《拱形的力量》教学案例——学生科学概念构建过程剖析
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增大字体一、【设计意图】
前段时间中央教科所 郁波老师来我们温州参加备课会，指导我们教育教学工作。在会上她给我们带来了一种新的科学探究教学的理念：
探究式教学必须围绕着核心概念（科学概念）展开；科学探究活动一定要在概念性原理和知识引领下进行。她还作了一个形象的比喻：如果把科学探究活动比喻作“船”的话，科学概念就好比这艘船的舵，掌握着船行使的方向，没有行使方向的船是到不了彼岸的，课堂上没有科学概念为主线，三维目标是无法达成的。她还特别强调学生的初始想法是科学探究的起点；学生的初始想法可能有局限性甚至错误，课堂上，要重视学生探究后的想法与探究前的初始想法进行比较。探究式学习就是要通过深入的探究活动，使儿童自己摒弃错误的想法，形成正确的认识。学生科学概念建构的过程是怎样的呢？我就以“拱形的力量”这一课为载体，课堂上组织学生进行科学探究活动，对学生在课堂上科学概念建构的过程及学生探究后的想法与探究前的初始想法进行仔细观察、比较、分析。
二、课前学生情况剖析：
学生在学习这课时，有这么几个知识作为基点：１、学生已经学习了简单机械与简单的力学知识，知道铁垫圈放在纸拱上，有一种向下的压力；２、学生已经学习了“桥”这一课，知道拱形桥比平桥承受压力要大。３、学生在四年级语文课堂上学过“赵州桥”这一课，有关赵州桥的知识多少还能够回忆一些。
三、创设情景、导入新课的实录与剖析 〈了解初始想法〉
师： ( 出示一张卡纸 )这是一张什么？
生：（ 齐答 ）卡纸条。（ 板画： ）
师：老师把这张卡纸的两端横在书上，你们发现什么？
生：像七巧板一样。
（这是一个智力很一般的学生，这段时间他七巧板玩得很热乎。发言很积极，但往往课堂上答非所问。今天，看他举手，又觉得这个问题很简单，就请了他。课后我问他怎么联想到七巧板的？他说：这张“纸”弯成那样像一座桥，七巧板可以做成桥，所以，这张“纸”像“七巧板”。听之似乎有理，但确切地说应该是：这张“纸”弯成那样像七巧板拼成的一座桥）
师：老师说的是你看到什么现象？
生：这张“纸”有点向下弯了，成了一个拱形。（ 板画： ）
师：我们常见的拱形都是向上拱起。 （板书：拱形） 如果老师请一名同学在上面放铁垫圈会怎么样？
师生演示。（ 请一名学生在上面放铁垫圈，学生放重了，提醒学生小心翼翼地放。铁垫圈放到卡纸上，铁垫圈与 卡 纸一起掉下去 ）
师：你们看到什么现象？
生：看到铁垫圈一放到卡纸上，纸往下凹。 （板画： ）
师：这是怎么回事呢？谁能解释一下这种现象？
生：因为铁垫圈放上去了嘛。
生：因为铁垫圈有重量，卡纸承受不了就凹下去了。
师：是呀 !铁垫圈有一种向下压的力量 （板书：力量） 。如果老师把纸条做成这样的形状，（板画： ，并出示“纸拱”立在讲台桌上）这样做有点难度，等会儿，同学们还要动动脑筋。知道这样的形状叫什么吗？
生：拱形。
师：你们也像老师一样不借助任何物体，做一个拱形立在桌子上，然后在上面放铁垫圈，你们估计可以放几个铁垫圈？
生： 2个，3个，4个，5个……
师：这节课，我们就来学习“拱形的力量”。
