培養(yǎng)深度思維能力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)

本文探討如何在科學(xué)教學(xué)中，基于新課標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的深度思維能力，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)。以小學(xué)六年級科學(xué)“搭建塔臺”項目為例，分析了教材原有項目設(shè)計的優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問題。本文闡述了通過理論求證、啟發(fā)性提問、知識遷移訓(xùn)練、技術(shù)性問題指導(dǎo)和設(shè)計多樣化等改進(jìn)策略，來培養(yǎng)學(xué)生的深度思維能力。這些策略有利于促進(jìn)學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的理解和應(yīng)用，從而提升他們在技術(shù)工程領(lǐng)域的實(shí)踐能力和成就感。

一、背景與問題

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，基于項目化學(xué)習(xí)的活動常用來提升學(xué)生的動手能力和問題解決能力。然而，在開展六年級的“搭建塔臺”活動時，我發(fā)現(xiàn)教材中缺少對三角形結(jié)構(gòu)力學(xué)原理的深入剖析，導(dǎo)致學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的遷移和應(yīng)用能力不足，限制了其知識整合與創(chuàng)新思維發(fā)展。為解決此問題，我重新審視教學(xué)設(shè)計，將深度思維和理論知識的應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。

二、新課標(biāo)要求

根據(jù)新課標(biāo)的要求，教學(xué)目標(biāo)不僅是傳授知識，還要理解知識本質(zhì)。因此，教學(xué)中必須引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的思考，從表層的知識記憶過渡到理解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造的高階思維層次（見圖1）。教師通過培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)新思維、探究能力、問題解決能力來培養(yǎng)學(xué)生的深度思維能力。

三、教學(xué)案例分析

（一）教科版小學(xué)六年級下冊第一單元“小小工程師”中“搭建塔臺”的活動內(nèi)容

學(xué)生被要求用給定的材料（如吸管、膠帶等）搭建一座能承受一定重量的塔臺。教材上對具體塔臺搭建活動的安排如下：

1.讓學(xué)生分組討論，從安全性和實(shí)用性、材料成本預(yù)算、人員分工等多方面設(shè)計塔臺并制作標(biāo)書，最后以競標(biāo)的方式確定搭建資格。

2.讓競標(biāo)獲勝的幾個小組根據(jù)“塔臺模型制作評價量表”制作塔臺模型設(shè)計圖，重點(diǎn)從“結(jié)構(gòu)”和“穩(wěn)定性”方面考量設(shè)計方案。

3.學(xué)生使用選定的材料搭建他們的塔臺模型，團(tuán)隊合作，以確保塔臺符合設(shè)計要求。

4.塔臺搭建成功后，學(xué)生將測試塔臺的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，然后觀察并記錄自己模型的性能。

5.學(xué)生通過比較和思考，評估塔臺的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)建議，然后根據(jù)測試結(jié)果和改進(jìn)方案進(jìn)行必要的修改，以穩(wěn)固他們的塔臺。

（二）教材活動項目設(shè)計優(yōu)點(diǎn)

1.此活動從設(shè)計思路出發(fā)，通過制作模型付諸實(shí)踐，進(jìn)行測試并評估性能，最后改進(jìn)模型，形成一個完整的閉環(huán)。這種綜合性實(shí)踐活動可全方位提升學(xué)生的能力。

2.學(xué)生親手制作塔臺模型，比起單純的理論學(xué)習(xí)，能更深入地掌握知識。

3.活動需學(xué)生分工合作、明確職責(zé)、相互溝通協(xié)作，這提高了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力、溝通能力和解決沖突的能力。

（三）項目存在問題

1.教材在介紹這一活動時沒有系統(tǒng)地講解為何三角形能提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，只有一句話：“使用三角形結(jié)構(gòu)使塔臺穩(wěn)固?！边@種情況下，學(xué)生只能憑經(jīng)驗(yàn)或直覺進(jìn)行塔臺設(shè)計，缺乏理論支持。

2.學(xué)生在實(shí)際生活場景中無法靈活運(yùn)用所學(xué)知識，無法將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的概念與生活中的常見建筑結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系。

