添梁架柱

曾宝俊

《三十六计》中的“偷梁换柱”原文为：“频更其阵，抽其劲旅，待其自败，而后乘之，曳其轮也。”古时候人们盖房子时发现，如果搭建好了房梁和立柱，整个房屋的框架就出来了，在排兵布阵中，也按照这个道理来排列自己的主力部队。此计运用此象理，是说好比拖住了车轮，车子就不能运行了。“偷梁换柱”是指讲究排兵布阵的策略，在古代战争中，统帅常常调动自己的主力部队，变化阵形，敌人就会跟着调动。在科学课教学中，教师并不需要对学生进行欺骗，但可以利用有结构的材料，巧妙地帮助他们建构科学概念。本文将“偷梁换柱”改成了“添梁架柱”，这是教学中常用的策略之一。

一

巧妇难为无米之炊。开展探究活动需要设计相应的材料，然而，材料是不会说话的，怎样让材料活起来呢？这就必须运用老师的智慧，根据一堂课的教学目标，精心选择，精心设计，为学生的探究活动提供典型的材料，这样的有机组合，便是一门艺术。兰·本达教授对材料有一段论述：

材料的种类和组合以及交给孩子们的次序就是材料的结构。所谓结构严密指的是各个材料之间、材料与教学内容和教学目标之间具有紧密的联系。因此，具有这样功能的材料叫作具有严密结构的材料，简称“有结构的材料”。

这段话最早出现在兰·本达教授所著的《小学科学教育的“探究—研讨”教学法》里，这是她第一次对科学课堂中的“材料”做了具体而又细致的界定。

兰·本达教授认为材料意味着科学概念，因为课堂上的材料可以演示出科学现象。学生通过操作材料可以观察到一系列科学现象，科学现象背后隐藏着科学原理。现在，大家普遍认识到要让学生操作“有结构的材料”来收集事实、整理事实，在这个基础上形成概念、探求规律。

美国科学FOSS教材主编劳伦斯教授也说了一段类似的话：准备好最精练的上课材料，并且思考材料出示的次序和步骤，这是我们老师在做课前准备的时候必须思考的问题。劳伦斯教授是研究脑科学的，他认为：课堂是一个认知的环境，在这个环境里，如果学生面对的是一堆杂乱无章的材料，认知就不会产生。如果学生面对的是一组具有典型结构的材料，他们就会对这个材料产生兴趣，这些材料就会引发好奇。人有好奇的天性，奇则察，细察则生疑，疑遂生思，冥思而深究。当学生琢磨材料与材料之间会存在什么关系的时候，认知就产生了。所以劳伦斯教授提醒我们：单纯的讲解不会引起孩子的认知和思考，必须用材料引领孩子的思维。

例如，在探索“空气在哪里”时，我们可选用日常生活中最常用的塑料袋、气球等材料引导学生探究：

1.用塑料袋（气球）来做“捉”空气;

2.用感官来感知空气并描述（看、闻、尝、摸……）;

3.选择砖块来设疑，探究砖块里有没有空气（实心的固体中是否有空气）;

4.探究一些简单、表面有孔的物体如海綿、蛋糕……是否有空气;

5.探究表面看似无孔的物体如木头、粉笔……是否有空气;

6.探究辣椒中有没有空气？

经过层层递进的探究活动，最终使学生理解空气无处不在、无孔不入，只要有空间，空气都会钻进去。

从这个实例可以看出，所谓有结构的材料就是教师经过精心设计的典型材料的组合。这种材料的组合，既要揭示与教学内容有关的一系列现象，体现科学性，又要符合学生年龄特征和认知规律，贴近他们的日常生活，还应具有趣味性，使学生喜欢并有能力通过对材料的探索来发现问题、解决问题，获取新知。教师针对“空气在哪里”这一问题，提供了不仅贴近学生的日常生活，而且遵循学生年龄特征和认知规律的有结构的材料，引导学生探索，从而发现问题、解决问题、获取新知。

二

特级教师路培琦曾经上过一节著名的课——《玩注射器》。在这节课上，他准备的材料非常简单，只有一盆水、两个注射器、一根软管。学生对这类材料非常熟悉，前半节课自由操作时，多数学生是把注射器放进水里面，抽一管水，挤出去，或者抽一管水挤压到软管里面去，没有玩出什么新花样。

