定条件下可以分解为氧气和一氧化碳，在让这些气体通过特殊的过滤器，这样就可以得到氧气。除此之外，我们了解到绝大多数植物在白天收到阳光的照射，会吸收二氧化碳并释放氧气，因此可以种植很多植物来将二氧化碳转化为氧气。

学生4：我认为两位同学提出的方法在一定条件下是可行的，但根据目前一些科学家的研究，我了解到火星上基本没有液态水是因为火星上没有磁场，引力也比地球上小的多，如果不解决这一问题，那发现或制造出再多水和空气都会逐渐“逃离火星”。以目前的技术水平只能改变火星局部地区的磁场，在火星上建立空间站，空间站内有可以改变磁场的设备。

提问：同学们提出的方法都有一定的可操作性，当然也有一些想法听起来天马行空很难实现，但随着我们对宇宙的不断探索、科技的不断发展，相信在未来我们能够慢慢实现各自的想法，把不可能变成可能。刚刚大家提出了解决温度、水、空气问题的方法，食物这一问题同学们有什么办法可以解决呢？

【预设学生回答】

学生：上学期我们学习过植物工厂，我了解到植物生长需要光、空气、水、营养物质。首先我认为植物需要种植到相对密封的环境下。火星上虽然可以被太阳光照，光照强度较差，因此，可以利用LED灯补充红光和蓝紫光来保证植物生长时所需的光能。水可以参考同学们刚刚提出的方法。植物生长需要二氧化碳和氧气，火星上有足够的二氧化碳，因此只需解决氧气的问题。植物白天进行光合作用时会产生氧气，但植物生长前期氧气含量可能会不足，因此还需要人为补充氧气。营养物质就需要改善火星上的土壤，可以利用人类和动物的排泄物作为肥料，补充火星土壤中的有机物和微生物，同时适当添加植物所需的各种矿物质。

改善土壤需要较长的时间，因此还可以在水中直接加入营养物质，利用无土栽培的技术种植各种植物。解决了光、水、空气和营养的问题理论上就可以在火星上种植物，这样就基本解决食物问题了。

4．制定火星定居计划

引导语：我们通过分析、对比火星与地球的环境，发现了很多火星与地球的不同之处，随后同学们根据这些客观的不同条件提出相应的实际问题，之后大家利用所学知识和收集到的各种信息提出了较为合理的解决方案。了解想要在火星定居有哪些需求后，接下来请同学们以组为单位设计一份火星定居计划。

（学生画草图视频）

过渡语：让我们来看看同学们的设计图，听听他们的设计思路吧。

【预设学生回答】

一组：这是我们组的设计方案，我们认为想要在火星定居主要需要解决温度、氧气、食物这几个问题，因此我设置了氧仓、蓄水池、植物大棚和堡垒式的住宅和工作区。由于火星环境恶劣，不容易在地表活动，因此这些建筑物之间都有管道。除此之外，我们还设置了风力发电装置为各种设备提供电力。

提示：组内确定方案后，就可以进行搭建了，从而使我们的设计表达更加直观、形象。在搭建过程中会用到各种工具，请同学们正确操作、注意安全。

 （学生参考设计图摆沙盘视频）

交流：请第一组同学为大家详细介绍他们的方案。

【预设学生回答】

一组：这是我们组利用沙盘呈现的火星定居方案。最左侧是运送往返人员和物资的火箭，旁边放置了较为丰富的燃料。沙盘的中间是一个密封罩，模拟在火星上种植农作物的“大棚”，里面的土壤已经用有机物进行了改善，可以种植土豆等植物。“大棚”顶部配有LED灯为植物进行科学补光。“大棚”右侧的建筑物有两个功能，一是适量抽取植物产生的氧气，二是从冻层解冻并抽取水。沙盘中的最右侧的建筑物是用来模拟人类居住的建筑，它会将其它装备产生的水、氧气利用管道输送到人类生活的区域。火星上还有安置各种功能的机器人，有的可以进行勘测，有的可以搭建各种设备……。 以上提到的设备都需要电才能运作，火星上经常会有风暴天气，会产生丰富的风能，因此我选择利用风能发电。