（由于地球的引力， 卡纸与铁垫圈都向下凹，这个知识与现象学生都知道并会说。从学生的回答情况看，对于横着的 卡纸承受不了一个铁垫圈的压力，凹下去了，学生表达的还比较清晰、明了。这样的形状是拱形，全班学生几乎没有疑问。在纸拱上放铁垫圈，让学生猜测可以放几个铁垫圈，从学生的猜测情况看，大多数学生猜测的铁垫圈个数比卡纸横放的个数要多。从而对于拱形结构和拱形结构承受压力比横梁要强的特点的概念已经有了，不过对于拱形结构特点还是有点模糊。做一个纸拱，不借助任何物体立在桌上，有一定的难度，我也做了好几次。注意点一：卡纸要稍微厚一点；注意点二，桌子不能太光滑，可以在桌子上铺一张美术纸）
四、自主合作、探究拱形的实录与剖析 〈构建科学概念〉
（一）探究拱形承受压力
师：想不想试一试？同学们像老师一样做一个拱形， 就这样中间空的，纸的两边立在桌上，然后在上面放铁垫圈，看看你们有什么发现？
（这里我对学生做的拱形提出了明确的要求，并做了强调：做的纸拱中间空的，纸的两边立在桌上，不能借助其他物体帮助。几次教学，我对不同班级进行了尝试。一些班级提出要求并做了强调，一些班级没强调。结果没强调的班级出现了各种纸拱：∩、︹ 、 ︵ 、 ▽ 、 ∏ 、 ～ ……，对后续探究拱形的力量带来一定的阻碍作用，影响到教学效果）（材料员领材料） 学生实验。（ 这个拱不能借助其他物体帮助）
（这里我只要求学生去做，而没有具体要求学生做实验的次数及记录每次实验的数据。因为“纸拱”承受的铁垫圈个数与“平纸”承受铁垫圈的个数相差很明显。这里值得商榷）
师：哪一小组愿意把自己组的发现与大家一起分享？
生：我发现这个拱形耐力不够。
师：拱形耐力不够是什么意思？
生：就是说拱形承受力不够好。
师：说得具体点，把铁垫圈放上去纸拱怎么样了？
生：马上塌了。
师：你观察的真仔细，还有不同发现的吗？
生：拱形越拱，拱形承受力越大。
师：你是怎么发现这个现象的？
生：我们组的拱形平一点的时候，放两个铁垫圈拱形变平了，拱形拱一点的时候放 4个铁垫圈拱形才变平了。
师：是吗！这个等会儿还可去好好地研究。
生：我们小组放 5个铁垫圈，拱形塌了。
师：放 5个拱形塌了，那么这个拱形能承受几个铁垫圈呢？
生：能承受 4个铁垫圈。
师：同学们都有相同的发现，“纸拱”的“拱脚”有什么变化？
生：很快就向两边伸展开了。（板画： ）
师：铁垫圈是上面放下去的，力应该向下，拱形的“拱脚” 怎么会向两边伸展呢？谁能解释一下这种现象？
（学生进入思考状态）
生：上面的铁垫圈太重了。
师：对！铁垫圈有一个向下压的力量，但是“拱脚”向外伸的这个力是哪里来的？
生：这个力应该是铁垫圈引起的吧？拱形可以把它平分成两边。
师：你的意思是：铁垫圈向下压的力传向两边，所以，“拱脚”才会向两边伸展是吧。
生：是的。
师：的确，拱形受到压力时，能把压力向下和向外传递给相邻的部分，并产生一种外推力。这样的“拱”几乎承受不了什么压力，一受到压力拱就伸展开了。
（让学生经历这样一个过程，目的是让他们发现拱在受压力时，“拱脚 ” 有向两边推的力。这个力是哪里来的呢？让学生作出初步解释，目的很明确：了解学生的初始想法。教材的安排是学生探究完后才让学生去尝试解释，我觉得这样不大连贯。学生已经发现“拱脚 ” 向两边伸展的现象，我觉得在这里让学生作出解释是明智的，有效的，合理的。从学生的回答情况看，在这里学生也的确能够回答。学生还得出一个科学原理：拱形越拱，拱形承受力越大。在这堂课之前，学生只知道拱形承受力大。通过探究，学生发现了另一个科学道理，真的是太了不起了）
（二）使拱形承受更大的压力
师：这张纸平放着，它连一个铁垫圈都不能承受就塌下去了。把它做成拱形，它可以放几个铁垫圈。但是，拱脚却向两边伸展变平了，如果要想放10个铁垫圈，甚至更多，“纸拱”的形状依然保持不变，有什么办法？
生：要在拱形的两边放些支撑物。
师：你的意思老师听清楚了，就是在两边放些东西把它抵挡住，是吧？
