《方寸之间稳如泰山》-教育论文，基础教育论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

方寸之间稳如泰山

范文

李佩宁

“宇宙是物质的，物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以被人发现的。”这一描述既是科学意义上的，更是哲学意义上的。现实生活中的运动更加具体。常见的匀速运动、反复运动或是静止，这些现象都发生在一定的平衡状态下；而各种加速运动和减速运动，都发生在平衡被打破的情形下。大到天上的星辰，小到地上的沙尘，万物都在“平衡—失去平衡—再平衡”的循环中更迭。

一、课程重点

对于人类来说，最熟悉的也是最容易打破平衡的一种力，就是地球上的重力。重力为人们带来稳定，也带来困扰。物体在重力方向和反方向支撑力（或是拉力、吸引力、浮力）的作用下，时刻影响着我们的生活。今天的课程就要从重力和与之相反的平衡力之间说起。重力的平衡与我们身边很多事物和各自归属的学科有关，如机械、工程、气象、水文甚至军事、艺术和传统文化。这一次是以物理学的视角为出发点，对话题展开探究。

【涉及领域】物理、几何、工程

【建议年级】小学高年级

【建议时间】125分钟

二、课程任务

通过对重力和重心的学习，探讨重心位置、支撑位置和物体达成平衡（不会倾覆、翻转或掉落，不产生后续垂直方向的运动）几者之间的关系，并让学生自己动手调查和实验来探索这样的关系，以培养学生运用所学知识发现生活中的平衡现象、解决实际平衡问题的能力。本课不以竞争性的表现性任务为主，而是以现象观察为先导，通过“觀察—思考—总结—再观察”的循环，让学生在适当引导下发现各种平衡现象的规律，并进行归纳总结。

三、课程步骤

1.导入（25分钟）

【第一步】介绍重心的概念，以及对称物体（几何对称、密度均匀）重心特点。重心，是在重力场中，物体处于任何方位时所有各组成质点的重力的合力都通过的那一点。对于形状规则的对称物体，如一个轴对称物体，可以用一条直线（即对称轴）来表明物体的对称性，如果该物体的密度分布均匀，则对称轴将通过物体的重心。如果能找到物体另一条通过重心的直线，这条直线与对称轴的交点就是重心。例如，可以将物体悬挂起来（避开第一条对称轴），挂点和地面的垂直线必然通过重心，找到这条垂直线与对称轴的交点，就找到了重心。

【第二步】列举利用重力平衡原理创作的工艺品，特别是凭视觉直观看来并不平衡的物体，如斜木板制作的酒架以及只需接触鸟嘴就可以停在手指上的平衡鸟（见图1）等。然后向学生提问：这些物体是如何“摆脱”地球引力的？

【第三步】介绍平衡的规律和特点。通常条件下，物体的支撑点形成一个统一的支撑面（例如三脚架），有如下规律：当物体的重心在竖直方向的投影落在物体的支撑面内或支撑点上，物体将处于平衡状态（只考虑垂直方向，暂不考虑水平方向的各种运动和受力）。

【第四步】展示更多图片，如正在做瑜伽的人、表演平衡杂技的人、骑自行车的人等。请学生寻找图片中的人或事物的重心大致在什么位置，并让学生说一说为了保持这种平衡状态，需要具备什么条件。