随着课堂的推进，路老师让学生将材料进行组合：将两个注射器用软管连在一起。这么一连通，学生的操作就发生了非常明显的变化，发现了一些新现象：这边一推，那边就出来了;这么一抽，那边就缩下去了。这是怎么回事？学生立刻对新产生的现象产生了兴趣，于是探究就沿着这个思路进行下去了。这组材料妙就妙在这根连接管上，简单的材料被连出了新花样，这就是“添梁架柱”的艺术——通过材料架构起学生科学概念形成的阶梯。

路老师还有一节课《连通气球》，是将两个气球用管子一连，结果引发了全国科学教师长时间的争论。这节课的研究材料非常简单：两个气球和一根管子。对于吹气球很熟悉的学生，他们也会对两个连通的气球产生浓厚的兴趣，因为熟悉的材料中往往隐藏着深奥的科学道理。学生一旦在材料面前产生了有序的思考，就说明材料选择成功了。

这两节课之所以取得成功，其精妙之处就在于材料的选择。这两组材料妙就妙在有这么一根软管，两个注射器或两个气球被软管连起来，产生的是“1+1>2”的效果，课堂就发生了质的变化。所以，结构严谨、巧妙而精当的材料一旦呈现在学生面前，就会对他们产生一种思维冲击，导致认知的发生。学生在操作熟悉的材料时是没有认知发生的，因为他们只是在重复已有的经验。面对新奇的现象，他们的思维会随着材料的组合高速运转，需要重新组合已有经验：现在遇到的现象和以前接触到的现象有什么不同？有什么联系？它们之间有什么关系？怎么用以前的知识解释当前的现象？认知就这样发生了。

三

下面提供一组有结构的材料，供大家借鉴、品味材料的内在结构。

案例1：《磁铁》一课的材料设计

选择磁铁、铁块、镍块、铜块、铝块组合到一起。学生操作这组材料时发现：磁铁和铁、镍能发生相互作用，而与铜、铝不能发生作用。学生通过摆弄这些材料，初步认识了磁铁的特性。

案例2：《电和磁》一课的材料设计

准备的材料主要有电池、电线、小磁针、铁钉、大头针。在准备时教师精心挑选器材，比如导线不能太粗、太硬，如果太粗、太硬，不利于学生在铁钉上缠绕，且容易短路;导线缠在铁钉上不能松散、脱落;铁钉不能太小，要大的，有利于缠绕导线;铁钉还要在火上烧红淬火，这样在断电后磁性马上消失，使学生能更直观地观察到电磁铁通电产生磁性，断电磁性消失。

案例3：《导体和绝缘体》一课的材料组合

层次一：教师提供给学生的材料有铜、铁、铝、干木头、玻璃、石头、塑料、铅笔芯等。学生借助简单电路可以发现，有的材料导电，有的材料不导电，分别叫它们导体和绝缘体（这个过程是归纳）。

层次二：出示有塑料外壳的卷笔刀，问它是导体还是绝缘体。学生运用上面的研究方法，发现卷笔刀一部分是导体，一部分是绝缘体。这时学生发现不能简单地回答卷笔刀是导体还是绝缘体，只能分开表述。学生会发现要准确地描述导体和绝缘体，应该从材料的特性来描述（在演绎的过程中学习抽象，获得了新的认识）。

层次三：提问：人体、水、大地是导体还是绝缘体？这个问题很重要，它涉及安全用电问题。用简单电路来检测，不能发现它们的导电性，如果在第一层次就出现这些材料，学生一定会给它们归纳到“不能导电的物体”一类。人的思维具有先入为主的特点，学生一旦形成了错误的概念，教师可能要花更多的精力来纠正。

科学课就是帮助学生从生活概念走向科学概念，正确地认识世界。在认识提升的过程中，新知会与旧知产生激烈的冲突，只有打破原有的认知结构，建立新的认知结构，才能产生新的认识。

