超級蹺蹺板

李佩寧

廣義的平衡在生活中很廣泛，如很多人都在尋求工作和生活的平衡、運動和飲食的平衡等。而狹義的平衡，是指事物的平衡狀態，各項參數明確，容易界定。對于學生而言，在研究力學平衡現象的數學關系之前，直觀地構造一個物體的平衡狀態，并基于此進行深入研究，是非常有意義的。

一、課程重點

本課程旨在讓學生在構建平衡的過程中直觀地認識眾多物理概念（如重力、力臂等）、實驗器材（如杠桿尺、鉤碼等）、測量方法（如直接測量、間接測量等）等，通過準確記錄并分析數據，歸納出杠桿尺的平衡規律，并嘗試運用規律。

【涉及領域】物理、數學、幾何

【建議年級】小學中年級

【建議時間】120分鐘

二、課程任務

學生首先使用材料制作一種平衡狀態，通過對這種平衡狀態進行深入的了解和科學測量，掌握其中的數學規律。然后，利用規律制造更加復雜的平衡狀態并展示說明。

三、課程步驟

1.導入（20分鐘）

第一步，簡單說明什么是杠桿。教師可以舉例說明，拉近定義與現實的距離。然后讓學生進行頭腦風暴，分組匯總生活中常見的杠桿有哪些，并進行匯報。（常見的杠桿有鑷子、筷子、晾衣桿、剪刀、稱、天平等。杠桿可以是直的，也可以是彎的。）

第二步，提出以下問題，引導學生繼續思考。

（1）天平為什么能夠平衡？（天平左側物體重量和右側砝碼重量相等時會平衡）

（2）天平杠桿系統中有哪些變量？（兩側物體的重量，或者杠桿兩側物體的重力）

（3）“稱”這種杠桿，為什么能夠平衡？（對于此題，教師可以給出科學依據）

（4）“稱”的杠桿系統中有哪些變量？（兩側物體的重量，或者杠桿兩側物體的重力，支點到力的作用點的距離，即動力、動力臂、阻力、阻力臂）

第三步，給出平衡公式，繼續深入驗證。平衡公式：動力×動力臂=阻力×阻力臂。讓學生使用杠桿尺、鉤碼等實驗器材，計劃并動手驗證公式。注意：先不告知力臂的測量方法，而是讓學生直觀地認為支點到力的作用點的距離就是力臂。

2.宣布任務一及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】用身邊不知重量的各種物品制造三個平衡（存在動力臂和阻力臂），而且力臂各不相等，至多一個平衡裝置的兩個力臂可以相等;然后測量力臂長度和物品的重量，對蹺蹺板作出靜力分析，歸納力矩和力臂的關系，并討論測量力矩產生誤差的原因。允許并鼓勵學生通過調整支點，或者物體離支點的距離，來平衡兩個不同重量的物品。宣布任務后，呈現評價量規。

【材料】一次性餐具或者紙杯，各種重量不同的小物品，鉛筆、直尺、膠帶、測力計

3.任務一的執行（20分鐘）

正式執行實驗任務。要求學生依照評價量規，考慮以下問題。

（1）小組將哪些部分看作一個動力臂、阻力臂結合的整體？

（2）小組在設計中如何利用材料？這些材料是否有彎折的特性會影響力臂的變化？

（3）如何標明設計結構圖？如何明晰準確地標注數據？

（4）實驗執行時應該注意哪些細節？

（5）如何達成復雜的多力平衡？

4.總結和反思（20分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問題。

（1）小組對平衡的設計是實驗前先進行了計算，還是實驗后進行了驗證計算？是否用某種方式代替了計算？是什么方式？

（2）在實驗所產生的設想中，最大的實際困難是什么？

（3）最終利用現有材料完成的平衡和設計中的平衡是否存在差異？差異如何產生？

（4）【擴展】如何完成三個不同位置或方向的受力達成平衡的結構？應當注意什么？

5.宣布任務二及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】制作一個包含四個或以上衣服掛的平衡裝置。裝置越復雜，得分越高。宣布任務后，呈現評價量規

【材料】線、衣服掛、手工棒、毛根、彩紙、紙板或者卡紙、膠帶、膠水、鉤碼（有限，配重使用）

6.任務二的執行（20分鐘）

正式執行制作任務。要求學生依照評價量規，考慮以下問題。

（1）小組將哪些部分看作一個動力臂、阻力臂結合的整體？

（2）小組成員在設計中如何分工？

（3）如何標明設計結構圖？如何處理不規則物體（如衣服）？如何固定？

（4）實驗執行時應該注意哪些細節？

（5）如何達成復雜的多力平衡？

7.總結和反思（20分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問題。

（1）小組在制作過程中有無考慮材料的特性（如形變）？

（2）如何利用和處理比較柔軟的或沒有固定形態的材料？

（3）形變差異較大的物體能否作為動力臂或阻力臂出現？為什么？

（4）【擴展】如何完成三個不同位置或方向的受力達成平衡的結構？應當注意什么？

（責任編輯? ?張慧籽）