物體穩(wěn)定性檢測(cè)器的研發(fā)及應(yīng)用

〔摘? ? 要〕? 本文物體穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)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(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)習(xí)得，不足以成為科學(xué)論證的依據(jù)。隨著教學(xué)實(shí)踐的深入，分別研制距離撥動(dòng)和角度傾斜兩個(gè)版本的自制教具。不同的側(cè)重，不同的研制理念，不同的效果。其間伴隨著對(duì)《建高塔》教學(xué)的深入研究，尤其是對(duì)教具研發(fā)的一種有效推進(jìn)，點(diǎn)點(diǎn)滴滴充滿著探索的滋味。筆者本著總結(jié)、反思和提煉原則，對(duì)研制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行闡述，以豐富教具研制的策略生成。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；自制教具；二次研發(fā)

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 20-0007-03

高塔建筑在建筑學(xué)中具有舉足輕重的作用，是在人們?nèi)粘Ｉ钪衅毡榇嬖诘暮刑厥庖饬x的象征性建筑。高塔建筑水平既體現(xiàn)了中國(guó)古人的建筑水平，更是現(xiàn)代社會(huì)璀璨的建筑明珠。

2001年教科版小學(xué)科學(xué)六年級(jí)上冊(cè)“形狀與結(jié)構(gòu)”單元《建高塔》一課，是在橋面寬度、厚度、形狀、拱形等教學(xué)活動(dòng)后展開(kāi)的教學(xué)，因?yàn)樗淼幕静考夹枰谶@些基本原理的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)，為此，教材設(shè)計(jì)遵循遞進(jìn)式原則。教材通過(guò)探究活動(dòng)和思維抽象，把單元教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行合理布局，學(xué)生自然會(huì)通過(guò)做中學(xué)，不斷推進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)程。

《建高塔》通過(guò)對(duì)塔身結(jié)構(gòu)的觀察，以及塑料瓶、水和沙子的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證建高塔的基本原理，是學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的教學(xué)內(nèi)容。但是就教材安排的實(shí)驗(yàn)材料本身以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的有效性而言，還是有待商榷的，更有待于改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行了《建高塔》實(shí)驗(yàn)材料的兩次開(kāi)發(fā)，先后完成“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”“多功能物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”兩款自制教具的研制，收到良好的教學(xué)效果。

自制教具活動(dòng)是一個(gè)不斷創(chuàng)新改進(jìn)的過(guò)程，也是不斷反思和積淀的過(guò)程。本著總結(jié)、梳理、反思和提煉原則，筆者對(duì)兩次教具研發(fā)的過(guò)程進(jìn)行了整理，以期實(shí)現(xiàn)從實(shí)踐到經(jīng)驗(yàn)再到理論的提煉過(guò)程。

一、一次研發(fā)

教具研發(fā)沒(méi)有最好，只有更好，研制過(guò)程總是在不斷完善中推進(jìn)和更新。“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”的研制可以完成教材設(shè)計(jì)要求，但需要再次更新。該作品自2009年開(kāi)始研制，歷經(jīng)三年的設(shè)計(jì)與制作，最終在教材設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化呈現(xiàn)，給科學(xué)實(shí)證帶來(lái)有力證據(jù)。

（一）教材分析

物體穩(wěn)定性檢測(cè)活動(dòng)，教材設(shè)計(jì)以塑料瓶、水和沙子作為實(shí)驗(yàn)材料。根據(jù)穩(wěn)定性好、不易倒塌原理，也就是用手指撥動(dòng)塑料瓶的距離長(zhǎng)短來(lái)鑒定物體的穩(wěn)定性效果。總體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備較為簡(jiǎn)單，操作也較為便捷，效果亦不錯(cuò)，對(duì)小學(xué)生理解物體穩(wěn)定性原理來(lái)說(shuō)還是比較到位的。