生：嗯。
师：你打算用什么东西抵住拱形的拱脚。 （板画： ）
生：用书。
生：用铅笔盒。
生：用手。 ………………
（怎样使“纸拱”的形状保持不变呢 ?自然是用东西挡住拱脚。用 书、铅笔盒、手等等，学生想出了很多的办法）
师：等一会儿，同学们就把你们做的拱形的拱脚两边分别用一本书抵住。但是，不停地在上面放铁垫圈，拱形会不会又变形了呢？又遇到什么问题或情况，你们打算怎么办？
生：问老师。
生：我们自己小组商量、讨论，想办法解决。
师：说得真好！老师为同学们准备了一张记录单，同学们在实验时别忘记记录。注意：“纸拱”的要求跟以前一样。开始实验吧！
(边实验边记录，这是一种科学素养，也是一种实验的习惯，要好好培养。我上的班级全部是六年级，他们用的还是常识教材，平时这方面的习惯养成老师没有刻意去培养，这里提醒很有必要。这里对“纸拱”的要求我又进行了强调。对于遇到问题，学生想到解决的办法，已经不错，不管是问老师还是查阅资料等。一个学生说：自己小组商量、讨论，想办法解决。这么想的学生更绝了。已经能够体现他们小组自主、合作、探究的理念。)
学生实验。 （学生探究拱形承受压力，老师巡视指导） …………
（这里不要求确定承受压力的具体数值，而是感受这样的拱能承受比较大的压力，而且观察到随着压力的增大，拱又开始慢慢变形。通过实验，学生们看到这样的纸拱能承载很多的垫圈，他们纷纷惊叹拱形的“力量”）
师：哪一小组愿意把自己组的做法及发现与大家一起交流？
生：上讲台实物投影展示。 （要求其他组认真倾听，及时向他提出问题与建议）
生 1：我们小组用书挡住“纸拱”的两边，在上面放了１２个铁垫圈时，发现拱形慢慢地向右边倒塌；我们小组的××同学在“纸拱”的右边多加了三本书，我们又在上面放了８个铁垫圈时，又发现拱形慢慢地向左边倒塌了；我们小组的××同学又在“纸拱”的左边多加了四本书，结果在上面放了２６个铁垫圈时，又发现拱形向中间陷下去；我们小组的××同学又在“纸拱”的下边垫上铅笔盒，结果我们小组把所有的铁垫圈都放到“纸拱”上，拱形就不会陷下去了。
图表 1
生 2：下面有支撑物还是拱形吗？
生 1：是的。
生 3：下面有支撑物了还是这个纸拱所承受的力吗？
生 1：不是。
生 1：开始我们的支撑物没有接触到拱面。
生 4：那你的支撑物放在拱形下面有什么用呢？
生 1：当拱形塌下时能撑住。
生 5：那你的拱形已经不能继续承受更多的压力了。
师：同学们说的真好！还有哪组有不同的情况吗？
（学生对于拱形的具体概念认识，还是有些模糊，在老师的追问下，才慢慢地明朗起来）
生11：我们小组用书挡住“纸拱”的两边，在上面放了１５个铁垫圈时，发现拱形有点向左边倒塌了；于是，我们小组的同学在纸拱的左边又多加了二本书，在上面放了２２个铁垫圈时，还是发现拱形向左边倒塌了。第二次，我们小组的××同学在“纸拱”的两边分别用两根线吊着，结果我们小组把所有的铁垫圈都放到“纸拱”上，拱形就不会陷下去了。
图表 2
（创设平台，展现自我。让学生自行辩答，老师坐在学生的位置上，与学生交换角色，充分体现学生为本的思想）
师：你们在实验时又有什么重大发现呢？
生：拱形上的铁垫圈越多，拱形的负担越大。
生：固定“拱脚”的东西越多，放铁垫圈的个数也就越多。
生：“纸拱”比平的纸承受的力量大多了。
生：“拱脚”两边支撑的东西越多、越高，可以放的铁垫圈就越多，承受的力量就越大。
生：拱形两边的“拱脚”支撑的物品的重量越重，拱形承受力也越大。
生：拱形能承受巨大的压力。 ……
师： 与横梁相比较，拱形结构承受压力性能怎样 ?
