通过“捆支架”系列课程的开发过程反思科技活动校本课程的开发

殷国程，韩继彤

（北京市朝阳区青少年活动中心，北京100027）

结合小学科学课中“搭支架”这节课的教学需要，采用一次性木筷和皮筋作为基础材料进行结构设计。取材容易、成本低，易于推广实施。

1 一场实践探究活动的带来的思考

1.1 学生在探究式学习中收获了什么

北京市朝阳区组织曾经组织过一场区级“捆支架”比赛，比赛要求3 名学生组成1 个小组，每个组分配30 根一次性竹筷和1 小包皮筋，用40 min 制作一个高度超过30 cm可以承重的支架。

经过了几个月的准备，有上百位选手参加了这次比赛，但结果却不尽人意。大部分作品都以“失败”而告终，成绩最好的几个作品承重能力基本在1 kg 左右，设计上也没有什么规律可言。大部分参与者却都觉得这个活动非常有意思，认为这次活动非常成功。参与人数多、活动气氛热烈、学生和教师喜欢就是好的活动吗？笔者认为大家的收获可能仅局限于“参与过”的层面。

1.2 学生是否运用了已有经验

如何捆出一个好的支架？无论是学生还是教师，都能说出“尽可能使用三角形”这样浅显的公知经验。但制作时大家基本上都不知道如何运用。活动的成功者，也往往总结不出相关的专业经验。“浅层次”探究式学习，可能也是开展实践教学活动的一个普遍现象。

1.3 教师在探究活动中的作用

无论是做教师培训，还是给学生上课，教师们都非常喜欢讲“捆支架”这套课程。这套活动课程的开发，也成了笔者们观察理解教师、学生和课程的一个重要工具。在给教师和学生培训时发现，当遇到困难以后，教师往往比学生更容易放弃探究。一个没有探究热情的教师，如何引领一个班的学生开展探究活动？教师辅导学生也就成了纸上谈兵，对于科学性问题也就往往喜欢大而化之地简单概括，这样的“浅层学习”对于学生探究精神的培养无疑是巨大的伤害。

2 探究、探究、再探究

用了大半年的时间认真分析区赛中的几个获奖作品，一个一个仿制，不断进行结构优化。终于，笔者们仅仅使用了27 根木棍就制作出了一个可以承重17 kg 的“超级支架”，承重能力提高了十几倍。

2.1 解决问题的方法到底是什么

如果仅仅是把这个支架的制作过程记录下来，手把手教会学生制作，参加比赛肯定可以取得非常优异的成绩。这样的模式作为一个活动来说肯定没有问题，作为一节科技实践活动的课程来说，肯定也是没有问题的。但是，从科学研究和育人的层面来考虑，仅仅教会一个学生“照猫画虎”地完成一个作品，甚至取得一个优异的成绩就够了吗？这个过程真的能培养一个学生的科学精神、科学态度、学科素养和大国工匠吗？这就真的要画一个大大的问号了，很多日常培训课程和活动何尝不是这样。

2.2 知其然也要知其所以然

优秀的实践活动课程，必须要让学生知其然，也要知其所以然，让学生能够做进一步的探究，发现更加深层次的规律、知识点和兴趣点，找出与其他相关知识的关联点，同时也能拓展其应用场景。

经过无数次的结构优化完成的这个“终极结构”，似乎它“理所应当”就是这个样子，毕竟在生活中也可以找到它的影子——如天线塔和脚手架。如果是讲课的话，只要告诉学生：想要制作一个承重支架，你们必须要多观察生活，天线塔和脚手架就是非常好的支架结构。这样一来，问题好像解决了，理论也联系实际了。但是，探究半年的成果就这样一句话带过了吗？

2.3 让学生体会到“曲径通幽”的探究之妙

如何让学生也能够沉迷在这样的探究过程中，真正体会到探究的快乐？或者让他们取得更多的收获？这又成了一个新的问题。最低限度，也应该让学生看到这半年的结构优化过程，以及在这个过程中产生的各种附加收获，这也是培养学生科学思维和学科素养的一个重要手段。

只有找到“母体”——给人们最大启发的原点，用现在完成的这个“终极结构”通过反向推演到这个“母体”，才能算是一次成功的反向推演。这个“母体”就是当时获得区一等奖的一个作品，它的承重能力是依靠三根双股的立柱，稳定性依靠的是一个复杂的几何结构。虽然它的承重能力只有1 kg 多一点，但是人们始终觉得具有一定的设计思想，值得进一步研究和优化。也就是在这个“母体”的基础上不断优化，才形成了后面的“终极结构”。

