殷國(guó)程，韓繼彤

（北京市朝陽區(qū)青少年活動(dòng)中心，北京100027）

結(jié)合小學(xué)科學(xué)課中“搭支架”這節(jié)課的教學(xué)需要，采用一次性木筷和皮筋作為基礎(chǔ)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。取材容易、成本低，易于推廣實(shí)施。

1 一場(chǎng)實(shí)踐探究活動(dòng)的帶來的思考

1.1 學(xué)生在探究式學(xué)習(xí)中收獲了什么

北京市朝陽區(qū)組織曾經(jīng)組織過一場(chǎng)區(qū)級(jí)“捆支架”比賽，比賽要求3 名學(xué)生組成1 個(gè)小組，每個(gè)組分配30 根一次性竹筷和1 小包皮筋，用40 min 制作一個(gè)高度超過30 cm可以承重的支架。

經(jīng)過了幾個(gè)月的準(zhǔn)備，有上百位選手參加了這次比賽，但結(jié)果卻不盡人意。大部分作品都以“失敗”而告終，成績(jī)最好的幾個(gè)作品承重能力基本在1 kg 左右，設(shè)計(jì)上也沒有什么規(guī)律可言。大部分參與者卻都覺得這個(gè)活動(dòng)非常有意思，認(rèn)為這次活動(dòng)非常成功。參與人數(shù)多、活動(dòng)氣氛熱烈、學(xué)生和教師喜歡就是好的活動(dòng)嗎？筆者認(rèn)為大家的收獲可能僅局限于“參與過”的層面。

1.2 學(xué)生是否運(yùn)用了已有經(jīng)驗(yàn)

如何捆出一個(gè)好的支架？無論是學(xué)生還是教師，都能說出“盡可能使用三角形”這樣淺顯的公知經(jīng)驗(yàn)。但制作時(shí)大家基本上都不知道如何運(yùn)用。活動(dòng)的成功者，也往往總結(jié)不出相關(guān)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)?！皽\層次”探究式學(xué)習(xí)，可能也是開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的一個(gè)普遍現(xiàn)象。

1.3 教師在探究活動(dòng)中的作用

無論是做教師培訓(xùn)，還是給學(xué)生上課，教師們都非常喜歡講“捆支架”這套課程。這套活動(dòng)課程的開發(fā)，也成了筆者們觀察理解教師、學(xué)生和課程的一個(gè)重要工具。在給教師和學(xué)生培訓(xùn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遇到困難以后，教師往往比學(xué)生更容易放棄探究。一個(gè)沒有探究熱情的教師，如何引領(lǐng)一個(gè)班的學(xué)生開展探究活動(dòng)？教師輔導(dǎo)學(xué)生也就成了紙上談兵，對(duì)于科學(xué)性問題也就往往喜歡大而化之地簡(jiǎn)單概括，這樣的“淺層學(xué)習(xí)”對(duì)于學(xué)生探究精神的培養(yǎng)無疑是巨大的傷害。

2 探究、探究、再探究

用了大半年的時(shí)間認(rèn)真分析區(qū)賽中的幾個(gè)獲獎(jiǎng)作品，一個(gè)一個(gè)仿制，不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。終于，筆者們僅僅使用了27 根木棍就制作出了一個(gè)可以承重17 kg 的“超級(jí)支架”，承重能力提高了十幾倍。

2.1 解決問題的方法到底是什么

如果僅僅是把這個(gè)支架的制作過程記錄下來，手把手教會(huì)學(xué)生制作，參加比賽肯定可以取得非常優(yōu)異的成績(jī)。這樣的模式作為一個(gè)活動(dòng)來說肯定沒有問題，作為一節(jié)科技實(shí)踐活動(dòng)的課程來說，肯定也是沒有問題的。但是，從科學(xué)研究和育人的層面來考慮，僅僅教會(huì)一個(gè)學(xué)生“照貓畫虎”地完成一個(gè)作品，甚至取得一個(gè)優(yōu)異的成績(jī)就夠了嗎？這個(gè)過程真的能培養(yǎng)一個(gè)學(xué)生的科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度、學(xué)科素養(yǎng)和大國(guó)工匠嗎？這就真的要畫一個(gè)大大的問號(hào)了，很多日常培訓(xùn)課程和活動(dòng)何嘗不是這樣。

