以活動式支架助力科學概念建構

“支架”一詞，原意指建筑行業中的“腳手架”，是建筑工人所使用的能夠為他們建筑房子或修繕建筑物時提供支撐的暫時性平臺。在教學中，“學習支架”是指教師根據最近發展區理論，對復雜的問題通過建立“腳手架”式的框架，使學生能夠沿著它逐步攀升，從而完成對概念的意義建構。心理學研究證明：兒童的思維是從動手開始的，切斷活動與思維的聯系，思維就不能發展。因此，在教學中教師要為學生搭建好“活動式學習支架”，幫助學生合理有效地運用工具和資料，讓學生通過充分體驗獲得更多的直接經驗，從而有效地幫助學生建立完整的知識結構和概念體系，并做到真正理解。

下面，以筆者執教的《北極星“不動”的秘密》（以下簡稱《北極星》）和《證明地球自轉》（以下簡稱《證明》）兩課為例談一些粗淺的想法。

一、基于學生實際，搭建長時活動式支架

客觀存在的觀察障礙、實際感性體驗的缺乏、空間結構的運動性和大尺度等因素，造成了學生學習“地球和宇宙”內容的學習障礙。因此，在教學中，教師要從學生的實際經驗出發，讓學生通過長時、充分的體驗來獲得豐富的感性經驗。

1.課前調查，了解學生已有經驗

浩瀚的星空，神秘的宇宙，給人以無限遐想。由于居住環境限制、電子產品普及和學習任務繁重等原因，學生雖然知道許多關于星空、星座的碎片化知識，但真正能抬頭仰望星空的機會非常少。因此，在教學《北極星》一課前，筆者設計了這樣幾個問題進行調查（請學生在符合的情況后面畫“√”）：

（1）我沒有聽說過北極星。

（2）我聽說過北極星，知道它在天空中的大概位置是在北方，但不知道它在天空的確切位置。

（3）我聽說過北極星，知道它今晚在天空的確切位置。

（4）我知道北極星的很多事情，如 。

統計顯示：對于北極星，每個學生都聽說過并知道它在天空中的北方，但只有5%的學生表示能指出它的確切位置，個別學生提到了北極星在天空的中心點位置，一些學生估計已經預習過教材，他們認為：所有星星圍繞北極星轉、北極星的位置不會變、北極星在地軸附近、北斗七星繞著北極星轉、利用北極星可以看時間、北極星其實會動的；還有個別學生提到了北極星的樣子像勺子、北極星是天空中最亮的。可見，學生對北極星的了解基本上停留在“聽說”的層面，而沒有真正觀察過北極星，要讓他們以這樣的學習基礎，根據“人們觀星時發現北極星的位置好像始終沒有變化”來試著解釋其中的秘密，是有難度的。

《證明》一課的課前調查問題是：我知道地球是 的（選填“不動”或“運動”），我的依據是 。并請填“運動”的同學，在旁邊用簡單的圖或文字表示地球是怎樣運動的。調查結果顯示：每個學生都知道地球是運動的，近20%的學生寫出了合理的依據，如白天與黑夜、日出日落、太陽與月亮的出現等；80%的學生回答不出合理的解釋，其中52%的學生寫依據時只是重復了對運動的描述；7%的學生是看課外書知道的；20%的學生說“不知道”“是猜的”。

2.長時體驗，豐富學生感性經驗

猜想和假設是學生進行科學探究活動的重要組成部分，依據事實進行有根據地猜想能夠培養學生的理性思維。“地球與宇宙”板塊的很多事實，都不是學生親見過的，這就給他們有依據地猜想帶來了難度。

《北極星》一課在整個單元中具有承上啟下的重要作用，前面的《晝夜交替現象》《證明地球在自轉》《誰先迎來黎明》三課中探討的“地球自轉”與“自轉的方向”是本課學習的基礎，本課中的“地軸始終傾斜指向北極星”又是后面《為什么一年有四季》《極晝和極夜的解釋》兩課的學習基礎。由于學生的日常生活中基本沒有對“北極星不動”現象進行觀察的直接生活經驗，星星在天空中位置變化如何？北極星如何不動？這些問題對他們來說是含糊不清的。因此，在本課學習中，筆者為學生創設了直觀、動態、仿真的觀察體驗情境，豐富學生的感性認識，讓他們在精心設計的情境中提出問題與假設，并能通過模擬實驗證明北極星處在地軸的延長線上，在體驗中感受到地軸是傾斜的，從而發展他們對地球自轉的認識。