案例4：《鸟》一课的材料设计

《鸟》一课教学时，教师出示了鹦鹉、鸽子、麻雀、蝙蝠、公鸡、蜻蜓、蝴蝶等实物或标本，让学生通过生活经验判断哪些是鸟哪些不是鸟。在这组材料中，蝙蝠似鸟非鸟，公鸡是鸟但常以“家禽”出现，这样的材料，引发了学生生活经验中的“鸟”和科学概念中的“鸟”的概念冲突，这一冲突正是引领他们进一步探究的良好基础。

四

在造房子过程中，“添梁架柱”是一个关键环节，需要一步一步落实到位。同理，在课堂上要让学生建构科学概念，要适时呈现经过精心挑选典型的、有结构的材料，如果没有把握好呈现的时机，材料的作用就会大打折扣。为了让学生更容易看出材料的结构，有时需要分阶段发放和呈现材料。

《溶解》一课是一个传统内容，但很多课由于材料选择不典型、课堂架构不清晰、实验现象比较混乱，学生很难建构起清晰的“溶解”概念。下面通过分析这节课，阐述一下如何通过材料合理架构儿童的科学概念。

许多教材是让学生观察比较食盐、沙子、面粉在水中的变化情况，抓住溶解和不溶解的主要特征，逐步加深学生对溶解的认识和理解，帮助学生形成关于“溶解”的描述性概念。在这个过程中，关键材料沙子、面粉、食盐等如同建造概念“大厦”的“梁”和“柱”。

教学中，一般会让学生把食盐、沙子放入水中并搅拌，观察它们在水里的变化，思考：哪些现象可以说食盐在水中溶解了？哪些现象可以说沙子在水中没有溶解？学生发现看不到食盐的颗粒了，但是能看到沙子的颗粒，他们初步知道像食盐这样，放在水里经过搅拌看不见了，就是溶解;像沙子在水里那样还能看见颗粒的就是没有溶解。

随后出示面粉，面粉在水里的情况显然不同于食盐和沙子在水里的情况，这个材料的出现引出了新问题——面粉到底是溶解于水还是不溶解于水呢？教师鼓励学生大胆猜测，表达自己的想法，然后通过实验验证自己的猜测。但是，实验后学生有可能针对沉淀与否的问题再次出现争议，教师顺势引导，让学生通过实验了解判断物质在水中是否溶解的另一个方法——过滤。教师通过讲解过滤装置，吸引学生目光，演示怎样过滤食盐、沙子，请学生猜测过滤纸上会留下什么。结果溶解的食盐没有被分离，而不溶解的沙子被分离，这样就可以推理：如果面粉被分离开，说明它不溶解于水。学生分组做过滤面粉、食盐、沙子混合液的实验，效果非常明显。本课最后的交流也指向“溶解”概念，学生对溶解从原来的“说不清楚”到能够说出主要特点，这正是本课教学所期望的。

五

实验材料要指向科学概念的有意义建构，避免无关的干扰，特别是三、四年级学生，观察的点往往分散，即使教师一再强调观察的重点，它们也不会完全按照教师的要求有序观察，所以材料要做到简约而不简单。同时，分发材料的时机也很重要，所谓用材料控制教学节奏，说的也是这个道理。请看下面这一组案例中，教师是如何选择材料来保证探究质量的。

案例1：《毛细现象》一课的材料选择

教师为每组学生提供了一份固定在支架上的餐巾纸，学生把餐巾纸浸入红水中后，观察到水沿纸上升的现象。接着，教师为学生提供以下材料：粉笔、铁棒、玻璃片、棉布条、水彩笔芯、硬纸片等，并提出问题：水还能沿着哪些物体上升呢？

案例2：《舞台燈光》一课的材料选择

在课堂教学中，很难让学生直观地看到光的传播路径。《舞台灯光》一课中，教师用两个传统实验引导学生认识光的直线传播：

一是让手电筒的光沿着黑板面照射出去，在黑板上画出光射出去的路线。

二是通过两块纸板上的小孔看到蜡烛火焰，再将另一块带小孔的纸板在两块纸板间调整，通过3个小孔看到蜡烛火焰为止。仔细观察3块纸板和蜡烛的位置，思考这说明什么问题。

还有一位教师自制了“光的传播演示箱”，将光的直线传播、光的折射、光的反射等现象变得更直观，收到了较好的教学效果。

案例3：《风力的利用》一课的材料组合

教师为每组学生准备了3个叶片、6个叶片、8个叶片且形状不同的纸风车，组织学生玩后，教师提问：哪种风车转动得快？学生不假思索地回答：8个叶片的风车转得最快。学生总结后认为风车叶片越多转得越快。