3.由于對基本原理理解不深，學(xué)生往往拘泥于課堂中的材料和模式，創(chuàng)新性不足。在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生往往依賴直覺和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行搭建，而未深入理解結(jié)構(gòu)力學(xué)中的關(guān)鍵概念——三角形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.學(xué)習(xí)本項目后，學(xué)生失敗作品分析（見圖2、圖3）。

出現(xiàn)以上搭建問題的主要原因是，我們在教學(xué)過程中對三角形結(jié)構(gòu)力學(xué)原理的深入剖析不夠，學(xué)生會傾向于用多余的支撐來彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致過度使用橫向吸管這類非承重結(jié)構(gòu)。同時，由于未進(jìn)行有效受力分析，學(xué)生無法準(zhǔn)確判斷哪些部分承重，哪些部分只是輔助穩(wěn)定，他們會認(rèn)為每個方向都需要多重加固。為了解決這個問題，我們改進(jìn)了教學(xué)策略，并結(jié)合以下途徑培養(yǎng)學(xué)生的深度思維能力，以加強(qiáng)其對核心概念的理解和運(yùn)用。

四、教學(xué)改進(jìn)策略

（一）理論求證（三角形穩(wěn)定性試驗(yàn)）

正式搭建之前，教師花時間讓學(xué)生理解基本的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，特別是三角形在力學(xué)中的穩(wěn)定性。

教師準(zhǔn)備一些正方形和三角形的框架模型，通過三個小實(shí)驗(yàn)來完成。

實(shí)驗(yàn)1：觀察、比較不同形狀的框架在頂點(diǎn)受壓力時的變形情況（見圖4）。

通過這個實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀地理解三角形頂點(diǎn)受力時，力從頂點(diǎn)沿相鄰兩邊向下傳遞到底邊的兩個頂點(diǎn)，這兩個頂點(diǎn)因此受到沿著底邊向外拉伸的力，而底邊由于材料的內(nèi)部引力限制其兩端向外拉伸。因此三角形的三條邊和頂點(diǎn)之間由于受力方向的互相制約而保持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。即使外力很大，頂點(diǎn)受到的力也會被迅速傳遞到其他各邊和頂點(diǎn)，力被分散、削弱，保證了三角形整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)2：比較四邊形和三角形頂點(diǎn)受拉力時形變情況（見圖5）。

三角形任意兩個頂點(diǎn)受拉力后，力會直接作用在邊上，而邊長是固定的，所以無法發(fā)生形變。相比之下，四邊形的對角兩頂點(diǎn)受拉力，容易導(dǎo)致頂點(diǎn)相鄰兩邊的夾角變小，從而讓四邊形整體發(fā)生形變。

實(shí)驗(yàn)3：分別用相同的力按壓三角形的邊和頂點(diǎn)，比較三角形彎曲情況（見圖6）。

這個實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生認(rèn)識到三角形的不同位置受力時穩(wěn)定性不同，使學(xué)生在設(shè)計塔臺結(jié)構(gòu)時更加科學(xué)地運(yùn)用三角形。當(dāng)學(xué)生知道在三角形的邊上施加力會使三角形彎曲，那么在搭建塔臺時就會避免讓主要的受力點(diǎn)集中在三角形結(jié)構(gòu)的邊上。相反，當(dāng)了解到在三角形的頂點(diǎn)上施加力時它能保持穩(wěn)定，學(xué)生就可以把塔臺的關(guān)鍵支撐部位設(shè)計成以三角形的頂點(diǎn)為受力點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，從而提高塔臺的整體穩(wěn)定性。

（二）知識遷移訓(xùn)練——創(chuàng)設(shè)生活應(yīng)用情境

在學(xué)生理解了三角形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性后，教師創(chuàng)設(shè)實(shí)際情境，讓學(xué)生將這一概念知識遷移到其他項目中。例如，要求學(xué)生設(shè)計一個簡單的橋梁模型，使用他們所學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理來解決橋梁承重的問題。

