物體穩(wěn)定性檢測器的研發(fā)及應用

〔摘? ? 要〕? 本文物體穩(wěn)定性實驗主要含上小下大、上輕下重建筑原理，現(xiàn)有教材僅僅停留于體驗基礎上的經(jīng)驗習得，不足以成為科學論證的依據(jù)。隨著教學實踐的深入，分別研制距離撥動和角度傾斜兩個版本的自制教具。不同的側重，不同的研制理念，不同的效果。其間伴隨著對《建高塔》教學的深入研究，尤其是對教具研發(fā)的一種有效推進，點點滴滴充滿著探索的滋味。筆者本著總結、反思和提煉原則，對研制的關鍵節(jié)點進行闡述，以豐富教具研制的策略生成。

〔關鍵詞〕? 小學科學；自制教具；二次研發(fā)

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 20-0007-03

高塔建筑在建筑學中具有舉足輕重的作用，是在人們日常生活中普遍存在的含有特殊意義的象征性建筑。高塔建筑水平既體現(xiàn)了中國古人的建筑水平，更是現(xiàn)代社會璀璨的建筑明珠。

2001年教科版小學科學六年級上冊“形狀與結構”單元《建高塔》一課，是在橋面寬度、厚度、形狀、拱形等教學活動后展開的教學，因為塔身的基本部件都需要在這些基本原理的基礎上才能實現(xiàn)，為此，教材設計遵循遞進式原則。教材通過探究活動和思維抽象，把單元教學目標進行合理布局，學生自然會通過做中學，不斷推進學習進程。

《建高塔》通過對塔身結構的觀察，以及塑料瓶、水和沙子的模擬實驗來驗證建高塔的基本原理，是學生喜聞樂見的教學內容。但是就教材安排的實驗材料本身以及驗證實驗的有效性而言，還是有待商榷的，更有待于改進。在此基礎上，筆者進行了《建高塔》實驗材料的兩次開發(fā)，先后完成“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”“多功能物體穩(wěn)定性檢測器”兩款自制教具的研制，收到良好的教學效果。

自制教具活動是一個不斷創(chuàng)新改進的過程，也是不斷反思和積淀的過程。本著總結、梳理、反思和提煉原則，筆者對兩次教具研發(fā)的過程進行了整理，以期實現(xiàn)從實踐到經(jīng)驗再到理論的提煉過程。

一、一次研發(fā)

教具研發(fā)沒有最好，只有更好，研制過程總是在不斷完善中推進和更新。“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”的研制可以完成教材設計要求，但需要再次更新。該作品自2009年開始研制，歷經(jīng)三年的設計與制作，最終在教材設計基礎上實現(xiàn)數(shù)字化呈現(xiàn)，給科學實證帶來有力證據(jù)。

（一）教材分析

物體穩(wěn)定性檢測活動，教材設計以塑料瓶、水和沙子作為實驗材料。根據(jù)穩(wěn)定性好、不易倒塌原理，也就是用手指撥動塑料瓶的距離長短來鑒定物體的穩(wěn)定性效果?？傮w來說，實驗準備較為簡單，操作也較為便捷，效果亦不錯，對小學生理解物體穩(wěn)定性原理來說還是比較到位的。

（二）問題剖析

作為科學實證，體驗的感覺可以作為佐證，但是不足以成為科學證據(jù)?？茖W實證是基于對實驗現(xiàn)象的分析，尤其是數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)與分析，在科學實證中具有不可替代的作用。教材的實驗設計僅局限于實驗的感覺體驗，因此如何實現(xiàn)數(shù)字化實證就成為實驗改進的重要方向。

（三）改進設計

改進的整體思路（如右圖）是如何將模擬手撥物體過程中的距離轉化成數(shù)字化距離呈現(xiàn)的？

手動操作還有一個問題是穩(wěn)定性不強，會對實驗產(chǎn)生無關干擾，為此，有必要設計和制作一個操作支架。

用不銹鋼撥動片來模擬手的撥動，不銹鋼撥動片內側固定到支架滑道上，不銹鋼撥動片內左側再連接一個指針推動桿，與支架左端的刻度盤指針實現(xiàn)左右平滑移動效果。為了提高不銹鋼撥動片的推動穩(wěn)定性，將螺桿螺帽固定在滑道右側，螺帽內套入一根螺桿，螺桿左端與不銹鋼撥動片內側活動鉸接，螺桿右側安裝輪軸搖手柄。

由于支架和不銹鋼撥動片高度是固定的，分別設計大小模塊和輕重模塊，兩類模塊的底面都為正方形，高度都是底面邊長的3倍。大小模塊上底面設為橫向寬分別為0厘米、2厘米、4厘米和6厘米四種。輕重模塊設有三段式結構，一種兩用模塊的重心在上段為上重下輕，上段重心朝下就為上輕下重，另有一塊重心在中間段。

為防止模塊在撥動當中底面產(chǎn)生位移，又設計制作了不銹鋼穩(wěn)定片，緊貼放置在模塊位移方向下端。

（四）教學檢驗

該教具在2012年研制成功后的幾年，每當六年級教學時，筆者都會拿出來和學生一起分享研制成果。教學中往往采用教材方案與自制教具相結合的方案，在教材實驗基礎上，讓學生參與討論，討論教材方案的優(yōu)缺點。然后引出“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”的教學演示，將各模塊的測試數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)，學生很快發(fā)現(xiàn)了物體穩(wěn)定性原理。在分析中再滲透重心原理進行探討，學生理性思維得到拓展。這樣一來，學生的體驗充分了，思考也有了推進，教學效果錦上添花。

