培養深度思維能力，優化結構力學教學

本文探討如何在科學教學中，基于新課標培養學生的深度思維能力，以優化結構力學的教學。以小學六年級科學“搭建塔臺”項目為例，分析了教材原有項目設計的優缺點及存在的問題。本文闡述了通過理論求證、啟發性提問、知識遷移訓練、技術性問題指導和設計多樣化等改進策略，來培養學生的深度思維能力。這些策略有利于促進學生對結構力學知識的理解和應用，從而提升他們在技術工程領域的實踐能力和成就感。

一、背景與問題

在小學科學教學中，基于項目化學習的活動常用來提升學生的動手能力和問題解決能力。然而，在開展六年級的“搭建塔臺”活動時，我發現教材中缺少對三角形結構力學原理的深入剖析，導致學生對結構力學知識的遷移和應用能力不足，限制了其知識整合與創新思維發展。為解決此問題，我重新審視教學設計，將深度思維和理論知識的應用有機結合。

二、新課標要求

根據新課標的要求，教學目標不僅是傳授知識，還要理解知識本質。因此，教學中必須引導學生進行更深入的思考，從表層的知識記憶過渡到理解、應用、分析、評價和創造的高階思維層次（見圖1）。教師通過培養學生的批判性思維、創新思維、探究能力、問題解決能力來培養學生的深度思維能力。

三、教學案例分析

（一）教科版小學六年級下冊第一單元“小小工程師”中“搭建塔臺”的活動內容

學生被要求用給定的材料（如吸管、膠帶等）搭建一座能承受一定重量的塔臺。教材上對具體塔臺搭建活動的安排如下：

1.讓學生分組討論，從安全性和實用性、材料成本預算、人員分工等多方面設計塔臺并制作標書，最后以競標的方式確定搭建資格。

2.讓競標獲勝的幾個小組根據“塔臺模型制作評價量表”制作塔臺模型設計圖，重點從“結構”和“穩定性”方面考量設計方案。

3.學生使用選定的材料搭建他們的塔臺模型，團隊合作，以確保塔臺符合設計要求。

4.塔臺搭建成功后，學生將測試塔臺的穩定性和強度，然后觀察并記錄自己模型的性能。

5.學生通過比較和思考，評估塔臺的優缺點，并提出改進建議，然后根據測試結果和改進方案進行必要的修改，以穩固他們的塔臺。

（二）教材活動項目設計優點

1.此活動從設計思路出發，通過制作模型付諸實踐，進行測試并評估性能，最后改進模型，形成一個完整的閉環。這種綜合性實踐活動可全方位提升學生的能力。

2.學生親手制作塔臺模型，比起單純的理論學習，能更深入地掌握知識。

3.活動需學生分工合作、明確職責、相互溝通協作，這提高了學生的團隊合作能力、溝通能力和解決沖突的能力。

（三）項目存在問題

1.教材在介紹這一活動時沒有系統地講解為何三角形能提供穩定的結構，只有一句話：“使用三角形結構使塔臺穩固。”這種情況下，學生只能憑經驗或直覺進行塔臺設計，缺乏理論支持。

2.學生在實際生活場景中無法靈活運用所學知識，無法將結構力學中的概念與生活中的常見建筑結構建立聯系。

3.由于對基本原理理解不深，學生往往拘泥于課堂中的材料和模式，創新性不足。在實際的教學實踐中，學生往往依賴直覺和經驗進行搭建，而未深入理解結構力學中的關鍵概念——三角形結構的穩定性。

4.學習本項目后，學生失敗作品分析（見圖2、圖3）。

出現以上搭建問題的主要原因是，我們在教學過程中對三角形結構力學原理的深入剖析不夠，學生會傾向于用多余的支撐來彌補結構的不穩定，導致過度使用橫向吸管這類非承重結構。同時，由于未進行有效受力分析，學生無法準確判斷哪些部分承重，哪些部分只是輔助穩定，他們會認為每個方向都需要多重加固。為了解決這個問題，我們改進了教學策略，并結合以下途徑培養學生的深度思維能力，以加強其對核心概念的理解和運用。