在這一課的開始，筆者是這樣安排長時體驗活動的：教師出示無地軸的地球儀，讓學生說說地球是怎么自轉的，再讓他們合作模擬地球自西向東自轉，每個小組中一個學生站在轉盤上，兩個學生舉起自制的“星空”板，一個學生慢慢轉動轉盤，其余學生記錄體驗者口述的發現。在充分的體驗中，學生知道了“地球自轉是繞著地軸進行的”，觀察了“地球自轉時周圍景物向反方向轉動”，發現了“中間有一顆星不動，周圍的星繞著這顆星慢慢轉動”等現象。然后遷移到“地球自轉時，北極星不動”這一自然現象，并為研究這一現象背后隱含的關于地球自轉的秘密打下了堅實的感性基礎。

二、基于教學內容，搭建簡約活動式支架

簡約的課堂，不是簡單的課堂，應當是關注學生如何學習、體現了以生為本思想的高效課堂。

1.優化材料，讓實驗更簡約

學生做出猜測或提出假設后，為驗證這些假設的可靠性，就要收集證據。在科學課上，用于驗證假設的實驗材料并不是越多越好，也不是越好玩越好，教師應該從學生的角度來審視與設計每一件材料，選擇那些具有典型性和科學性、操作簡便、現象明顯的材料，有效控制無關變量，引導學生通過親身實踐聚焦實驗現象，并進行思維加工，從而在對材料的探索過程中獲取對事物的正確認識。

（1）改進學習方式，創造實驗條件

《證明》一課，教材提供史實資料，引導學生理解“傅科擺是怎樣證明地球自轉的”。教學中常用的方法是：先組織學生閱讀資料，再用一些問題引導學生思考（如“傅科擺是怎樣特殊的擺？”“傅科擺擺動后發生了什么現象？”“為什么說人們親眼看到了地球的自轉？”）但是，僅僅通過閱讀加研討的方式來理解傅科擺的原理，對學生來說難度較大，有些成年人甚至都會感到困難。筆者參考傅科當年的實驗操作，讓學生采用分組模擬實驗的形式進行學習。具體方法是：在金屬球（實心健身球）下焊接了一枚小鐵釘，用花盆托盤裝上細沙。實驗時，學生只需把沙盤放在底板上，讓釘尖剛好碰到沙面，讓擺擺動起來（如圖1）。學生會親眼看到釘尖在沙面畫出的清晰痕跡，即傅科當年在教堂里的實驗場景，大大降低了學習的難度。

圖1 鐵釘在沙面上留下的痕跡

（2）改進實驗器材，降低操作難度

在《證明》一課中，第一環節是讓學生通過觀察，認識“擺具有保持擺動方向不變的特點”。我在教學中發現：要想得到理想的實驗效果，本實驗中的擺繩要長、擺錘要重、底盤要能靈活轉動，而符合這些要求的材料并不多，我們一般用教材推薦的方法：用鐵架臺做支架，把掛擺的橫桿移到上端，但這樣做會讓支架頭重腳輕、不太穩固，把它放到圓盤上做實驗會讓學生手忙腳亂、影響觀察。于是，我對實驗器材進行了改進：用自制的“門”字形金屬框架做支架，用網購的餐桌轉盤做轉動軌道，用圓形木板做底盤，用網購的實心金屬健身球做擺錘，把它們組裝在一起做成一個可以整體轉動的支架，其穩定性就大大提高了，也便于操作。

