指向“結(jié)構(gòu)與功能”教學(xué)《不倒翁》

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)首次增加了物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化4個(gè)跨學(xué)科概念。跨學(xué)科概念與學(xué)科核心概念聯(lián)系密切，掌握相關(guān)跨學(xué)科概念，能夠加深學(xué)生對(duì)學(xué)科核心概念的理解。“結(jié)構(gòu)與功能”是指一個(gè)研究系統(tǒng)的形成方式和它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它的許多性質(zhì)和功能，是在很多學(xué)科教學(xué)中都能夠被采納的研究方法。[1]系統(tǒng)的功能常取決于某些關(guān)鍵部件的形狀和它們之間的關(guān)系，以及制造它們的材料特性，不同尺度的系統(tǒng)具有不同的結(jié)構(gòu)和特征，對(duì)應(yīng)具有特殊的功能。現(xiàn)以《不倒翁》一課教學(xué)為例，分析基于特定的情境和真實(shí)體驗(yàn)幫助學(xué)生理解結(jié)構(gòu)與功能這一跨學(xué)科概念。

一、激趣——探究結(jié)構(gòu)奧秘的引子

在課堂的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)故事情境引入兩只可愛(ài)的“小兔子”，吸引學(xué)生的注意力。白兔的里面有重物固定在上部，底部是平整的；黑兔的里面有重物固定在底部，底部是圓弧形的。當(dāng)白兔與黑兔進(jìn)行鞠躬時(shí)，由于它們不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)白兔倒了、黑兔卻能立起來(lái)的現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的不同功能，開(kāi)啟對(duì)結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)習(xí)之旅。

教學(xué)片段

師：同學(xué)們，今天老師邀請(qǐng)了兩只“小兔子”來(lái)課堂，白兔、黑兔給同學(xué)們鞠躬吧！歡迎大家來(lái)到有趣的科學(xué)課堂！

（教師演示小兔子鞠躬，學(xué)生仔細(xì)觀察。）

師：哎，你觀察到什么呢？

生：白兔倒了，黑兔立起來(lái)了。

師：這只黑兔有什么神奇的魔力，為什么同樣是鞠躬，白兔倒了，它卻能回彈呢？

生：白兔的底部是平的，黑兔的底部是圓的。

師：結(jié)構(gòu)決定功能。平整的底部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致白兔不能回彈，而圓弧形的底部結(jié)構(gòu)能讓黑兔回彈。

師：白兔很不服，把平底鞋脫掉，準(zhǔn)備再次向大家鞠躬。此時(shí)，兩只兔子除了顏色不同，外形還有什么不同嗎？

生：都一樣。

師：現(xiàn)在向同學(xué)們小鞠一躬。

生：哇！都回彈了。

師：黑兔覺(jué)得這個(gè)挑戰(zhàn)難度太低，想再一次挑戰(zhàn)鯉魚打挺。

（演示將兩只兔子被放倒。）

生：黑兔輕松立起來(lái)，白兔又起不來(lái)了。

師：相同的外形結(jié)構(gòu)，一個(gè)倒一個(gè)卻不倒，原因可能是什么？

生：內(nèi)部有重物，內(nèi)部不一樣的結(jié)構(gòu)。

師：結(jié)構(gòu)不同，功能不同。像這樣推倒能立起來(lái)的裝置被稱為不倒翁，那不倒翁不倒與哪些結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？今天我們一起來(lái)探究不倒翁的秘密。

二年級(jí)學(xué)生還處于形象思維階段，由實(shí)物引入能夠充分調(diào)動(dòng)其探究興趣。第一次演示時(shí)學(xué)生較容易發(fā)現(xiàn)黑、白兔子的外形不同，在第二次演示充分引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，他們從關(guān)注外形結(jié)構(gòu)走向關(guān)注內(nèi)部結(jié)構(gòu)，思維從淺層次向深層次發(fā)展，由此聚焦該課核心問(wèn)題“不倒翁不倒是否與它結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)”。

二、探秘——建構(gòu)結(jié)構(gòu)決定功能的認(rèn)識(shí)

學(xué)生對(duì)不倒翁已有一定了解，但多數(shù)僅停留在對(duì)外形的認(rèn)識(shí)上。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生由外到內(nèi)地有序觀察不倒翁玩具，幫助他們發(fā)現(xiàn)不倒翁不僅外形是圓弧形的，而且內(nèi)部有重物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。接著，借助水煮蛋這一實(shí)物與之對(duì)比觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)雖然水煮蛋與不倒翁外形相似，但是兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)有差異，水煮蛋內(nèi)部上下都填充了重物，而不倒翁內(nèi)部重物是固定在底部的，形成上輕下重的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。他們認(rèn)識(shí)到，不倒翁底部固定有重物和圓弧形外形這一特定結(jié)構(gòu)，決定了它不倒的功能。