生：拱形结构承受压力性能好。
师：为什么？
生：拱形能把向下的压力分散，向下和向外传出去。
师：要想让拱形承受更大的压力，有什么办法？
生：多用几张纸。
生：让拱形更拱。
生：两边放很多很多的书，把向两边伸展的力抵挡住。
师：课件演示解说。
（拱形受到压力时，能把压力向下和向外传递给相邻的部分。拱形各部分受到压力时会产生外推力，如果能抵住拱形的外推力，拱形就能承受巨大的压力 ）
（拱为什么这么有“力量” ? 与横梁相比较，拱形结构承受压力性能怎样? 要想让拱形承受更大的压力，有什么办法？让学生边观察边思考，试作出自己的解释。通过一系列的实验探究、细致观察，这课的科学概念虽然学生表达的不是非常具体，清楚，但是已经初步在学生头脑中形成。最后，通过教师的课件演示解说， 科学概念就这样水到渠成地在学生头脑中建立了。）
（激情颂扬、回归生活的实录与剖析 <体验科技力量> ）
师：（我们中华民族是一个伟大的民族，我们的人民勤劳而又智慧。在古代人们很早就发现，用石柱、石梁构架的建筑物，如果石柱间距离过宽或横梁承受压力过重，就很容易倒塌。而自然界中巨大的石拱却屹立千年而不塌。人们根据大自然的启发建造了拱门、拱窗和拱桥。赵州桥就是一座闻名世界的拱桥）关于赵州桥，你们知道些什么 ?
生： 赵州桥，又名安济桥。
生：赵州桥是隋朝建造的。
生：赵州桥是李春造的。
生：赵州桥两侧有四个小桥洞，水满时，方便通水。 ……
（学生了解或回忆到有关 赵州桥的知识，是零零星星的，没有系统性，也不管是否与科学原理有关，天花乱坠 ）
师：老师这里也有一些赵州桥的构造和特点的资料，我们一起共享。（ 看拱桥录像 ）
( 教师可为赵州桥作些必要的补充讲解，重点放在设计的巧妙上 )
师：你们在生活中还知道哪些拱形结构的？它们用的是什么材料 ?
生：有一种汽车是拱形的。
生：我觉得不对，应该说是车轮上面用铁做的“挡水盖”是拱形的。
生：还有隧道上面也是拱形的。
生：我们家门上面也是拱形的。
生：我爸爸的汽车头盔也是拱形的。
生：建筑工地里工人们戴的安全帽也是拱形的。
师：其实，很多生物包括我们人类身体上就有很多拱形结构的。
生：哦，我们的头盖骨是拱形的。
生：老师我得脚板好像也是拱形的。
师：你善于走远路吗？
生：是的。
师：那就有可能是拱形的，知道为什么吗？
生：知道。拱形的脚板能很轻松地承受我整个身体的重量嘛！ ……
师：课后,同学们作个有心人,仔细观察,去发现生活中还有哪些地方也运用了拱形的原理.
( 通过这部分学习，让学生了解拱形在生活中的应用，同时体验科技的力量 )
【教学反思】
1.对科学探究活动本质的理解
之前对科学探究活动本质的理解有两种：（一）科学是知识。强调概念和符号，导向面向知识点的教学；（二）科学是过程。强调动手操作，导向活动和体验式的教学；现在又有第三种理解：科学是解释。强调动手过程中的思考，使学生的学习过程变成不断建立科学概念，修正自己原有经验的过程。本课就基于第三种理解，让学生在动手过程中思考，慢慢建立“认识拱形结构和拱形结构承受压力比横梁要强的特点。拱形受到压力时，能把向下压的力向下和向外传递给相邻的部分。拱形各部分受到压力时会产生外推力，如果能抵住拱形的外推力，拱形就能承受巨大的压力”这个科学概念。这课的科学概念，我把它分成三个层次。
层次一 ：认识拱形结构和拱形结构承受压力比横梁要强的特点。
层次二 ：认识拱形结构和拱形结构承受压力比横梁要强的特点。拱形受到压力时，能把向下压的力向下和向外传递给相邻的部分，拱脚会向两边伸。
层次三 ：拱形受到压力时，能把向下压的力向下和向外传递给相邻的部分。拱形各部分受到压力时会产生外推力，如果能抵住拱形的外推力，拱形就能承受巨大的压力。
通过课堂教学，学生科学概念分析如下：第一层次的科学概念，六年级学生在学习本课之前已经有这个前概念，不过有点模糊；五年级的学生，由于思维的局限，加上他们没有力学方面的基础知识，只知道拱桥比平桥能承受更多的力，还不会联想到其他。不过，课后学生都已建立该科学概念。第二层次的科学概念，学生科学探究活动时比较投入，活动难度不高又很直观，加上课件演示解说，第二层次的科学概念所教班级学生基本建立。第三层次的科学概念，课后学生都能理解并能分析，少部分学生“外推力”不会用，用自己的语言表达，也挺好。
