“找拱形”實驗設計與改進

許水勇

實驗原型及不足

為了讓學生了解圓頂形的受力特點，教材設計的活動是：觀察剖成兩半的乒乓球，看一看球殼的厚薄，捏一捏殼的軟硬;把半個乒乓球扣在桌上，向下壓它，感覺如何;試一試，在三個這樣的半個乒乓球上放書，看能放多少本？通過這三個活動，讓學生感受到圓頂形具有承載壓力大的特點，而且不產生向外推的力。

教材實驗的不足在于：

1.只能通過對半個乒乓球看一看、捏一捏、壓一壓來體驗、感受圓頂形受力時的特點，沒有數據的定量對比，活動體驗有余而探究不足。

2.沒有很好地落實“圓頂形可以看成拱形的組合，幾個相同的拱形可以拼成一個半圓形”這個目標。

3.用半個乒乓球作為圓頂形模型，個體較小，不便于觀察研究。

實驗改進

為了使學生明白圓頂形可以看成拱形的組合，教學中，教師可以用紙條彎成拱形，演示幾個相同的拱形可以拼成一個圓頂形，然后在上面放上若干墊圈，觀察其受力的變化情況。實驗的難點主要在于怎樣使各個拱足相連，讓學生理解拱形承重時拱足是要用力抵住的，而圓頂形則不需要抵住。

1.用環形紙條作拱足的圓頂形

實驗材料：環形紙條、紙拱、墊圈等。

操作方法：用環形紙條抵住若干紙拱的拱足，搭成一個圓頂形，在上面放墊圈，觀察圓頂形受力后的變化（如圖1）。

實驗優點：

拱形的個數可以逐個增加，驗證不同數量的拱形與承重能力的關系。

頂部受力后，拱足部位即環形紙條也變形了，說明圓頂形上部受到的力傳遞到了拱足的位置，有利于解釋圓頂形力傳遞的特點。

2.互相卡住拱足的圓頂形

實驗材料：工字型紙拱、墊圈等。

操作方法（如圖2）：

（1）用稍厚的卡紙裁剪6張長28厘米、寬4厘米的工字型紙拱。

（2）其中3張紙拱的底部向外裁一條縫，另外3張紙拱的底部向內裁一條縫，使兩個紙縫之間可以相互卡住。

（3）將6張紙拱的24條紙縫相互卡住，組成了一個圓頂形模型。

（4）在搭成的圓頂形上面放上墊圈，觀察受力后的變化。

實驗優點：

（1）圓頂形模型的組裝看似簡單，實際操作過程中卻有一定的難度。學生可以先把6張紙拱圍成一個圓頂形，再把相鄰的兩張互相卡住（如圖3），在組裝過程中，培養了學生的合作能力、動手能力。

（2）教師可以引導學生開展對比實驗，先測試底部未卡住的圓頂形能承受幾個墊圈，再測試底部相互卡住后可以承受幾個墊圈，通過對比發現圓頂形底部各個拱足緊密相連，把拱形產生的外推力相互抵消，因此圓頂形不產生向外推的力。此模型的運用，有效突破了思維的難點，把書上有關圓頂形力傳遞的特點完美地呈現出來。