跨学科学习课程设计及反思系列（3）：动物爬绳

我专门为中小学生设计的跨学科学习课程“动物爬绳”，分别在五年级和初一年级中教学，希望通过该课程让学生了解科学家处理问题的思路和模式：通过大量实验归纳总结出结论，再对结论的合理性进行批判质疑，最后以自己发现的结论为基础，动手做出一个有创意的小作品并进行比赛。这节课也让教师理解：如何把科学的方法和思维教给学生？如何把科学探究的要素（观察、归纳、总结、批判、质疑、应用、迁移等）高度浓缩在一节课内？

一、基于核心素养的考虑

对于5＼～6年级或7＼～9年级学生，在“动物爬绳”课程中，核心素养具体内容见表1。

该内容设计重视科学思维和处理问题的方法，特别强调观察、归纳、批判、质疑，让学生面对问题或现象时具有批判思维。在科学思维中，突出模型建构、推理论证、创新思维等；在探究实践中，突出用自制的简单装置及实物模型验证或展示某些原理、现象和设想。

二、学情分析及学习重点

学生在平时学习科学时，主要是接受书本上的知识，可能没有想过自己也可以在探究中发现某些规律或结论。因此，该内容学习要让学生意识到，自己可以发现一些简单规律并迁移到更广的领域，初步理解什么是批判思维，并在能力有限的前提下如何面对疑问。

学生在科学课中了解了拉力、压力、摩擦力的一些特点，但面对该活动中一些有趣的现象，不知道如何用所学知识来解释，通过适当的模型和类比，他们又会发现很容易解释该现象。

因此，该课程的重点有两个：学生通过观察、思考，归纳出一类现象中的特殊性，从批判思维的角度，对该结论进行论证；学生以该结论为基础，设计制造一个创意玩具，使其具有神奇的功能，并利用自己发现的结论进行合理解释。

活动前段是对科学家工作的模拟：通过多次实验，获得满意的结果；然后进行归纳，得出结论；对结论的普遍性进行论证，证明其合理性。活动后段是对工程师工作的模拟：利用科学原理（学生刚发现的规律），设计制作一个巧妙的装置，并进行比赛，最后对装置的现象进行解释。

很明显，这次活动中，学生自己发现规律，并应用迁移知识解决问题，是一次典型的基于能力培养的探究实践。

三、简要教学过程

1.引出问题

课的开始，我提出问题：“大家是否知道树懒（如图1左）？它是怎么爬树的？从树懒的爬行方式，我们能否做一个科学玩具模拟树懒慢慢向上爬行？”

为什么不以猴子为例来说明？因为猴子太灵活，速度太快不容易看清楚，也经常会跳跃。

我向学生介绍，为了解释这个特殊的现象，要先做一个辅助实验，模拟科学家的探究过程，一定要注意观察。具体问题是：把一根竖杆垂直插在底盘上，将底盘放桌上；再把明显粗的空心圆筒套在竖杆上，希望松手后圆筒能停留在竖杆上（如图1右），这能成功吗？

2.探究验证过程

圆筒内径明显比竖杆大，自然会落下，我提示学生每次实验改变一个参数试一试。

第2次用短圆筒，把它套在竖杆上，松手后圆筒会落下（如图2左）。第3次把配重加在长圆筒上，改变重心位置，把圆筒套在竖杆上，松手后圆筒还是会落下（如图2中）。第4次把配重加在短圆筒上，松手后圆筒停留在竖杆上了（如图2右）。

我在PPT上把4次实验现象放在一起，引导学生进行观察、比较（如图3）。前3次实验中圆筒都落151下了，而第4次没有，有理由认为第4次实验“与众不同”。那么，第4次实验与前几次有什么明显不同的地方呢？

学生通过观察发现，第4次实验中装置的倾斜角度是最大的（在不同的地区上课，学生都可以很快得出该结论）。此时，他们归纳出一个结论：摩擦问题中，物体倾斜角度越大越容易被卡住。注意，这是学生自己归纳总结出来的结论。

3.批判质疑

通过很少实验结果，就能归纳出一个结论，可靠吗？我引导学生进一步从方法论层面进行讨论（如图4）：如果能严格证明，当然最好；如果由于种种原因还不能证明（所学的知识不够），这时用该结论预测一些现象，会增加学习的信心，如门捷列夫通过归纳发现了元素周期表，预测空格中元素的性质，并在后面得到了证实。

我引导学生预测：如果家中有老式的家具，很可能遇到抽屉难抽开的情况，那么是窄抽屉还是宽抽屉容易被卡住（如图5）？

经验告诉我们，宽抽屉容易被卡住，窄抽屉不容易被卡住。学生通过讨论分析发现，抽屉与壁面之间总是有一定的缝隙，在同样缝隙的情况下，抽屉越长，倾斜角度越小；抽屉越宽，倾斜角度越大。因为物体倾斜角度越大，越容易被卡住，所以宽抽屉比窄抽屉更容易被卡住。新式家具通常有导轨，不容易产生倾斜角度，所以新式抽屉不容易被卡住。