二、二次研發(fā)

隨著教學的推進和對實驗設計的進一步思考，在現(xiàn)有材料方案的充分實踐中，經(jīng)過權衡、思考和質疑，又慢慢地發(fā)現(xiàn)教材設計和一次研發(fā)教具的一些問題，于是教具的二次研發(fā)就此開始。

（一）教材再分析

在《建高塔》教材設計中，針對性的實驗材料就是塑料瓶，在撥動瓶底朝下和瓶口朝下，以及瓶底朝下裝不同量的水或沙子的實驗中，橫向位移的距離都較短，距離感還是較容易找到的。這對小學生領會物體穩(wěn)定性原理有一定的啟發(fā)效果，但是因缺乏數(shù)據(jù)支撐，不能作為解釋的有效證據(jù)。另外，距離在檢測活動中是否可靠，是否需要傾倒角度的引進，是需要質疑的。

（二）問題再剖析

在對“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”研發(fā)后的《建高塔》多年教學中，筆者又發(fā)現(xiàn)了新的問題。首先，不銹鋼撥動片在撥動時，測試模塊只能在有限偏轉距離下倒下。這樣的測試只能局限于現(xiàn)有大小實驗模塊和輕重模塊，塑料瓶以及其他物體就失去了測試的機會。這樣一來，“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”的通用性就會遭到質疑。

那么，怎樣的測試才能實現(xiàn)科學性和通用性呢？顯然，不銹鋼撥動片的位移方案要換成更加科學的方案。受市面上物體穩(wěn)定性檢測器啟發(fā)，筆者發(fā)現(xiàn)物體的傾倒角度是最有效的，也是最科學的，于是教具就有了新的思考方向。

（三）改進再設計

改進的第一要務是物體傾倒角度的呈現(xiàn)，筆者首先想到用一塊角度傾斜板來測試物體的穩(wěn)定性，再利用量角器來測量角度傾斜板在抬升過程中的傾倒角度。但是這樣一來，量角器如何固定，還有角度傾斜板如何固定等問題都涌現(xiàn)出來了。

針對市面上的物體穩(wěn)定性檢測器個體都較大，給實驗材料的存儲問題和小組實驗的便利性等方面都帶來困難。為此，小型化、可拆解的物體穩(wěn)定性檢測器就成為研制的方向。

經(jīng)過反復設計推敲，新一代“多功能物體穩(wěn)定性檢測器”小型化、多功能、便捷化的效果呈現(xiàn)出來。

采用可拆卸角度傾斜板設計，大小為邊長13cm的薄有機玻璃，與之對應的是角度抬升裝置。角度抬升裝置采用兩塊L形不銹鋼鋼材，兩塊鋼材左端用彈簧螺絲活動固定，螺絲固定的兩塊鋼材中間一側用彈簧片固定一個可拆卸量角器。這樣一來，用好以后就可以拆解成量角器、角度傾斜板和角度抬升裝置，實現(xiàn)小型化、便捷化、多功能、簡約化等效果。有了它，只要在角度傾斜板上放得下的物體都可以進行檢測。檢測時，當角度抬升到物體倒塌時即停止抬升，就可以直接讀取量角器上的傾倒度數(shù)。

（四）教學再檢驗

教具的研發(fā)最終是要靠教學實踐來檢驗的，教學實踐檢驗既可以測試教具的實際功效，還可以對教具的改進提供參考依據(jù)。

在《建高塔》一課教學中，學生在教材實驗活動中一起探討體感經(jīng)驗作為科學實證的不足性問題，接著引出“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”的檢測活動。實驗數(shù)據(jù)得出以后，師生一起分析實驗數(shù)據(jù)、分析重心原理，并得出實驗結論。當學生提出能否測試塑料水瓶時，發(fā)現(xiàn)“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測器”不能勝任，于是教師引出“多功能物體穩(wěn)定性檢測器”，并對滿瓶水、半瓶水和淺瓶水分別進行測試，學生很快發(fā)現(xiàn)三瓶水的傾倒度數(shù)。作為拓展，教師又提出滿瓶水和空瓶子誰的穩(wěn)定性好的問題，很多學生會說是滿瓶水。接下來同樣進行檢測，檢測結果是滿瓶水和空瓶子的傾倒度數(shù)幾乎一樣。在學生的質疑中，又引出滿瓶水和空瓶子的重心在同一個位置的事實，于是滿瓶水和空瓶子穩(wěn)定性相似的疑惑就解開了。

從總體教學檢驗來看，實驗效果在推進，教學進程在內化，材料價值在凸顯，學生的思路打開了。

三、結語

將“多功能物體穩(wěn)定性檢測器”的二次研發(fā)作為研究話題，因為經(jīng)歷了兩次研發(fā)的推進過程，所以既是一種教學研究的推進，也是教具研發(fā)的有效更新。實驗教學、教具研發(fā)之間建立起一種密切的協(xié)同，這也是教具研發(fā)的有效途徑。教具研發(fā)沒有盡頭，只有更好，自制教具活動也將繼續(xù)推進，不斷完善。

參考文獻

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[2]金亞軍.多功能物體穩(wěn)定性檢測器[J].科學課，2016（2）：124-125.