四、教學改進策略

（一）理論求證（三角形穩定性試驗）

正式搭建之前，教師花時間讓學生理解基本的結構力學原理，特別是三角形在力學中的穩定性。

教師準備一些正方形和三角形的框架模型，通過三個小實驗來完成。

實驗1：觀察、比較不同形狀的框架在頂點受壓力時的變形情況（見圖4）。

通過這個實驗，學生能夠直觀地理解三角形頂點受力時，力從頂點沿相鄰兩邊向下傳遞到底邊的兩個頂點，這兩個頂點因此受到沿著底邊向外拉伸的力，而底邊由于材料的內部引力限制其兩端向外拉伸。因此三角形的三條邊和頂點之間由于受力方向的互相制約而保持了結構的穩定。即使外力很大，頂點受到的力也會被迅速傳遞到其他各邊和頂點，力被分散、削弱，保證了三角形整體結構的穩定。

實驗2：比較四邊形和三角形頂點受拉力時形變情況（見圖5）。

三角形任意兩個頂點受拉力后，力會直接作用在邊上，而邊長是固定的，所以無法發生形變。相比之下，四邊形的對角兩頂點受拉力，容易導致頂點相鄰兩邊的夾角變小，從而讓四邊形整體發生形變。

實驗3：分別用相同的力按壓三角形的邊和頂點，比較三角形彎曲情況（見圖6）。

這個實驗可以幫助學生認識到三角形的不同位置受力時穩定性不同，使學生在設計塔臺結構時更加科學地運用三角形。當學生知道在三角形的邊上施加力會使三角形彎曲，那么在搭建塔臺時就會避免讓主要的受力點集中在三角形結構的邊上。相反，當了解到在三角形的頂點上施加力時它能保持穩定，學生就可以把塔臺的關鍵支撐部位設計成以三角形的頂點為受力點的結構，從而提高塔臺的整體穩定性。

（二）知識遷移訓練——創設生活應用情境

在學生理解了三角形結構的穩定性后，教師創設實際情境，讓學生將這一概念知識遷移到其他項目中。例如，要求學生設計一個簡單的橋梁模型，使用他們所學的結構力學原理來解決橋梁承重的問題。

案例：誰能建造最堅固的橋梁？

1.活動目標：搭一座橋，使之可以支撐裝更多墊片的杯子。

2.材料準備：吸管、紗線、膠帶、剪刀、回形針、直尺、一個裝滿墊片的小杯子（約100枚）、天平。

3.閱讀材料：（1）唐寰澄（中）《橋梁的故事》；（2）馬里奧·薩爾瓦多里（美）《神奇的建筑》；（3）大衛·麥考利（美）《大教堂：為誰而建》。

以上繪本的閱讀可以拓寬學生結構力學的知識，激發學生的聯想思維和知識遷移能力。學生閱讀不同的實際案例和故事，為后續的橋梁建造活動儲備豐富的背景知識。

4.教師支架：（1）與學生一起復習橋梁的組成部分，為學生的建造活動提供理論基礎。（2）向每一組學生分發用品，確保材料的公平分配。（3）引導學生搭一座橋，可以承載一個裝滿墊片的杯子，明確項目的具體目標。

（三）技術性問題指導，提高學生受力分析能力

1.先讓學生根據課外知識和實踐經驗分析不同材料在橋梁建造中的優點和適用環境。如鋼材具有高強度、良好的韌性，它能提供卓越的抗拉能力，常用于桁架和懸索橋；混凝土抗壓強度高，適用于橋墩和拱橋，提供良好的穩定性和支持；木材具有易于加工、成本低的特點，適合小型、短跨度橋梁，具有天然的減震效果，用于特殊結構和需要減輕自重的橋梁。而活動中用的吸管重量輕，易于切割和連接，有一定的柔韌性，可以模擬不同的結構，但強度和承重能力較低，不適合模擬重載橋梁。尤其是吸管連接處，如果不夠牢固，容易導致結構失穩。最終，學生通過實踐發現用熱熔膠連接吸管可以提供較強的粘合力。