教學(xué)片段

師：老師這里給大家準(zhǔn)備了不倒翁玩具，發(fā)放之前有幾點(diǎn)要求：從外到內(nèi)地有序觀察不倒翁的結(jié)構(gòu)，輕輕扭開(kāi)蓋子觀察不倒翁的內(nèi)部有什么結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；思考不倒翁不倒與哪些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)；小組合作觀察時(shí)間為兩分鐘。

（學(xué)生一邊觀察，一邊思考。）

師：通過(guò)觀察，哪個(gè)小組能夠交流分享一下，你有什么發(fā)現(xiàn)？

生：我發(fā)現(xiàn)里面有一個(gè)重物。

師：你怎么知道它里面有重物，有什么依據(jù)？

生：我感覺(jué)這兩邊，一半很輕，另一半有點(diǎn)重。

師：你很會(huì)推測(cè)。那這重物有什么特點(diǎn)呢？我這里有顆水煮蛋，里面有蛋白、蛋黃，推倒它后立不起來(lái)，為什么？

生：水煮蛋上下都差不多，沒(méi)有重物一直在底部。

師：看來(lái)不倒翁除了底部是圓弧形的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部還固定有重物，保證上輕下重，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它不倒。

學(xué)生拿到可拆卸的不倒翁玩具，清晰看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，思考不倒翁不倒與哪些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。小組合作探究后發(fā)現(xiàn)不倒翁內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，揭開(kāi)不倒翁不倒的秘密：不倒翁的特殊結(jié)構(gòu)決定它不倒的功能，初步建構(gòu)跨學(xué)科概念“結(jié)構(gòu)與功能”。

三、研討——深化結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

在探究不倒翁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之后，學(xué)生要借助生活中的材料自制一個(gè)不倒翁玩具。此時(shí)，教師要提供多種材料讓學(xué)生自主選擇，不同材料要有其特殊的結(jié)構(gòu)。例如，膠囊和球形盒的底部是圓弧形的，方形盒的底部是平整的，螺母和橡皮泥較重，海綿很輕，它們之間有多種組合。在展示環(huán)節(jié)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同材料組合可以制作多種模型，只要滿足不倒翁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)不倒的功能。同時(shí)，選擇相同的材料，如橡皮泥和膠囊，橡皮泥放的量多少以及位置不同會(huì)導(dǎo)致模型有差異，實(shí)現(xiàn)的功能也不同，這有助于學(xué)生深化理解跨學(xué)科概念“結(jié)構(gòu)與功能”。

教學(xué)片段

師：那能否模仿不倒翁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用生活中的材料設(shè)計(jì)、自制一個(gè)不倒翁玩具呢？

（展示膠囊、球形盒、乒乓球、方形盒、螺母、橡皮泥、海綿等材料。）

師：根據(jù)提供材料的特點(diǎn)，小組交流討論，哪些材料適合制作不倒翁，并把你們的想法在學(xué)習(xí)單里畫一畫草圖。

（學(xué)生交流討論，完成材料選擇與草圖設(shè)計(jì)。）

師：哪個(gè)小組愿意分享一下你們的設(shè)計(jì)方案，并說(shuō)說(shuō)你們這樣設(shè)計(jì)的理由是什么？其他小組的同學(xué)邊傾聽(tīng)邊思考，他們的設(shè)計(jì)是否合理，有沒(méi)有需要改進(jìn)的地方？

生：我們想用膠囊和螺母做不倒翁，因?yàn)槟z囊外形是圓弧形的，底部加上螺母就能上輕下重，很像我們的模型。

師：聽(tīng)完他們的設(shè)計(jì)，同學(xué)們有什么想說(shuō)的嗎？

生：我覺(jué)得不好，用橡皮泥來(lái)固定一下比較好，不然螺母會(huì)上下跑來(lái)跑去。

師：對(duì)于他的疑問(wèn)，其他小組還有什么想法嗎？

生：我們小組想用橡皮泥和乒乓球來(lái)做一個(gè)不倒翁，因?yàn)槠古仪蛲庑问菆A的，如果在底部加了重物，推倒就可以立起來(lái)。如果能在上面畫個(gè)圖案就更好看了。

