通過“捆支架”系列課程的開發過程反思科技活動校本課程的開發

殷國程，韓繼彤

（北京市朝陽區青少年活動中心，北京100027）

結合小學科學課中“搭支架”這節課的教學需要，采用一次性木筷和皮筋作為基礎材料進行結構設計。取材容易、成本低，易于推廣實施。

1 一場實踐探究活動的帶來的思考

1.1 學生在探究式學習中收獲了什么

北京市朝陽區組織曾經組織過一場區級“捆支架”比賽，比賽要求3 名學生組成1 個小組，每個組分配30 根一次性竹筷和1 小包皮筋，用40 min 制作一個高度超過30 cm可以承重的支架。

經過了幾個月的準備，有上百位選手參加了這次比賽，但結果卻不盡人意。大部分作品都以“失敗”而告終，成績最好的幾個作品承重能力基本在1 kg 左右，設計上也沒有什么規律可言。大部分參與者卻都覺得這個活動非常有意思，認為這次活動非常成功。參與人數多、活動氣氛熱烈、學生和教師喜歡就是好的活動嗎？筆者認為大家的收獲可能僅局限于“參與過”的層面。

1.2 學生是否運用了已有經驗

如何捆出一個好的支架？無論是學生還是教師，都能說出“盡可能使用三角形”這樣淺顯的公知經驗。但制作時大家基本上都不知道如何運用。活動的成功者，也往往總結不出相關的專業經驗。“淺層次”探究式學習，可能也是開展實踐教學活動的一個普遍現象。

1.3 教師在探究活動中的作用

無論是做教師培訓，還是給學生上課，教師們都非常喜歡講“捆支架”這套課程。這套活動課程的開發，也成了筆者們觀察理解教師、學生和課程的一個重要工具。在給教師和學生培訓時發現，當遇到困難以后，教師往往比學生更容易放棄探究。一個沒有探究熱情的教師，如何引領一個班的學生開展探究活動？教師輔導學生也就成了紙上談兵，對于科學性問題也就往往喜歡大而化之地簡單概括，這樣的“淺層學習”對于學生探究精神的培養無疑是巨大的傷害。

2 探究、探究、再探究

用了大半年的時間認真分析區賽中的幾個獲獎作品，一個一個仿制，不斷進行結構優化。終于，筆者們僅僅使用了27 根木棍就制作出了一個可以承重17 kg 的“超級支架”，承重能力提高了十幾倍。

2.1 解決問題的方法到底是什么

如果僅僅是把這個支架的制作過程記錄下來，手把手教會學生制作，參加比賽肯定可以取得非常優異的成績。這樣的模式作為一個活動來說肯定沒有問題，作為一節科技實踐活動的課程來說，肯定也是沒有問題的。但是，從科學研究和育人的層面來考慮，僅僅教會一個學生“照貓畫虎”地完成一個作品，甚至取得一個優異的成績就夠了嗎？這個過程真的能培養一個學生的科學精神、科學態度、學科素養和大國工匠嗎？這就真的要畫一個大大的問號了，很多日常培訓課程和活動何嘗不是這樣。

2.2 知其然也要知其所以然

優秀的實踐活動課程，必須要讓學生知其然，也要知其所以然，讓學生能夠做進一步的探究，發現更加深層次的規律、知識點和興趣點，找出與其他相關知識的關聯點，同時也能拓展其應用場景。

經過無數次的結構優化完成的這個“終極結構”，似乎它“理所應當”就是這個樣子，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，只要告訴學生：想要制作一個承重支架，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構。這樣一來，問題好像解決了，理論也聯系實際了。但是，探究半年的成果就這樣一句話帶過了嗎？

2.3 讓學生體會到“曲徑通幽”的探究之妙

如何讓學生也能夠沉迷在這樣的探究過程中，真正體會到探究的快樂？或者讓他們取得更多的收獲？這又成了一個新的問題。最低限度，也應該讓學生看到這半年的結構優化過程，以及在這個過程中產生的各種附加收獲，這也是培養學生科學思維和學科素養的一個重要手段。