过渡语：我们再来听听其他组的想法吧。

谈话：针对这一组用沙盘呈现的火星定居方案，请其他同学进行评价。

【预设学生回答】

二组：这是我们组的火星农场规划图，它由信号塔、种植区、养殖区、火箭发射区、核反应堆、发电站、监控室组成。

引导语：除了利用沙盘搭建，我们还可以自制模型进行搭建。

（学生制作模型视频）

交流：请这组同学为我们详细介绍他们的想法。

【预设学生回答】

二组：人类生存离不开氧气、水和食物，因此我们规划了这一火星农场来保障在火星定居人类的基本需求。农场使用火星地下冻土层的地下水，加入适当的营养物质便可以成为无土栽培的营养液，供给植物。农场中有控制的温度和湿度的设备，还配备了用来补充光能的LED灯。电力来源有两种，白天主要通过太阳能电池板，同时垂直风力发电机也可以有效的补充电力的消耗，因为火星表面没有植被保护，风沙比较大，垂直轴的风力发电机可以有效的利用来自各个方向的风力，并且发电机组很稳定的在地下，而且这种风力发电装置占地空间较小；蛋壳型的穿梭机可以利用空间引力进行快速的穿梭，往返地球和火星，运送必须的物资。由于火星上温差较大，辐射较为严重，因此我将我们居住的场所安排到地下，这样会较为适宜。

引导语：听了这两组的介绍，相信对大家有很多启发，假如让你住在这样的火星基地，你愿意吗？针对这两个方案，请同学们进行评价。

【预设学生回答】

学生1：第一组同学搭建的火星定居方案设备较为全面，基本能保障人类生存的需求，但火箭着落和发射过程中可以会产生噪音，因此我建议将火箭发射的位置进行调整，远离生活区。

学生2：我想给一组提一些建议，火星上沙尘很多，空气质量也不好，因此我认为可以多种树，多做绿化。

学生3：我认为一组的火星定居计划人类活动的区域较小，感觉生活在那里会很无聊，因此我认为可以增加一些娱乐场所。

学生4：第二组同学搭建的火星农场很精致，不过我认为植物产生的氧气可能在短时间内不足以满足人类生存所需，因此我建议增加制氧装置。

学生5：我想给二组同学提一个建议，人类居住在地下确实可以有助于抵挡辐射，但如果出现火灾等紧急情况，就不太容易逃脱，因此我建议增加避难场所，或者进行逃生通道。

追问：听完同学们的评价，你们准备怎样改善呢？

【预设学生回答】

一组：根据同学提出的建议，我们会调整各建筑物之间的布局，如将火箭发射区安排在较远的位置，使得居住环境更加适宜，从而减少噪音等问题。但大范围进行绿化这一建议，因为火星环境不能满足植物生长的各种需求，改造环境也并非一朝一夕就能完成，我们暂时没办法解决。但相信经过长时间的火星改造，终有一天能够扩大绿化面积。

二组：我们组接受同学们提出的建议，后续我们会增加制氧装置和逃生设备以备不时之需。

提示：同学们也可以积极与其他同学进行交流，听取他人有益的建议，进而完善自己的方案。

小结：想要完成“火星定居计划”这一工程，首先需要了解人类在火星居住有哪些需求，然后根据需求进行设计，确定设计方案后就可以进行模拟建造，最后让使用者进行评估，提出新的问题、新的需求，再进行完善……不断循环这四个环节，就可以不断优化工程了。

环节意图：让学生充分发挥自己的想象力，利用所学知识或收集到的资料解决问题，激发学生探究的兴趣。

谈话：同学们提出了很多精彩的构想，接下来，我们来看看科学家们对于火星定居都有哪些设想。（视频）

三、

单元总结

过渡语：接下来，我们一起回顾本单元进行过哪些探究。

【预设学生回答】

学生1：飞行器是人类飞上天空、探索宇宙的重要工具，飞行器都是运用一定的科学原理实现飞行目的的。

本单元我们认识了一些飞行器，了解了它们的飞行动力。

学生2：在制作“火箭”的过程中我们选择合适的材料和工具进行设计和制作，在实地测试和改进中发现问题、解决问题，最终完成了“火箭”的制作。

学生3：我们还设计了“火星探测器”的着陆方案，制订了“火星定居计划”。

讲解：在解决各种问题过程中，我们需要灵活运用到科学、技术、工程和数学的相关技能，进而才能完成各项任务。

小结：通过这一单元的学习我们对宇宙进行了初步的探索，畅想了奇妙的太空旅行。希望同学们在课下可以继续探究，更深入的了解宇宙的无穷奥秘。

今天的科学课就上到这里！

环节意图：帮助学生认识到解决问题要试着化大为小、化繁为简，学会将问题进行分解，从而完成整个问题。

板书设计

模拟探索：到火星上去