2.如何进行有效的科学探究活动？
郁波老师提了三条策略：
一）探究式教学必须围绕着核心概念展开。“加拿大课标”认为：科学探究活动一定要在概念性原理和知识引领下进行。也就是说每一堂课，得有一个科学概念为轴心，就如故事的主线索、文章的中心思想。特级教师路培琦老师说：科学探究应以活动为载体。他还形象地把活动比喻做船，活动进行了，船到岸了，三维目标就达成了。郁老师在路老师的观点上进行发展，她认为：科学概念就好比这艘船的舵，掌握着船行使的方向，没有行使方向的船是到不了彼岸的，课堂上没有科学概念为主线，三维目标是无法达成的。那么，什么是科学概念呢？郁老师认为：科学概念是由两个事物之间联系在一起的句子，是相当大范围中的一种原理、一种解释。它与科学知识是有区别的。所以，本课设计教学意图就是始终围绕让学生建构科学概念而展开教学，让学生在建构科学概念的过程中达成三维目标，培养科学素养。
二）学生的初始想法是科学探究的起点。学生的初始想法可能有局限性甚至错误，课堂上，要重视学生探究后的想法与探究前的初始想法进行比较。调查证明，儿童对一个问题所形成的看法，往往根深蒂固，以至成人之后仍然会影响他们的思维，形成认识的障碍。探究式学习就是要通过深入的探究活动，使学生自己摒弃错误的想法，形成正确的认识。这课教学，我比较关注学生的初始想法和探究后的想法，并进行反思、剖析、比较。
三）在各个教学环节中使用关键问题。课堂上该问什么样的问题，要考虑清楚，该问的问，不该问的少问或不问。我在这堂课中设计了如下的问题。
第一环节：（把卡纸两端横在书上，请一名学生在上面放铁垫圈） 看到什么？ （现象） 这是怎么回事呢？ （找证据解释）
第二环节：（像老师一样做一个拱形，就这样立在桌上，然后在上面放铁垫圈） 看到什么？ （现象） “纸拱”向两边伸展，你能解释这种现象吗？
（找证据解释） 有什么办法去解决呢？ （解决的方法） 学生探究拱形承受压力后。学生汇报实验情况：有什么发现？ （现象）
与横梁相比较，拱形结构承受压力性能怎样 ?如果要使拱形能承受更大的压力有什么办法？ （找证据解释）
几个问题颇具丰富的内涵。这课学生的科学探究能力，我把它分成三个层次：
层次一： 不会边实验边思考边纪录，逐步深入地研究一个问题；不会分析受力的状况。
层次二： 在老师的指导下能够边实验边思考边纪录，逐步深入地研究一个问题。能根据拱形结构的形变，分析受力的状况。
层次三： 学生能够独立进行实验，并能够边实验边思考边纪录，逐步深入地研究一个问题。能根据拱形结构的形变，分析受力的状况。
边实验边思考边记录，这是一种科学素养，也是一种实验的习惯与能力，要好好培养。六年级学生，他们用的还是常识教材，平时这方面的习惯养成老师没有刻意去培养，不过在老师的指导下能够边实验边思考边纪录，逐步深入地研究一个问题。五年级的学生好多了，新课程实施，他们是第一批受益人，大部分学生能够独立进行实验，并能够边实验边思考边纪录，逐步深入地研究一个问题。对于根据拱形结构的形变，分析受力的状况六年级学生分析起来比五年级学生要透彻，虽然只有一年差别，但是思维的深度有一定的距离。
科学与生活的联系。
科学学习起源于生活，服务于生活，回归于生活。同样我把这课科学与生活的联系 （学生情感态度与价值观的形成） 分成三个层次：
层次一： 通过赵州桥及我国古代工程技术成就的了解，没有表现出自豪感。学生了解拱形在生活中的应用，无法体验到科技的力量。
层次二： 通过赵州桥了解我国古代工程技术的成就，脸上能洋溢一丝的自豪感。让学生了解拱形在生活中的应用，同时能稍微体验到科技的力量。
层次三： 通过赵州桥了解我国古代工程技术的成就，由表及里地感到自豪。让学生了解拱形在生活中的应用，同时能体验到科技的巨大力量。
在课堂，当教师让学生观看自然界中巨大的屹立千年而不塌的石拱及赵州桥的录像时，学生的脸上洋溢着自豪感。让学生举例拱形在生活中的应用，学生能举一大堆实例，同时体验到科技的巨大力量。
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作者：免费教育文稿网
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