其次，分析不同結構的橋梁與跨度關系。如桁架橋由多個三角形單元組成，利用三角形的穩定性強，強度高，材料使用效率高。拱橋結構將荷載轉化為對橋墩的水平推力，壓力沿拱形弧線傳遞到支撐點，減少橋面上的應力，適合短至中等跨度，能夠承受較大的荷載；懸索橋主纜承受主要荷載，橋面懸掛在主纜上，拉力集中在主纜上，橋墩承受主纜傳遞的垂直力，適合長跨度，梁橋是最簡單的橋梁形式，由橫梁支撐。荷載直接傳遞到支撐點，梁中部承受最大彎矩，建造簡便，適合短跨度；斜拉橋通過斜拉索將橋面荷載傳遞到塔柱，拉索承受拉力，塔柱承受垂直荷載和部分水平力，它適合中長跨度。學生要思考不同類型的橋梁可以支撐不同跨度和重量的原因，運用邏輯推理來思考橋梁跨度和承重之間的關系。

2.讓學生分組匯報自己設計的橋梁將承受的力，包括壓力（如墊片的重量）、拉力、風力、材料自重等，讓學生明白生活中的橋梁必須承受各種力的作用，而良好的設計可以減輕這些力的影響。

3.讓學生分析自己建造的橋梁中哪些部分最能經受住拉伸和壓縮，并指出橋梁上的壓縮和拉伸最大的區域。

4.討論桁架、拱門和電纜在減輕拉力和壓力方面的作用。學生可以思考這些結構是如何將力更均勻地鋪設在橋上的，以及它們對橋梁堅固性的貢獻。通過思考桁架、拱門和電纜等結構對拉力和壓力的影響，學生進行探究性學習，同時也可以激發自身的創新思維，嘗試在橋梁設計中運用這些結構來提高橋梁的堅固性。

5.要求學生展示他們在橋的哪些位置上建造了桁架、拱門或使用懸索支撐橋梁。通過實際展示，學生可以更好地理解這些結構在橋梁中的應用。

以上技術性問題的指導對學生搭建橋梁實操有如下作用：（1）明確設計思路使他們能夠根據不同橋梁類型和特點，設計出更合理的橋梁結構，確保橋梁的穩定性和承重能力。（2）學生理解力的分布后能有效地利用材料，提高結構的效率和安全性。（3）通過受力分析和測試，學生能識別并優化橋梁結構中承受最大拉伸和壓縮的部分，從而增強橋梁的耐用性。（4）學生還可以將桁架、拱門和電纜等結構進行創新性的組合，以滿足多方面需求。以上活動能提高學生觀察、分析、評價、遷移等能力，將結構力學的理論知識有效內化成學生的實踐能力。

（五）鼓勵設計多樣化，培養創新思維

在活動的最后階段，教師鼓勵學生打破常規思維，引導學生思考如何根據不同的地形和需求來設計橋梁的結構，如何合理地運用不同的材料和結構設計嘗試創新。教師也可以設置多元化的目標導向，如怎樣設計一座質量更輕、跨度更大又堅固的橋梁。同時，教師提供一些不同材料的樣本和相關的結構設計資料，讓學生有更多的創意來源，促進他們對已有知識的重構。

五、成效與反思

通過以上教學模式，學生不僅能夠更深入地理解結構力學的核心概念——三角形為什么具有穩定性？怎樣搭建才能獲得更好的支撐？更能在設計時有理論和技術的全面支持，有利于將所學知識靈活運用到新的情境中，極大地提高了自身的知識遷移能力。同時，通過不斷的分析、應用、評價，學生的創新思維也得到了有效培養。從長遠來看，扎實的理論基礎對學生科學思維的持續發展更為重要，所以教師提高學生的深度思維能力，求證核心概念的本質原理，能為今后學生學習更高層次的知識奠定良好基礎。

但在實踐過程中，我們也發現一些問題需要解決。例如，不同學生的理解能力存在差異，對那些基礎較為薄弱的學生，可通過團隊合作互助，解決搭建過程中的各種問題。

六、結論

結構力學對學生未來在技術工程領域的學習至關重要，但在中小學的科學教學中，這塊內容相對薄弱。為了改善這一現狀，我們需要在科學教學中通過對學生深度思維的培養，幫助學生奠定結構力學的理論基礎。學生只有具有扎實的理論基礎，才能創造性地解決實際問題，也才能更好地理解復雜的技術工程問題。這不僅符合我們教學的最終目標，也能促進學生成長為終身學習者。

（作者單位：浙江省紹興市上虞區龍山學校）

編輯：陳鮮艷