2.宣布探索性任务（10分钟）

【宣布任务】要求学生用所给的材料做探索“平衡”的活动，归纳规律，回答问题。该任务是前置性探索任务，不是表现性任务，因此不做评价量规，给各小组时间准备。

【材料】圆形橡胶（塑料、海绵）片、三角形橡胶（塑料、海绵）片、两个晾衣木夹。其中，橡胶（塑料、海绵）片要有几毫米的厚度，以便学生可以尝试用侧面将这些材料立起来。

3.探索性任务的执行（25分钟）

请学生依次按照以下要求和提示完成任务，思考并回答相关问题。

【任务1】尝试将扁平状的橡胶（塑料、海绵）片放在一根手指（或支撑面、基底）上，并使之保持平衡。

（1）记录重心位置，思考如何描述重心位置。

（2）感受物体的稳定性，思考物体稳定性的特征及如何描述。

【任务2】将任意边作为支撑面或者基底来保持平衡。

（1）观察重心，思考重心位置是否发生变化。

（2）感受物体的稳定性，思考物体稳定性的特征及如何描述。

【任务3】用晾衣夹卡在物体的下方位置来降低物体的重心，并且以“角”（例如将某个角的顶点卡在某个浅凹槽中）或“边”（例如以侧面立住物体）为支撑面来尝试保持平衡。

（1）记录重心位置。思考重心在哪里以及重心是否发生了变化。

（2）观察物体的稳定性。思考夹子如何影响物体的稳定性。

4.发现与讨论（15分钟）

【问题1】假设一些物体可能随机受到各个方向大小不同的力，观察需要保持固定与平衡的例子（如圆凳、交通用锥形路障、一级方程式赛车），思考普遍意义上的物体保持稳定性的因素有哪些？有什么特点？尝试归纳。

（1）支撑面——支撑面越大的物体越稳定。例如金字塔。

（2）重心位置——重心越低的物体越稳定。例如双层巴士。

【问题2】以起重机为例，讨论重心与支撑面的相对位置对平衡的影响。

（1）重心位置怎样影响起重机？

（2）分析图2中哪个起重机的稳定性、平衡性更好？哪个起重机相对不稳定？

【问题3】深入探讨、分析和模拟平衡鸟模型。为什么平衡鸟能“叼住”手指保持平衡？理解“平衡点”的概念，即物体在这一点上（或这一位置上）能够保持平衡。猜想平衡鸟的重心（在嘴尖之上还是之下）。

【模拟任务】请学生用积木和木夹子模拟一个类似模型（见图3）。学生从制作与讨论中应至少知道以下信息。

（1）重心高的物体不稳定并且会翻倒。

（2）为了增加稳定性，重心要尽可能降低。

（3）如果重心足够低，甚至重心低于支撑面，那么支撑面可以很小（如平衡鸟的例子）。

5.宣布表现性任务与评价量规（10分钟）

【宣布任务】使用工程设计的方式解决任务：使铅笔以尖端保持平衡。呈现评价量规（见表1）。请学生参照以下步骤完成设计。

（1）仔细审题，关注所给材料；

（2）想一个可行的方法，并与搭档讨论；

（3）设计方案并画出想法，要求既实用，也能表现一定的艺术性；

（4）实现你们的设计；

（5）做实验并测试这个设计；

（6）思考改进方案或方法。

注意：可通过重复以上第4—6步改进模型。

【材料】削尖的铅笔、直尺、卷尺、铁丝、钩码

6.表现性任务的执行（25分钟）

正式执行制作任务。要求学生依照评价量规，在制作时考虑以下问题。

（1）重心大概在哪里？

（2）支撑面或支撑点在哪里？

（3）怎样使铅笔的重心下移？

（4）怎样利用铁丝？

（5）配重的位置如何影响铅笔的平衡？

7.总结与反思（15分钟）

通过以下问题引导学生总结与反思。

（1）你们小组所考虑的平衡是多角度、多方向的吗？请说明。

（2）你们怎样理解设计的艺术性？

以下问题为拓展思考。

（3）你的作品能动起来吗？运动是否会增加作品的艺术性？

（4）观赏亚历山大·考尔德（Alexander Calder）的动态雕塑或固定雕塑作品。重心的位置大概在哪里？你有什么感受？受到什么启发？

（5）谈谈重心、平衡在体育运动中的重要性（例如体操、棒球、篮球、足球）。

（6）查一查什么是战斗机的“眼镜蛇机动”。你觉得这种动作难在哪里？然后，谈谈重量的分布及保持平衡如何影响飞机安全飞行。

【课后拓展作业】用一支旧铅笔、铁丝和小铃铛，做一个只用笔尖就能站住的风铃。

（责任编辑郭向和）

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