2.2 知其然也要知其所以然

優(yōu)秀的實(shí)踐活動(dòng)課程，必須要讓學(xué)生知其然，也要知其所以然，讓學(xué)生能夠做進(jìn)一步的探究，發(fā)現(xiàn)更加深層次的規(guī)律、知識(shí)點(diǎn)和興趣點(diǎn)，找出與其他相關(guān)知識(shí)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，同時(shí)也能拓展其應(yīng)用場(chǎng)景。

經(jīng)過無數(shù)次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成的這個(gè)“終極結(jié)構(gòu)”，似乎它“理所應(yīng)當(dāng)”就是這個(gè)樣子，畢竟在生活中也可以找到它的影子——如天線塔和腳手架。如果是講課的話，只要告訴學(xué)生：想要制作一個(gè)承重支架，你們必須要多觀察生活，天線塔和腳手架就是非常好的支架結(jié)構(gòu)。這樣一來，問題好像解決了，理論也聯(lián)系實(shí)際了。但是，探究半年的成果就這樣一句話帶過了嗎？

2.3 讓學(xué)生體會(huì)到“曲徑通幽”的探究之妙

如何讓學(xué)生也能夠沉迷在這樣的探究過程中，真正體會(huì)到探究的快樂？或者讓他們?nèi)〉酶嗟氖斋@？這又成了一個(gè)新的問題。最低限度，也應(yīng)該讓學(xué)生看到這半年的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，以及在這個(gè)過程中產(chǎn)生的各種附加收獲，這也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和學(xué)科素養(yǎng)的一個(gè)重要手段。

只有找到“母體”——給人們最大啟發(fā)的原點(diǎn)，用現(xiàn)在完成的這個(gè)“終極結(jié)構(gòu)”通過反向推演到這個(gè)“母體”，才能算是一次成功的反向推演。這個(gè)“母體”就是當(dāng)時(shí)獲得區(qū)一等獎(jiǎng)的一個(gè)作品，它的承重能力是依靠三根雙股的立柱，穩(wěn)定性依靠的是一個(gè)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。雖然它的承重能力只有1 kg 多一點(diǎn)，但是人們始終覺得具有一定的設(shè)計(jì)思想，值得進(jìn)一步研究和優(yōu)化。也就是在這個(gè)“母體”的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，才形成了后面的“終極結(jié)構(gòu)”。

在確立了“母體”與“終極結(jié)構(gòu)”之間的關(guān)聯(lián)以后，挖掘規(guī)律的技術(shù)手段也就確立了——雙向推演。

從“母體”到“終極結(jié)構(gòu)”之間，一定存在著很多條因果鏈條，有些路徑是必要的，有些路徑是非必要的。只有經(jīng)過無數(shù)次的正向和反向推演，才能夠發(fā)現(xiàn)其中一條最重要的因果鏈條，這才是最佳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。這也就是筆者所說的“雙向推演”。非必要路徑也不是沒有研究的價(jià)值——“曲徑通幽”，也能給大家?guī)硪馔獾氖斋@，同樣也能夠充實(shí)到大家課程的知識(shí)體系中來。

2.4 抓住構(gòu)優(yōu)化路徑和知識(shí)路徑兩個(gè)因果鏈條

在這個(gè)“雙向推演”的過程中，無形中就形成了兩個(gè)因果鏈條：結(jié)構(gòu)優(yōu)化路徑和知識(shí)成長(zhǎng)路徑。

仔細(xì)觀察“母體”中負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，感覺它是由很多的三角形構(gòu)成，經(jīng)過不斷模仿和優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)正八面體（八個(gè)面都是三角形）是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、最穩(wěn)定的承重支架。最重要的是，它所有兩兩相對(duì)的面是平行的，因此，它的頂上就有一個(gè)三角形的平面可以穩(wěn)定地承載重物。最神奇的地方是：天然金剛石居然就是正八面體。如果把正八面體疊加起來，就可以做出有足夠高度的、穩(wěn)定的承重支架。如果需要增加抗壓能力，可以輔助幾根立柱來完成——運(yùn)用的是“立木支千斤”的原理。