師：通過(guò)剛剛交流討論，我們發(fā)現(xiàn)不同材料結(jié)構(gòu)不同，功能不同，我們選材料要依據(jù)它的功能來(lái)選擇。你們的想法能否做出一個(gè)不倒且獨(dú)特的不倒翁呢？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)所選材料開(kāi)始你們的制作。

（學(xué)生制作，教師巡視、指導(dǎo)。）

師：同學(xué)們，老師看你們都完成了作品，很棒！那大家的作品合格嗎？怎么判斷它能否實(shí)現(xiàn)不倒的功能呢？

生：嘗試推倒它，看它能不能立起來(lái)。

師：好的，我們來(lái)個(gè)小組PK賽，看看哪個(gè)小組獲勝！

（各小組上臺(tái)展示。）

師：哦，這個(gè)小組遇到了一些問(wèn)題，不倒翁歪了，無(wú)法立起來(lái)，誰(shuí)能幫他們分析一下原因。

生：橡皮泥沒(méi)安放在底部。

師：請(qǐng)你們快速解決問(wèn)題。

（學(xué)生調(diào)整作品。）

師：大家要記住，我們完成一項(xiàng)工程要經(jīng)歷“設(shè)計(jì)—制作—測(cè)試—改進(jìn)”的過(guò)程。材料具有一定的結(jié)構(gòu)性，不同材料可以組合形成相同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，達(dá)到相同的功能。

工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)。考慮到二年級(jí)學(xué)生的水平，教師指導(dǎo)他們運(yùn)用草圖表達(dá)設(shè)計(jì)思路，展示并描述自己的制作方案，為后續(xù)制作提供支持。在互動(dòng)交流環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需求選擇具備穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)不倒功能。

四、創(chuàng)造——運(yùn)用“結(jié)構(gòu)與功能”解決問(wèn)題

新課程改革強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容與生活的聯(lián)系。教學(xué)內(nèi)容貼近學(xué)生的生活，用好生活中的資源，觀察生活中常見(jiàn)物品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其功能有所缺陷，改造物品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)需要的功能，這樣可以讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)就在我們身邊，更能夠激發(fā)他們的求知欲和探索精神。

教學(xué)片段

師：下面請(qǐng)同學(xué)們看一段視頻。

（播放視頻：大風(fēng)刮起，茶幾插花的花瓶容易傾斜；書桌上的筆筒一碰就被打翻了；路障“雪糕筒”被車碰到就倒了，等等。）

師：看完這個(gè)視頻，同學(xué)們有什么想法？

生：能不能讓花瓶底座更加重一些，這樣更穩(wěn)。

生：那個(gè)雪糕筒能不能做成不倒翁，被汽車不小心碰到了能自己立起來(lái)。

生：我家里書桌有個(gè)擺件也是不倒翁，回家我要去看看里面是什么，還想將塑料瓶改造成一個(gè)不倒的筆筒，變廢為寶。

師：是的，只要我們善于觀察生活，就會(huì)發(fā)現(xiàn)生活處處皆科學(xué)。同學(xué)們，你能根據(jù)不倒翁原理，解決生活中的難題嗎？回家嘗試一下，下節(jié)課我們一起來(lái)分享。

跨學(xué)科概念“結(jié)構(gòu)與功能”要在實(shí)踐中不斷體驗(yàn)、感悟、積累、提煉和升華。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該聯(lián)系學(xué)生熟悉的現(xiàn)實(shí)生活，結(jié)合學(xué)生的體驗(yàn)，注重跨學(xué)科概念在具體科學(xué)學(xué)習(xí)中的運(yùn)用，不斷滲透、內(nèi)化，逐漸養(yǎng)成、提升。[2]教師引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中的現(xiàn)象，嘗試?yán)盟鶎W(xué)的結(jié)構(gòu)與功能原理，創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生提供展示自己創(chuàng)新成果的機(jī)會(huì)，并激發(fā)他們繼續(xù)探索的興趣。

[課題1：廣東省教育科研“十三五”規(guī)劃2020年度教育科研一般項(xiàng)目，批準(zhǔn)號(hào)：2020YQJK206。課題2：東莞市2019年名師工作室專項(xiàng)課題，編號(hào)：mskt2019019。課題3：東莞市教育科研2022年度專項(xiàng)課題，編號(hào)：2022GCZX30]

（作者單位：廣東省東莞松山湖中心小學(xué)）

參考文獻(xiàn)

[1]孫玥.跨學(xué)科視角下的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津師范大學(xué)，2019.

[2]胡衛(wèi)平，劉守印.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.