跨学科学习课程设计及反思系列（2）：悬崖勒马

我专门为五年级学生设计的“悬崖勒马”活动，不属于科学教材中的内容，希望学生通过这一内容的学习了解到跨学科学习的问题从何而来，如何利用控制变量得出结论，如何建模解释现象，如何从实验现象中得到启发。

一、基于核心素养的考虑

“悬崖勒马”活动对应5～6年级学生核心素养的具体内容见表1。该内容重视科学思维和处理问题的方法，特别是在“科学思维”中突出建模、类比的思维方式，在“探究实践”中突出控制变量的方法，以及运用科学方法描述和处理信息并得出结论的能力。

二、学情分析及学习重点

平时学生学习科学，主要是接受书本知识，即使有实验也是书本上设计的内容，很少有机会接触真实的问题，从而也不容易解释平时看到的一些现象。另外，5～6年级学生已经学习了一些力和运动的简单知识，了解拉力、压力、摩擦力的特点，但是对于受力和运动并没有深刻理解。

在该内容中，拉力、压力和摩擦力相互关联并存在转换关系，给学生提供了自主进行实验、观察、发现的机会。教学的重点是处理问题的方法，注重启发教育，让学生接触真实的问题，进行测试、观察和思考，并尝试用简化建模的方法解释观察到的现象。具体测试中主要采用控制变量的方法，找到合适的配重范围，同时专门介绍如何简化建模，如何把复杂的问题通俗易懂地解释清楚。

三、简要教学过程

1.引出问题

课的开始，我问学生是否知道成语“悬崖勒马”是什么含义（如图1），他们通常会回答是指看到了危险并果断采取措施避免。成语“悬崖勒马”出自哪里呢？学生一般不知道，我简单介绍清代纪昀的《阅微草堂笔记》，其中有一句：“此书生悬崖勒马，可谓大智矣。”

纪昀，字晓岚，主要成就是编纂《四库全书》。

接着进入探究环节，真的会有“悬崖勒马”吗？探究从问题开始：先看一段视频，是我为中央电视台《加油！向未来》栏目设计的节目。在视频中，嘉宾坐在平台上的小车中，小车由配重拉着冲向平台边缘，结果小车冲出边缘约20厘米后，自动停了下来，但是观众和嘉宾都紧张到了极点。

视频播放后，我让学生提出科学问题，他们一般会提出“悬崖勒马是怎么实现的？”“为什么小马开始加速、后来减速？”等问题，并猜测这一现象可能与配重有关。

2.探究验证

下面就是学生开始验证的环节，他们需要拼出小马，做纸盒装配重，然后进行测试，复现小马能够“悬崖勒马”的现象，并尝试找出其中的原因（如图2）。

学生经历拼装小马、系绳、加配重、测试等过程，在实验时做记录，并在遇到问题时适当调整（如图3）。

经过尝试，学生在实验中验证了“悬崖勒马”是可以实现的（如图4）。

四、总结与点评

1.原理解释

做完实验，验证了“悬崖勒马”的现象，怎么进行解释呢？学生经过观察，发现了其中的奥秘，给出了初步的解释。

科学课应该重视科学思维，如建构模型，运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程等。由此，我把小马、绳子和配重简化为更简单的图像（如图5左）。

一般容易理解：开始时桌面上的绳子接近水平，配重相当于人在拉物体（如图5左）。人的拉力小（相当于配重较轻）时，物体不运动；人的拉力大（相当于配重较重）时，可以使物体运动起来。

但为什么小马开始加速后来减速呢？要点是：当物体超出桌面时，绳子竖直，配重不再提供水平拉力（如图6），而是相当于增加了物体的重量，摩擦力会使物体减速，直至停止。所以配重合适时，小马会略微冲出桌子边界一点，然后停下来。

2.启发意义

我与学生继续讨论，在日常生活中，法律、道德就是必须遵循的，如果到了法律、道德“红线”，就很危险，需要及时回头。但是怎样才能发现到了危险的边缘呢？要么人们自己主动认识到，要么设计一种机制，能自动提醒，以防止产生危险。

人们通过学习提高自己的认识，但是有时容易疏忽，所以用某种机制来防止或保护更为重要。

电路中的保险丝。如果哪里的电路出问题，对应的保险丝就会断掉，能防止引发更大事故，方便检查更换。如果没有保险丝，就麻烦了。

高压锅中的安全气阀。高压有利于提高沸点，更容易煮熟食物。但压力高容器可能会爆炸，所以需要一个自动调整压力的高压阀，压力大时会顶起高压阀放气，压力小时高压阀会由于自重落下而关闭。