把兩個(gè)疊在一起的正八面體和三根立柱組成的這個(gè)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化，就可以得到前面提到的“終極結(jié)構(gòu)”。優(yōu)化過程就是把突出到立柱以外的點(diǎn)都向里面收，去掉所有重復(fù)的且受力較小的木棍，進(jìn)一步提高捆扎的速度與效率，進(jìn)一步美化結(jié)構(gòu)等。最終得到了一個(gè)使用27 個(gè)木棍制作的三棱柱，每個(gè)側(cè)立面是一個(gè)正方形的外框，外框中間是一個(gè)漂亮的“米”字。得到的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)練、穩(wěn)固。

從前面分析中可以發(fā)現(xiàn)，在探究正八面體與立柱之間的關(guān)系時(shí)，再分析結(jié)構(gòu)制作的知識(shí)路徑（木棍→三角形→正四面體→金字塔形→正八面體；二維→三維；不能承重→承重）的過程中，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、功能和知識(shí)層面，都存在著一個(gè)層層遞進(jìn)的規(guī)律。讓學(xué)生參與這個(gè)制作和實(shí)驗(yàn)的過程，就是學(xué)生知識(shí)能力建構(gòu)和興趣培養(yǎng)的過程。因此，從這個(gè)層面來講，也非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

在上一部分的分析中也可以發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生了解和參與從“正八面體和三個(gè)立柱”這個(gè)基本結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化開始，到形成一個(gè)“終極結(jié)構(gòu)”的教學(xué)和探究過程，遠(yuǎn)比讓學(xué)生按照教程、按部就班地制作一個(gè)“終極結(jié)構(gòu)”的傳統(tǒng)教學(xué)方式更有意義。

三棱柱的三個(gè)側(cè)立面都必須是矩形嗎？它們必須要做成現(xiàn)在的“米”字型嗎？是不是可以做成其他的形狀？一共可以有多少種變化？這些內(nèi)容都非常值得探究。

2.5 回歸現(xiàn)實(shí)

如果課程體系僅僅是讓學(xué)生制作一些基本幾何體、了解它們之間的關(guān)系、學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、制作一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從表面上看，感覺課程也是非常系統(tǒng)完善，也非常有“工科”的感覺。這樣的課程體系對(duì)于一個(gè)初中生、高中生和大學(xué)生來說，內(nèi)容和形式感覺也還是很不錯(cuò)的。但對(duì)于小學(xué)生來說就有些枯燥了。增加課程的趣味性、拓展性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性也是校本課程開發(fā)的當(dāng)務(wù)之急。

3 打磨、打磨、再打磨

3.1 “十年磨一課”的工匠精神

有了上面的這些思考，經(jīng)過近10年的打磨，一套適合校外、課外活動(dòng)的課程體系應(yīng)運(yùn)而生。一次性木筷和皮筋都是非常容易獲得的材料，而且可以反復(fù)使用；內(nèi)容和形式既可以作為課程，也可以作為競(jìng)賽活動(dòng)。這樣的課程必然會(huì)廣受中小學(xué)師生的歡迎。

3.2 生根發(fā)芽，開花結(jié)果

目前，這套課程大致包括以下幾個(gè)方面：①摩天大樓；②基本結(jié)構(gòu)捆扎、制作五連發(fā)皮筋槍；③藝術(shù)變形支架；④正八面體捆扎、制作投石機(jī)；⑤承重支架比賽；⑥“終極結(jié)構(gòu)”探究。

幾年前的一場(chǎng)區(qū)級(jí)捆支架比賽，讓人們意識(shí)到“淺層學(xué)習(xí)”甚至“盲目探究”現(xiàn)象的危害性。很多探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)，雖然尊重了兒童的天性，也體現(xiàn)出“游戲化、做中學(xué)”，能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有美好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但也存在著模糊學(xué)習(xí)目標(biāo)、因游戲化而忽略思維進(jìn)階、缺少高級(jí)思維訓(xùn)練等問題。在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，一定要盡可能避免“低水平”自主探究，甚至盲目探究。

“捆支架”這個(gè)活動(dòng)是筆者最喜歡教的一套課程，而且已經(jīng)做過很多場(chǎng)教師培訓(xùn)，效果非常好，既培養(yǎng)了教師們的專業(yè)能力，也提高了他們的專業(yè)興趣，同時(shí)也激發(fā)了他們對(duì)于日常教學(xué)工作的重新思考和定位。所有的教學(xué)內(nèi)容只有經(jīng)過這樣的挖掘和提升，才能夠把課程從玩中學(xué)的初級(jí)階段，提升到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的高度。