案例：誰能建造最堅固的橋梁？

1.活動目標(biāo)：搭一座橋，使之可以支撐裝更多墊片的杯子。

2.材料準(zhǔn)備：吸管、紗線、膠帶、剪刀、回形針、直尺、一個裝滿墊片的小杯子（約100枚）、天平。

3.閱讀材料：（1）唐寰澄（中）《橋梁的故事》；（2）馬里奧·薩爾瓦多里（美）《神奇的建筑》；（3）大衛(wèi)·麥考利（美）《大教堂：為誰而建》。

以上繪本的閱讀可以拓寬學(xué)生結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識，激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想思維和知識遷移能力。學(xué)生閱讀不同的實(shí)際案例和故事，為后續(xù)的橋梁建造活動儲備豐富的背景知識。

4.教師支架：（1）與學(xué)生一起復(fù)習(xí)橋梁的組成部分，為學(xué)生的建造活動提供理論基礎(chǔ)。（2）向每一組學(xué)生分發(fā)用品，確保材料的公平分配。（3）引導(dǎo)學(xué)生搭一座橋，可以承載一個裝滿墊片的杯子，明確項目的具體目標(biāo)。

（三）技術(shù)性問題指導(dǎo)，提高學(xué)生受力分析能力

1.先讓學(xué)生根據(jù)課外知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析不同材料在橋梁建造中的優(yōu)點(diǎn)和適用環(huán)境。如鋼材具有高強(qiáng)度、良好的韌性，它能提供卓越的抗拉能力，常用于桁架和懸索橋；混凝土抗壓強(qiáng)度高，適用于橋墩和拱橋，提供良好的穩(wěn)定性和支持；木材具有易于加工、成本低的特點(diǎn)，適合小型、短跨度橋梁，具有天然的減震效果，用于特殊結(jié)構(gòu)和需要減輕自重的橋梁。而活動中用的吸管重量輕，易于切割和連接，有一定的柔韌性，可以模擬不同的結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度和承重能力較低，不適合模擬重載橋梁。尤其是吸管連接處，如果不夠牢固，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。最終，學(xué)生通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)用熱熔膠連接吸管可以提供較強(qiáng)的粘合力。

其次，分析不同結(jié)構(gòu)的橋梁與跨度關(guān)系。如桁架橋由多個三角形單元組成，利用三角形的穩(wěn)定性強(qiáng)，強(qiáng)度高，材料使用效率高。拱橋結(jié)構(gòu)將荷載轉(zhuǎn)化為對橋墩的水平推力，壓力沿拱形弧線傳遞到支撐點(diǎn)，減少橋面上的應(yīng)力，適合短至中等跨度，能夠承受較大的荷載；懸索橋主纜承受主要荷載，橋面懸掛在主纜上，拉力集中在主纜上，橋墩承受主纜傳遞的垂直力，適合長跨度，梁橋是最簡單的橋梁形式，由橫梁支撐。荷載直接傳遞到支撐點(diǎn)，梁中部承受最大彎矩，建造簡便，適合短跨度；斜拉橋通過斜拉索將橋面荷載傳遞到塔柱，拉索承受拉力，塔柱承受垂直荷載和部分水平力，它適合中長跨度。學(xué)生要思考不同類型的橋梁可以支撐不同跨度和重量的原因，運(yùn)用邏輯推理來思考橋梁跨度和承重之間的關(guān)系。

2.讓學(xué)生分組匯報自己設(shè)計的橋梁將承受的力，包括壓力（如墊片的重量）、拉力、風(fēng)力、材料自重等，讓學(xué)生明白生活中的橋梁必須承受各種力的作用，而良好的設(shè)計可以減輕這些力的影響。

3.讓學(xué)生分析自己建造的橋梁中哪些部分最能經(jīng)受住拉伸和壓縮，并指出橋梁上的壓縮和拉伸最大的區(qū)域。

4.討論桁架、拱門和電纜在減輕拉力和壓力方面的作用。學(xué)生可以思考這些結(jié)構(gòu)是如何將力更均勻地鋪設(shè)在橋上的，以及它們對橋梁堅固性的貢獻(xiàn)。通過思考桁架、拱門和電纜等結(jié)構(gòu)對拉力和壓力的影響，學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，同時也可以激發(fā)自身的創(chuàng)新思維，嘗試在橋梁設(shè)計中運(yùn)用這些結(jié)構(gòu)來提高橋梁的堅固性。