只有找到“母體”——給人們最大啟發的原點，用現在完成的這個“終極結構”通過反向推演到這個“母體”，才能算是一次成功的反向推演。這個“母體”就是當時獲得區一等獎的一個作品，它的承重能力是依靠三根雙股的立柱，穩定性依靠的是一個復雜的幾何結構。雖然它的承重能力只有1 kg 多一點，但是人們始終覺得具有一定的設計思想，值得進一步研究和優化。也就是在這個“母體”的基礎上不斷優化，才形成了后面的“終極結構”。

在確立了“母體”與“終極結構”之間的關聯以后，挖掘規律的技術手段也就確立了——雙向推演。

從“母體”到“終極結構”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。只有經過無數次的正向和反向推演，才能夠發現其中一條最重要的因果鏈條，這才是最佳的結構優化方案。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值——“曲徑通幽”，也能給大家帶來意外的收獲，同樣也能夠充實到大家課程的知識體系中來。

2.4 抓住構優化路徑和知識路徑兩個因果鏈條

在這個“雙向推演”的過程中，無形中就形成了兩個因果鏈條：結構優化路徑和知識成長路徑。

仔細觀察“母體”中負責結構穩定性的復雜幾何結構，感覺它是由很多的三角形構成，經過不斷模仿和優化，最終發現正八面體（八個面都是三角形）是結構最簡單、最穩定的承重支架。最重要的是，它所有兩兩相對的面是平行的，因此，它的頂上就有一個三角形的平面可以穩定地承載重物。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——運用的是“立木支千斤”的原理。

把兩個疊在一起的正八面體和三根立柱組成的這個基本結構進行不斷優化，就可以得到前面提到的“終極結構”。優化過程就是把突出到立柱以外的點都向里面收，去掉所有重復的且受力較小的木棍，進一步提高捆扎的速度與效率，進一步美化結構等。最終得到了一個使用27 個木棍制作的三棱柱，每個側立面是一個正方形的外框，外框中間是一個漂亮的“米”字。得到的結構非常簡練、穩固。

從前面分析中可以發現，在探究正八面體與立柱之間的關系時，再分析結構制作的知識路徑（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，發現在結構、功能和知識層面，都存在著一個層層遞進的規律。讓學生參與這個制作和實驗的過程，就是學生知識能力建構和興趣培養的過程。因此，從這個層面來講，也非常有利于培養學生的理論聯系實際的能力。

在上一部分的分析中也可以發現，讓學生了解和參與從“正八面體和三個立柱”這個基本結構不斷優化開始，到形成一個“終極結構”的教學和探究過程，遠比讓學生按照教程、按部就班地制作一個“終極結構”的傳統教學方式更有意義。

三棱柱的三個側立面都必須是矩形嗎？它們必須要做成現在的“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？這些內容都非常值得探究。

2.5 回歸現實

如果課程體系僅僅是讓學生制作一些基本幾何體、了解它們之間的關系、學會結構的優化、制作一個穩定的結構，從表面上看，感覺課程也是非常系統完善，也非常有“工科”的感覺。這樣的課程體系對于一個初中生、高中生和大學生來說，內容和形式感覺也還是很不錯的。但對于小學生來說就有些枯燥了。增加課程的趣味性、拓展性、創新性、系統性也是校本課程開發的當務之急。

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，經過近10年的打磨，一套適合校外、課外活動的課程體系應運而生。一次性木筷和皮筋都是非常容易獲得的材料，而且可以反復使用；內容和形式既可以作為課程，也可以作為競賽活動。這樣的課程必然會廣受中小學師生的歡迎。

3.2 生根發芽，開花結果

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

幾年前的一場區級捆支架比賽，讓人們意識到“淺層學習”甚至“盲目探究”現象的危害性。很多探究式學習活動，雖然尊重了兒童的天性，也體現出“游戲化、做中學”，能夠讓學生在學習過程中有美好的學習體驗，但也存在著模糊學習目標、因游戲化而忽略思維進階、缺少高級思維訓練等問題。在教學實踐活動中，一定要盡可能避免“低水平”自主探究，甚至盲目探究。

“捆支架”這個活動是筆者最喜歡教的一套課程，而且已經做過很多場教師培訓，效果非常好，既培養了教師們的專業能力，也提高了他們的專業興趣，同時也激發了他們對于日常教學工作的重新思考和定位。所有的教學內容只有經過這樣的挖掘和提升，才能夠把課程從玩中學的初級階段，提升到培養學生學科素養的高度。