指向“结构与功能”教学《不倒翁》

科学课程标准首次增加了物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化4个跨学科概念。跨学科概念与学科核心概念联系密切，掌握相关跨学科概念，能够加深学生对学科核心概念的理解。“结构与功能”是指一个研究系统的形成方式和它的内部结构决定了它的许多性质和功能，是在很多学科教学中都能够被采纳的研究方法。[1]系统的功能常取决于某些关键部件的形状和它们之间的关系，以及制造它们的材料特性，不同尺度的系统具有不同的结构和特征，对应具有特殊的功能。现以《不倒翁》一课教学为例，分析基于特定的情境和真实体验帮助学生理解结构与功能这一跨学科概念。

一、激趣——探究结构奥秘的引子

在课堂的导入环节，教师通过创设故事情境引入两只可爱的“小兔子”，吸引学生的注意力。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，底部是圆弧形的。当白兔与黑兔进行鞠躬时，由于它们不同的结构特点，会出现白兔倒了、黑兔却能立起来的现象。教师引导学生关注它们的结构特点以及实现的不同功能，开启对结构与功能的学习之旅。

教学片段

师：同学们，今天老师邀请了两只“小兔子”来课堂，白兔、黑兔给同学们鞠躬吧！欢迎大家来到有趣的科学课堂！

（教师演示小兔子鞠躬，学生仔细观察。）

师：哎，你观察到什么呢？

生：白兔倒了，黑兔立起来了。

师：这只黑兔有什么神奇的魔力，为什么同样是鞠躬，白兔倒了，它却能回弹呢？

生：白兔的底部是平的，黑兔的底部是圆的。

师：结构决定功能。平整的底部结构导致白兔不能回弹，而圆弧形的底部结构能让黑兔回弹。

师：白兔很不服，把平底鞋脱掉，准备再次向大家鞠躬。此时，两只兔子除了颜色不同，外形还有什么不同吗？

生：都一样。

师：现在向同学们小鞠一躬。

生：哇！都回弹了。

师：黑兔觉得这个挑战难度太低，想再一次挑战鲤鱼打挺。

（演示将两只兔子被放倒。）

生：黑兔轻松立起来，白兔又起不来了。

师：相同的外形结构，一个倒一个却不倒，原因可能是什么？

生：内部有重物，内部不一样的结构。

师：结构不同，功能不同。像这样推倒能立起来的装置被称为不倒翁，那不倒翁不倒与哪些结构有关呢？今天我们一起来探究不倒翁的秘密。

二年级学生还处于形象思维阶段，由实物引入能够充分调动其探究兴趣。第一次演示时学生较容易发现黑、白兔子的外形不同，在第二次演示充分引发学生认知冲突，他们从关注外形结构走向关注内部结构，思维从浅层次向深层次发展，由此聚焦该课核心问题“不倒翁不倒是否与它结构特点有关”。

二、探秘——建构结构决定功能的认识

学生对不倒翁已有一定了解，但多数仅停留在对外形的认识上。教师通过引导学生由外到内地有序观察不倒翁玩具，帮助他们发现不倒翁不仅外形是圆弧形的，而且内部有重物的结构特点。接着，借助水煮蛋这一实物与之对比观察，学生发现虽然水煮蛋与不倒翁外形相似，但是两者内部结构有差异，水煮蛋内部上下都填充了重物，而不倒翁内部重物是固定在底部的，形成上轻下重的结构特点。他们认识到，不倒翁底部固定有重物和圆弧形外形这一特定结构，决定了它不倒的功能。

教学片段

师：老师这里给大家准备了不倒翁玩具，发放之前有几点要求：从外到内地有序观察不倒翁的结构，轻轻扭开盖子观察不倒翁的内部有什么结构特点；思考不倒翁不倒与哪些结构特点有关；小组合作观察时间为两分钟。

（学生一边观察，一边思考。）

师：通过观察，哪个小组能够交流分享一下，你有什么发现？

生：我发现里面有一个重物。

师：你怎么知道它里面有重物，有什么依据？

生：我感觉这两边，一半很轻，另一半有点重。

师：你很会推测。那这重物有什么特点呢？我这里有颗水煮蛋，里面有蛋白、蛋黄，推倒它后立不起来，为什么？

生：水煮蛋上下都差不多，没有重物一直在底部。

师：看来不倒翁除了底部是圆弧形的结构，内部还固定有重物，保证上轻下重，这种结构特点决定了它不倒。

学生拿到可拆卸的不倒翁玩具，清晰看到内部结构，思考不倒翁不倒与哪些结构特点有关。小组合作探究后发现不倒翁内部结构特点，揭开不倒翁不倒的秘密：不倒翁的特殊结构决定它不倒的功能，初步建构跨学科概念“结构与功能”。