5.要求學(xué)生展示他們在橋的哪些位置上建造了桁架、拱門或使用懸索支撐橋梁。通過實(shí)際展示，學(xué)生可以更好地理解這些結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用。

以上技術(shù)性問題的指導(dǎo)對學(xué)生搭建橋梁實(shí)操有如下作用：（1）明確設(shè)計思路使他們能夠根據(jù)不同橋梁類型和特點(diǎn)，設(shè)計出更合理的橋梁結(jié)構(gòu)，確保橋梁的穩(wěn)定性和承重能力。（2）學(xué)生理解力的分布后能有效地利用材料，提高結(jié)構(gòu)的效率和安全性。（3）通過受力分析和測試，學(xué)生能識別并優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)中承受最大拉伸和壓縮的部分，從而增強(qiáng)橋梁的耐用性。（4）學(xué)生還可以將桁架、拱門和電纜等結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性的組合，以滿足多方面需求。以上活動能提高學(xué)生觀察、分析、評價、遷移等能力，將結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論知識有效內(nèi)化成學(xué)生的實(shí)踐能力。

（五）鼓勵設(shè)計多樣化，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

在活動的最后階段，教師鼓勵學(xué)生打破常規(guī)思維，引導(dǎo)學(xué)生思考如何根據(jù)不同的地形和需求來設(shè)計橋梁的結(jié)構(gòu)，如何合理地運(yùn)用不同的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計嘗試創(chuàng)新。教師也可以設(shè)置多元化的目標(biāo)導(dǎo)向，如怎樣設(shè)計一座質(zhì)量更輕、跨度更大又堅固的橋梁。同時，教師提供一些不同材料的樣本和相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，讓學(xué)生有更多的創(chuàng)意來源，促進(jìn)他們對已有知識的重構(gòu)。

五、成效與反思

通過以上教學(xué)模式，學(xué)生不僅能夠更深入地理解結(jié)構(gòu)力學(xué)的核心概念——三角形為什么具有穩(wěn)定性？怎樣搭建才能獲得更好的支撐？更能在設(shè)計時有理論和技術(shù)的全面支持，有利于將所學(xué)知識靈活運(yùn)用到新的情境中，極大地提高了自身的知識遷移能力。同時，通過不斷的分析、應(yīng)用、評價，學(xué)生的創(chuàng)新思維也得到了有效培養(yǎng)。從長遠(yuǎn)來看，扎實(shí)的理論基礎(chǔ)對學(xué)生科學(xué)思維的持續(xù)發(fā)展更為重要，所以教師提高學(xué)生的深度思維能力，求證核心概念的本質(zhì)原理，能為今后學(xué)生學(xué)習(xí)更高層次的知識奠定良好基礎(chǔ)。

但在實(shí)踐過程中，我們也發(fā)現(xiàn)一些問題需要解決。例如，不同學(xué)生的理解能力存在差異，對那些基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，可通過團(tuán)隊合作互助，解決搭建過程中的各種問題。

六、結(jié)論

結(jié)構(gòu)力學(xué)對學(xué)生未來在技術(shù)工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，但在中小學(xué)的科學(xué)教學(xué)中，這塊內(nèi)容相對薄弱。為了改善這一現(xiàn)狀，我們需要在科學(xué)教學(xué)中通過對學(xué)生深度思維的培養(yǎng)，幫助學(xué)生奠定結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。學(xué)生只有具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，才能創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題，也才能更好地理解復(fù)雜的技術(shù)工程問題。這不僅符合我們教學(xué)的最終目標(biāo)，也能促進(jìn)學(xué)生成長為終身學(xué)習(xí)者。

（作者單位：浙江省紹興市上虞區(qū)龍山學(xué)校）

編輯：陳鮮艷