（3）排除無關變量，凸顯實驗現象

在《證明》一課中，第二環節的“傅科擺”是要學生理解“這個特殊的擺是可以直接證明地球在自轉的”，這是本課的難點。而知道“擺的擺動方向不變”特點是理解“傅科擺為什么能證明地球自轉”的基礎，所以，第一環節的實驗必須保證成功。但是，教材推薦的“將鐵架臺和擺一起放在一個圓底盤上”這個操作，旁邊并沒有詳細說明，只是附了插圖提示。像教材提示那樣組裝、轉動后，擺所在的位置其實并不在轉動軸上，而是繞著鐵架臺支柱轉動，導致學生會觀察到：剛開始還在面前擺動的擺，過了一會兒在別的地方擺動了。這個現象會讓學生誤以為是擺動方向在改變，后面的推理活動也就難以進行了。筆者在改進后的裝置中，把擺設在底板圓心的上方，讓擺的縱軸線與轉動軸完全重合，保證了實驗結果的正確有效，為“探究——研討”教學方法的實施掃清了障礙，教師可以大膽放手讓學生進行分組實驗，引導他們綜合運用觀察法、小組合作法等學習方法去自主發現：在擺動過程中，擺的擺動方向基本不變。

2.顯性呈現，讓表達更簡約

人類探究地球運動特點的過程是一個不斷地尋找證據的過程。本單元就是引導學生對地球的運動進行系統、持續和細致的探究，讓他們通過觀察、模擬實驗、收集資料等多種途徑和方法，收集有關證據。在對這些證據進行表述，尤其是涉及空間位置時，學生常會因地球運動的動態性和相對性而表述不清。此時，充分運用圖表、符號等的形象化特點，可以讓學生更高效地進行表達與交流。學生可以通過進一步分析、比較和概括，全面、準確地把握學習內容的核心和實質所在，從而實現有意義的建構，發展抽象思維能力。

如《證明》一課中研究“擺的擺動方向偏轉是什么引起的”這一科學問題時，我為學生設計的記錄單只是幾個圓圈，讓學生畫出擺在擺動時留下的痕跡。這種方法和文字描述相比，更接近實際情況，節省了學生記錄實驗現象的時間。以下是學生在實驗中觀察到的現象和他們的記錄（如圖2），在展示交流中，學生不難得出“支架不轉動，擺的擺動方向基本不變；支架轉動，擺的方向會改變”的實驗結論。

3.深入淺出，讓推理更簡約

《證明》一課中，學生學習“傅科擺是怎樣證明地球自轉的”這一內容有難度的原因主要有兩個：

一是要通過轉換空間視角來觀察思考。從宇宙視角（即地球外的角度）來看，擺的方向是沒有變化的，這其實是擺的慣性使然。從地球視角（即地面上人的角度）來看，擺的方向看起來又是變化的。

二是這個問題隱含著相對運動的原理，人們看見擺在緩慢轉動，其實是地球上的觀察者以為地球不動后看到的相對運動現象。五年級學生的思維發展還處于形象思維占主導、抽象思維比較薄弱的階段，他們的空間想象能力還很弱，既要轉換空間視角來思考，又要運用相對運動原理來推理，對他們來說確實是一個挑戰。

我在學生模擬實驗后，組織學生對觀察結果進行了梳理：支架不轉動，沙面上不會留下擺擺動偏轉的痕跡；支架轉動，沙面上會留下擺擺動偏轉的痕跡。以此為基礎引導學生推理：如果地球不轉動，沙面上不會留下擺擺動偏轉的痕跡；如果地球自轉，沙面上會留下擺擺動偏轉的痕跡。現在，人們看到了擺的擺動方向慢慢偏轉的痕跡，說明地球在自轉。

在這個環節的教學中，我特別提醒學生轉動時要非常緩慢。這樣，學生在前面有體驗，這里又有推理的過程，就大大降低了他們理解的難度，也就突破了本課的教學難點。

三、基于現代技術，搭建拓展活動式支架

課堂是進行教學活動的最主要的場所，但并不是唯一的。比如《北極星》一課，如果不組織學生開展室外的觀星活動，他們即使在課堂上通過探究知道了概念、明白了原理，還是很難保證在夜晚的天空能順利找到北極星與北斗七星，對相關內容的理解也不可能到位。所以，我們不能將學生學習的場所固定在課堂上，而應該結合教學內容，積極組織各種戶外觀察活動，使戶外活動成為課內教學的有益補充。