抽水马桶自动进水断水结构。利用浮筒跟随水面上升下降，使之成为开关，水位低时打开进水开关，水位高时关闭进水开关。

猫眼瞳孔在不同光线下缩放。猫的瞳孔可以在强光下收缩成一条缝，以保护视网膜；在弱光下则全开，进入更多的光以看清黑暗中的物体。

“悬崖勒马”活动，是利用摩擦力减速来防止小马从桌面落下，反映了科学探究的整个过程。

观察现象提出问题：如何实现悬崖勒马？为什么开始加速、后来减速？

作出假设：这一现象是否与配重有关？

制订计划：制作简单道具，模拟悬崖勒马。

搜集证据：用不同配重进行尝试，得到小马运动的规律。

处理信息：比较小马运动前后的状态，尝试发现其中的道理。

得出结论：配重的作用是开始产生水平拉力，后来变为压力，转化为摩擦力减速。

3.学生感受

上完课后，学生特别兴奋，有学生写了一篇作文。

一节好课

上课的铃声，悦耳地响起。盼星星，盼月亮，终于盼到了清华大学高云峰教授给我们上课啦！

教授缓缓走上讲台。他，戴着一副金丝眼镜，镜片闪闪发光，这光一定是智慧之光吧。一想到清华教授给我们上课，就激动、紧张。但是，看着教授和蔼慈祥的面容，听着他亲切的自我介绍，我的心便渐渐平静了下来，认真地听起了课。

教授点开了一个视频：尼格买提叔叔坐在一个高台上的箱子里，高台边缘有一个与箱子连着的杠铃，随着杠铃下滑，箱子也迅速地向“悬崖”滑去。30厘米，20厘米，10厘米，箱子离桌子边缘越来越近了，眼看就要飞出桌面掉到地上了，关键时刻却奇迹般地在桌子边缘停住了。

什么情况？这是怎么做到的？难道这就是传说中的“悬崖勒马”？我们瞬间成了好奇宝宝。教授不愧是教授，早看穿了我们的心思，他让我们用桌上的材料做个实验，自己寻找科学的答案，以解决问题。同学们个个跃跃欲试。

于是，我们拿起棉线，一头绑在“马头”上，一头绑在小杯子上。我们将“小马”放到离“悬崖”20厘米处。我一边抓着“小马”，一边往垂在桌下的小杯子里放了10个垫圈。可我一放手，“小马”就“摔”了个倒栽葱，被拖行了大约20厘米后直接落下“悬崖”，颇有“风萧萧兮易水寒，壮士一‘掉’兮不复还”的气势。我们手忙脚乱地捡回垫圈，这次放了6个。一松手，“小马”全速前进，前行了大概15厘米，却在离桌子边缘还有5厘米处缓缓停住了。“继续跑……跑……跑啊！”我对“小马”发号施令，可它像在桌上生了根似的，不动分毫。我们就加了1个垫圈，“小马”重新开始行驶，可是它那么慢，那么慢，等得我们都好焦急。3厘米，2厘米……眼看着就要到“悬崖”边了。停，停，停，一定要停啊！“小马”似乎故意跟我们作对一样，轻轻向前一蹿，我们的心也猛地向上一蹿。关键时刻，在“悬崖”边，“小马”真的停住了。耶，我们成功啦！这调皮的“小马”呀！我们抱起它，把它举高高，以示我们的喜悦和激动。

更让我们喜悦的是，我们找到了问题的答案：原来，随着“小马”的移动，拉力的方向不断向下变化，使得“小马”受到的摩擦力越来越大，导致了它及时地停在了“悬崖”边上。真是长知识了！教授还告诉了我们一个道理：在我们的生活中，做得不对了，及时醒悟回头，只要想改正，还是来得及的。

一个成语，一段视频，一个实验，一个道理，一节好课！

（浙江省临海市大洋小学  吴瑾瑜）

五、涉及的跨学科及跨学科概念

“悬崖勒马”涉及语文（成语）、历史（人物）、物理（受力、运动）、技术工程（装置）、思政（启发意义）等多个学科。

语文。从成语“悬崖勒马”的含义讲起，引出问题：该成语出自哪里？

历史。涉及清代纪晓岚，他写过《阅微草堂笔记》，主要成就是编撰《四库全书》。

物理。小马的运动涉及受力和运动，受力与配重有关，运动先加速后减速，是需要学生在实践中进行验证并加以解释的。

技术与工程。要把小马拼装好，制造纸盒，连接成一个整体，然后进行测试。

思政。从成语“悬崖勒马”引出生活中的法律、道德“红线”，说明提醒或保护装置的重要性，要学会利用所学知识，避免自己出现重大失误。

“悬崖勒马”从不同的角度涉及跨学科概念（见表2），并不需要给学生讲，但是教师理解后有助于抓住教学的重点。

（作者：清华大学航天航空学院教授，义务教育科学课程标准修订组成员，“天宫课堂”策划人。致谢：浙江省临海市大洋小学五年级学生，浙江省上海师范大学附属宁波实验学校五年级学生。）