三、研讨——深化结构与功能的关系

在探究不倒翁结构特点之后，学生要借助生活中的材料自制一个不倒翁玩具。此时，教师要提供多种材料让学生自主选择，不同材料要有其特殊的结构。例如，胶囊和球形盒的底部是圆弧形的，方形盒的底部是平整的，螺母和橡皮泥较重，海绵很轻，它们之间有多种组合。在展示环节，学生发现不同材料组合可以制作多种模型，只要满足不倒翁的结构特点，就能实现不倒的功能。同时，选择相同的材料，如橡皮泥和胶囊，橡皮泥放的量多少以及位置不同会导致模型有差异，实现的功能也不同，这有助于学生深化理解跨学科概念“结构与功能”。

教学片段

师：那能否模仿不倒翁的结构特点，利用生活中的材料设计、自制一个不倒翁玩具呢？

（展示胶囊、球形盒、乒乓球、方形盒、螺母、橡皮泥、海绵等材料。）

师：根据提供材料的特点，小组交流讨论，哪些材料适合制作不倒翁，并把你们的想法在学习单里画一画草图。

（学生交流讨论，完成材料选择与草图设计。）

师：哪个小组愿意分享一下你们的设计方案，并说说你们这样设计的理由是什么？其他小组的同学边倾听边思考，他们的设计是否合理，有没有需要改进的地方？

生：我们想用胶囊和螺母做不倒翁，因为胶囊外形是圆弧形的，底部加上螺母就能上轻下重，很像我们的模型。

师：听完他们的设计，同学们有什么想说的吗？

生：我觉得不好，用橡皮泥来固定一下比较好，不然螺母会上下跑来跑去。

师：对于他的疑问，其他小组还有什么想法吗？

生：我们小组想用橡皮泥和乒乓球来做一个不倒翁，因为乒乓球外形是圆的，如果在底部加了重物，推倒就可以立起来。如果能在上面画个图案就更好看了。

师：通过刚刚交流讨论，我们发现不同材料结构不同，功能不同，我们选材料要依据它的功能来选择。你们的想法能否做出一个不倒且独特的不倒翁呢？请同学们根据所选材料开始你们的制作。

（学生制作，教师巡视、指导。）

师：同学们，老师看你们都完成了作品，很棒！那大家的作品合格吗？怎么判断它能否实现不倒的功能呢？

生：尝试推倒它，看它能不能立起来。

师：好的，我们来个小组PK赛，看看哪个小组获胜！

（各小组上台展示。）

师：哦，这个小组遇到了一些问题，不倒翁歪了，无法立起来，谁能帮他们分析一下原因。

生：橡皮泥没安放在底部。

师：请你们快速解决问题。

（学生调整作品。）

师：大家要记住，我们完成一项工程要经历“设计—制作—测试—改进”的过程。材料具有一定的结构性，不同材料可以组合形成相同结构特点，达到相同的功能。

工程的关键是设计。考虑到二年级学生的水平，教师指导他们运用草图表达设计思路，展示并描述自己的制作方案，为后续制作提供支持。在互动交流环节，教师引导学生根据需求选择具备稳定结构的材料进行组合，以实现不倒功能。

四、创造——运用“结构与功能”解决问题

新课程改革强调教学内容与生活的联系。教学内容贴近学生的生活，用好生活中的资源，观察生活中常见物品的结构特点，发现其功能有所缺陷，改造物品的结构特点，从而实现需要的功能，这样可以让学生体会科学就在我们身边，更能够激发他们的求知欲和探索精神。

教学片段

师：下面请同学们看一段视频。

（播放视频：大风刮起，茶几插花的花瓶容易倾斜；书桌上的笔筒一碰就被打翻了；路障“雪糕筒”被车碰到就倒了，等等。）

师：看完这个视频，同学们有什么想法？

生：能不能让花瓶底座更加重一些，这样更稳。

生：那个雪糕筒能不能做成不倒翁，被汽车不小心碰到了能自己立起来。

生：我家里书桌有个摆件也是不倒翁，回家我要去看看里面是什么，还想将塑料瓶改造成一个不倒的笔筒，变废为宝。

师：是的，只要我们善于观察生活，就会发现生活处处皆科学。同学们，你能根据不倒翁原理，解决生活中的难题吗？回家尝试一下，下节课我们一起来分享。

跨学科概念“结构与功能”要在实践中不断体验、感悟、积累、提炼和升华。在教学过程中，应该联系学生熟悉的现实生活，结合学生的体验，注重跨学科概念在具体科学学习中的运用，不断渗透、内化，逐渐养成、提升。[2]教师引导学生观察生活中的现象，尝试利用所学的结构与功能原理，创造性地解决实际问题，为学生提供展示自己创新成果的机会，并激发他们继续探索的兴趣。

[课题1：广东省教育科研“十三五”规划2020年度教育科研一般项目，批准号：2020YQJK206。课题2：东莞市2019年名师工作室专项课题，编号：mskt2019019。课题3：东莞市教育科研2022年度专项课题，编号：2022GCZX30]

（作者单位：广东省东莞松山湖中心小学）

参考文献

[1]孙玥.跨学科视角下的高中化学教学设计研究[D].天津：天津师范大学，2019.

[2]胡卫平，刘守印.义务教育科学课程标准（2022年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2022.