本课重点研究的是怎样使同一个风车转得快，而不是叶片多少（不同的风车）与转得快慢之间的关系，这组材料的结构没有引导学生形成正确的认识。

面对有结构的材料，学生的探究能力是惊人的，完全可以在所呈现材料的暗示下进行探究：

1.有了经过优化的有结构的材料，学生才能开展真实有效的探究活动。教师对材料的再设计和再加工，可以增强趣味性、实用性和可操作性。学生通过有结构的材料能够多层次、多角度地探究。

2.有结构的材料能够体现学生探究活动的主体性。学生是探究活动的主体，受年龄特点、认知水平等因素的限制，他们的探究活动需要有比较形象的材料作为探究载体。学生通过对材料的操作自主探究，可以不断发现问题、提出问题、解决问题，得出正确结论。

3.层次性、针对性强的探究材料能够满足学生探究的欲望。儿童与生俱来有一种探求学习的习惯，如果只是让学生进行没有收获和意义的虚假的“探究”，很难满足他们的认知需要。

4.在有结构的材料引导下的探究活动，有助于学生构建和谐的人际关系，体验合作的快乐，有利于他们逐步形成正确的价值观和责任感，培养科学精神与人文精神。

六

在选择和设计有结构的材料的过程中，“添梁架柱”的策略有哪些呢？请看案例——《磁铁磁性的强弱比较》。

一位教师预设了三种方案：

方案1：在磁铁的不同地方挂回形针，比一比哪个地方挂得多。

方案2：用磁铁的不同地方慢慢靠近一个铁钉，比较磁铁把铁钉吸过来的距离远近。

方案3：用一个小钢珠慢慢靠近磁铁，看它往哪边跑。

这样的设计，能够很好地引导学生比较磁铁磁性的强弱。事实上，材料并不是越多越好，也不是越好玩越好。教师应该从教学目标、教材特点、学生实际、学校条件、当地环境资源等实际情况出发，精心准备探究材料，让材料与科学问题、探究结论紧密联系，具有典型性。材料要“少而精”，切忌“多而滥”，防止因材料而引起学生过多地关注无关现象，真正让学生的探究活动落到实处。

策略一：化繁为简，生活化探究，建构针对性和操作性强的材料结构体系。如《形状与结构》单元，为了研究各种框架的稳固性，搭建的材料有很多选择：用牙签和胡萝卜切块进行高塔搭建，用吸管搭建等。学生创造性地选择材料开展搭建活动，能够更深刻地理解形状与结构的抗弯曲能力。

策略二：充足备份，材料来源多元化，建设自助餐式“材料超市”。经常用到的探究材料，可以充分发动学生，利用集體的力量和智慧准备充足，以便随时取用。

策略三：去粗存精，个性化准备材料。如在《水钟》一课教学中，可以将普通矿泉水瓶从中间一分为二，组合起来既可以做成受水型水钟，又可以做成泄水型水钟。矿泉水瓶还可以有多种用途，如种植凤仙花、做雨量器、做水火箭，以及代替玻璃器皿做简单反应装置等，大的透明塑料筒更是做生态瓶的好材料。

策略四：创意改进，合理搭配，发挥材料的综合效用。如《证明地球在自转》一课，可以根据实际情况在可以转动的圆桌上放置稳定的、摆绳较长的摆，通过转动圆盘模拟地球转动，从而让学生直观地观察到摆的摆动方向不会受到底盘的影响，准确理解傅科摆为什么能证明地球在自转。

策略五：就地取材，巧妙利用，优化材料结构层次，充分利用校内外的各种资源。如《光和影》一课用投影仪做光源，研究影子产生的条件和变化特点，做手影游戏;在《宇宙》单元中，用投影仪模拟太阳，能帮助学生理解。

学生科学概念的建构不是一蹴而就的，在他们初步建立一个科学概念后，引导他们充分挖掘概念的内涵并拓展概念的外延是建构核心概念的有效途径。在这个过程中，教师提供的材料要有一定的梯度与层次，做到循循善诱、层层深入。