也就是说，抽屉的例子符合之前预测的结果。

物体倾斜角度越大越容易被卡住

如何证明这一结论正确？预测某些现象。

家中是否有老式的抽屉，是否有抽不出的时候？同样缝隙，抽屉越长，倾斜角度越小；抽屉越宽，倾斜角度越大。预测窄抽展容易拉出 预测宽抽屉容易卡住

预测成功一个案例增加了学生的信心，他们相信，如果这个结论是科学的，就可以应用在更多的情况下。我引导他们预测电工的工作状态：你是否见过电工维修时爬上电线杆的场景？电工的状态可能是怎样的？学生发现，爬电线杆时电工身体会向后仰（如图6上），这和前面做的圆筒实验是相同的道理。也就是说，电工的例子也符合我们预测的结果。我继续向学生展示自己做的啄木鸟模型，它在振动时，倾斜角度在变化，可以预测它的运动模式是：停（角度大）一落（角度小）一停（角度大）一落（角度小），而实际情况正好是这样（如图6下）。

4.应用迁移

学生通过预测多种现象，在认知范围内认可了“物体倾斜角度越大，越容易被卡住”，我引导他们以这一结论为基础，设计一个利用摩擦向上爬升的小装置。

难道摩擦力会使物体上升吗？这可能吗？我给出提示，汽车靠摩擦力前进，如果汽车在光滑的冰面上，轮胎可以转动但是不会前进，这表明某些情况下摩擦力可以成为装置前进的动力。

受前面实验的启发，学生尝试用铁丝做创意小装置：借助铅笔把铁丝绕出一个小圆圈（如图7左），然后把绳子穿过圆孔，把绳子打结，手抓住绳结且左右来回摆动，同时让绳子保持一定的张力，它会慢慢爬上去。

学生分组自行设计制作小装置。有学生做完后有多余的时间，还画出了小动物（如图7右），然后进

行爬升速度比赛。

经过尝试，学生验证了“动物爬绳”是可以实现的。

四、总结与点评

1.原理解释

前面实验得到的结论“物体倾斜角度越大，越容易被卡住”，可以用来解释创意小装置（如图8）。

当手掌抓住绳子逆时针转动时，左边绳子AB段下降，右边绳子CD段上升。由于铁丝与绳子之间有摩擦，于是装置跟随绳子作逆时针转动。当A、B两圆环接近垂直位置时，相当于左边AB段绳子穿过一个比较细的圆筒中，右边CD段绳子穿过一个比较粗的圆筒中。根据前面的结论：CD段绳子与铁丝会卡住，AB段绳子不会卡住。注意到CD段绳子上升，所以右边CD段绳子带着铁丝向上升，而左边绳子下降不妨碍铁丝运动。当手掌抓住绳子顺时针转动时，情况相反，AB段绳子与铁丝卡住了，AB段绳子带着铁丝上升。

教师还可以从科学方法、科学知识、科学精神角度给出活动的总结。

2.学生小结

学生上完课后特别兴奋，还写了一些小结，从中可以感受到活动对他们的思维和能力的影响（如图9）。

3.评价

课堂中的一系列实验模拟了科学家的探究过程：改变条件，多次尝试，历经失败，获得结论，归纳总结出科学原理。历史上很多科学家做了大量的科学实验，经历过无数次的失败后，从中找出或发现了有价值的结论为人类造福。所以，科学探究实验虽然不能保证一定成功，但每一次失败都排除了一种可能性，从而更接近成功。

对于获得的结论，从批判思维的角度进行质疑，从预测的角度证明结论的正确性，可以让学生了解批判思维的特点是基于证据和逻辑，也知道未来遇到问题的处理模式。

五、涉及的学科及跨学科概念

“动物爬绳"课程涉及生物（树懒）、物理（受力、运动）、历史（科学史）技术与工程（设计制作）等多学科内容。

生物。树懒在树上的爬行方式很特别，也很缓慢，容易看出其运动的特点。从树懒的爬行引出一个问题：能否做个装置模拟它的运动？

物理。该课程涉及铁丝的运动和受力，但是其受力的特点不是一眼能看出的，可以通过巧妙的类比，让学生理解物体受力和运动之间的关系，尝试利用模型解释现象。

历史。涉及科学史中科学发现的一般过程和规律，从门捷列夫发现元素周期表的故事中得到启发，采用预测的方式对所得结论进行检验。

技术与工程。以前面发现的结论为基础，设计制作小装置。科学原理指导技术与工程实践，技术与工程的作品直观反映科学原理。

“动物爬绳"课程涉及的跨学科概念见表2。

表2“动物爬绳"课程涉及的跨学科概念

（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：清华大学附属小学五年级学生，江西省南昌市第二中学初一学生。）