在确立了“母体”与“终极结构”之间的关联以后，挖掘规律的技术手段也就确立了——双向推演。

从“母体”到“终极结构”之间，一定存在着很多条因果链条，有些路径是必要的，有些路径是非必要的。只有经过无数次的正向和反向推演，才能够发现其中一条最重要的因果链条，这才是最佳的结构优化方案。这也就是笔者所说的“双向推演”。非必要路径也不是没有研究的价值——“曲径通幽”，也能给大家带来意外的收获，同样也能够充实到大家课程的知识体系中来。

2.4 抓住构优化路径和知识路径两个因果链条

在这个“双向推演”的过程中，无形中就形成了两个因果链条：结构优化路径和知识成长路径。

仔细观察“母体”中负责结构稳定性的复杂几何结构，感觉它是由很多的三角形构成，经过不断模仿和优化，最终发现正八面体（八个面都是三角形）是结构最简单、最稳定的承重支架。最重要的是，它所有两两相对的面是平行的，因此，它的顶上就有一个三角形的平面可以稳定地承载重物。最神奇的地方是：天然金刚石居然就是正八面体。如果把正八面体叠加起来，就可以做出有足够高度的、稳定的承重支架。如果需要增加抗压能力，可以辅助几根立柱来完成——运用的是“立木支千斤”的原理。

把两个叠在一起的正八面体和三根立柱组成的这个基本结构进行不断优化，就可以得到前面提到的“终极结构”。优化过程就是把突出到立柱以外的点都向里面收，去掉所有重复的且受力较小的木棍，进一步提高捆扎的速度与效率，进一步美化结构等。最终得到了一个使用27 个木棍制作的三棱柱，每个侧立面是一个正方形的外框，外框中间是一个漂亮的“米”字。得到的结构非常简练、稳固。

从前面分析中可以发现，在探究正八面体与立柱之间的关系时，再分析结构制作的知识路径（木棍→三角形→正四面体→金字塔形→正八面体；二维→三维；不能承重→承重）的过程中，发现在结构、功能和知识层面，都存在着一个层层递进的规律。让学生参与这个制作和实验的过程，就是学生知识能力建构和兴趣培养的过程。因此，从这个层面来讲，也非常有利于培养学生的理论联系实际的能力。

在上一部分的分析中也可以发现，让学生了解和参与从“正八面体和三个立柱”这个基本结构不断优化开始，到形成一个“终极结构”的教学和探究过程，远比让学生按照教程、按部就班地制作一个“终极结构”的传统教学方式更有意义。

三棱柱的三个侧立面都必须是矩形吗？它们必须要做成现在的“米”字型吗？是不是可以做成其他的形状？一共可以有多少种变化？这些内容都非常值得探究。

2.5 回归现实

如果课程体系仅仅是让学生制作一些基本几何体、了解它们之间的关系、学会结构的优化、制作一个稳定的结构，从表面上看，感觉课程也是非常系统完善，也非常有“工科”的感觉。这样的课程体系对于一个初中生、高中生和大学生来说，内容和形式感觉也还是很不错的。但对于小学生来说就有些枯燥了。增加课程的趣味性、拓展性、创新性、系统性也是校本课程开发的当务之急。

3 打磨、打磨、再打磨

3.1 “十年磨一课”的工匠精神

有了上面的这些思考，经过近10年的打磨，一套适合校外、课外活动的课程体系应运而生。一次性木筷和皮筋都是非常容易获得的材料，而且可以反复使用；内容和形式既可以作为课程，也可以作为竞赛活动。这样的课程必然会广受中小学师生的欢迎。

3.2 生根发芽，开花结果

目前，这套课程大致包括以下几个方面：①摩天大楼；②基本结构捆扎、制作五连发皮筋枪；③艺术变形支架；④正八面体捆扎、制作投石机；⑤承重支架比赛；⑥“终极结构”探究。

几年前的一场区级捆支架比赛，让人们意识到“浅层学习”甚至“盲目探究”现象的危害性。很多探究式学习活动，虽然尊重了儿童的天性，也体现出“游戏化、做中学”，能够让学生在学习过程中有美好的学习体验，但也存在着模糊学习目标、因游戏化而忽略思维进阶、缺少高级思维训练等问题。在教学实践活动中，一定要尽可能避免“低水平”自主探究，甚至盲目探究。

“捆支架”这个活动是笔者最喜欢教的一套课程，而且已经做过很多场教师培训，效果非常好，既培养了教师们的专业能力，也提高了他们的专业兴趣，同时也激发了他们对于日常教学工作的重新思考和定位。所有的教学内容只有经过这样的挖掘和提升，才能够把课程从玩中学的初级阶段，提升到培养学生学科素养的高度。