現代科學技術迅速發展的今天，恰當地利用一些軟件技術輔助教學，可以引領學生更好地開展課外觀察活動，調動他們學習的主動性和積極性。我近幾年使用過多款輔助觀察的軟件，引導學生在“宇宙”內容的課外觀察中發揮了積極的作用。

1.利用電腦桌面運行，獲得逼真的觀察情境

（1）Stellarium（虛擬天文館）

這是一個免費開源的桌面虛擬天文館軟件，它使用opengl對星空進行實時渲染，在電腦桌面上生成一片虛擬3D天空（如圖3）。用戶安裝此軟件后，通過輸入經緯度，設置所在地的地理位置，就可以獲得抬頭用肉眼看或用天文望遠鏡看一致的星空效果。利用拖拽、滾動滾輪的功能，可以尋找和放大星體；使用鼠標和鍵盤可以轉動、放大或縮小天幕；通過調整時間，可以再現或預測不同季節的天空，甚至可以觀察到太陽系的運動、星座運動、月相變化、日食過程等。由于這款軟件需要一定的操作技術，所以更適合教師上課時進行演示，當然，對于有條件的學生和家長來說，能嘗試也是一件極有成就感的事情。

（2）立體星圖（免安裝軟件）

相比于Stellarium，“立體星圖”的界面雖然不如它豐富生動，但操作更加簡便（如圖4）。通過這個軟件也能夠比較直觀地了解星空，理解各種星體的運行規律。對于學生來說，里面的亮星名稱、星座連線、星座故事都是極有吸引力的。對這款軟件的操作，每個學生都能勝任，能使他們在活動中加深對宇宙和星空的認識，都有機會逐漸成為會真正“看門道”的天文愛好者。

2.利用智能手機運行，獲得隨時的觀察提示

智能手機上的星空軟件，主要依賴手機內建的全球衛星定位系統（GPS）及加速器，能精確地利用觀察者所在位置，包括所面對的方向、手機傾向何方等，顯示當前所在位置的星空圖，而且星空圖還會隨著人的運動而變化。這樣的與現實一致的星空圖，可以讓觀察者在天空中快速定位到想找的目標。

（1）谷歌星空（安卓系統）

谷歌星空（Google Sky Map）是谷歌推出的一款星空觀測應用軟件，它如同一個微型的天文望遠鏡，帶人仰望星空，探尋宇宙的奧妙。利用谷歌星空可查看各種天體，包括星體、星座、星系、行星和月球，允許用戶自由設定顯示哪些天體。

（2）星空精簡版（蘋果系統）

這是一款由能與IPhone、IPad和IPod touch兼容的的軟件，該軟件顯示的星空視圖，不僅色彩絢麗，還帶有動畫和迄今最詳盡的恒星、衛星、行星及太空深處星體的信息（如圖5）。觀察者可以在環球旅行者模式下，從世界的任意地點探索星空，甚至可以看看另一個國家的星空是什么樣的，體驗穿越的神奇。此外，該軟件還能把將要到來的日食、月食，甚至年度所有天體事件進行預告。

兒童的科學探究雖然與科學家的科學研究在本質上都屬于科學探究的范疇，但由于兒童認知發展和思維水平的局限性，他們的探究往往具有主觀性、片面性、無意識和缺乏邏輯性等特點，需要教師在教學過程中發揮促進者的作用，特別是當學生遇到具有挑戰性的科學探究活動而陷入“困境”時，更需要教師對其學習與概念建構進行及時助力，搭建學習支架，幫助他們發揮潛能，超越最近發展區而達到其可能發展到的水平。當然，教師給學生科學探究搭建學習支架時，需要把握好一個“度”的問題，即適時、適合、適度，必須考慮如何促進學生的獨立思維。只有在學生不能獨立完成的情況下，教師才可以給予積極主動地支持與幫助。