（二）問(wèn)題剖析

作為科學(xué)實(shí)證，體驗(yàn)的感覺(jué)可以作為佐證，但是不足以成為科學(xué)證據(jù)。科學(xué)實(shí)證是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，尤其是數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)與分析，在科學(xué)實(shí)證中具有不可替代的作用。教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)僅局限于實(shí)驗(yàn)的感覺(jué)體驗(yàn)，因此如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)證就成為實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的重要方向。

（三）改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

手動(dòng)操作還有一個(gè)問(wèn)題是穩(wěn)定性不強(qiáng)，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生無(wú)關(guān)干擾，為此，有必要設(shè)計(jì)和制作一個(gè)操作支架。

用不銹鋼撥動(dòng)片來(lái)模擬手的撥動(dòng)，不銹鋼撥動(dòng)片內(nèi)側(cè)固定到支架滑道上，不銹鋼撥動(dòng)片內(nèi)左側(cè)再連接一個(gè)指針推動(dòng)桿，與支架左端的刻度盤(pán)指針實(shí)現(xiàn)左右平滑移動(dòng)效果。為了提高不銹鋼撥動(dòng)片的推動(dòng)穩(wěn)定性，將螺桿螺帽固定在滑道右側(cè)，螺帽內(nèi)套入一根螺桿，螺桿左端與不銹鋼撥動(dòng)片內(nèi)側(cè)活動(dòng)鉸接，螺桿右側(cè)安裝輪軸搖手柄。

由于支架和不銹鋼撥動(dòng)片高度是固定的，分別設(shè)計(jì)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(zhǎng)的3倍。大小模塊上底面設(shè)為橫向?qū)挿謩e為0厘米、2厘米、4厘米和6厘米四種。輕重模塊設(shè)有三段式結(jié)構(gòu)，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(dòng)當(dāng)中底面產(chǎn)生位移，又設(shè)計(jì)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(xué)檢驗(yàn)

該教具在2012年研制成功后的幾年，每當(dāng)六年級(jí)教學(xué)時(shí)，筆者都會(huì)拿出來(lái)和學(xué)生一起分享研制成果。教學(xué)中往往采用教材方案與自制教具相結(jié)合的方案，在教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，讓學(xué)生參與討論，討論教材方案的優(yōu)缺點(diǎn)。然后引出“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”的教學(xué)演示，將各模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，學(xué)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(jìn)行探討，學(xué)生理性思維得到拓展。這樣一來(lái)，學(xué)生的體驗(yàn)充分了，思考也有了推進(jìn)，教學(xué)效果錦上添花。

二、二次研發(fā)

隨著教學(xué)的推進(jìn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步思考，在現(xiàn)有材料方案的充分實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)權(quán)衡、思考和質(zhì)疑，又慢慢地發(fā)現(xiàn)教材設(shè)計(jì)和一次研發(fā)教具的一些問(wèn)題，于是教具的二次研發(fā)就此開(kāi)始。

（一）教材再分析

在《建高塔》教材設(shè)計(jì)中，針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)材料就是塑料瓶，在撥動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，橫向位移的距離都較短，距離感還是較容易找到的。這對(duì)小學(xué)生領(lǐng)會(huì)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(cè)活動(dòng)中是否可靠，是否需要傾倒角度的引進(jìn)，是需要質(zhì)疑的。

（二）問(wèn)題再剖析

在對(duì)“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”研發(fā)后的《建高塔》多年教學(xué)中，筆者又發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。首先，不銹鋼撥動(dòng)片在撥動(dòng)時(shí)，測(cè)試模塊只能在有限偏轉(zhuǎn)距離下倒下。這樣的測(cè)試只能局限于現(xiàn)有大小實(shí)驗(yàn)?zāi)K和輕重模塊，塑料瓶以及其他物體就失去了測(cè)試的機(jī)會(huì)。這樣一來(lái)，“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”的通用性就會(huì)遭到質(zhì)疑。

那么，怎樣的測(cè)試才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)性和通用性呢？顯然，不銹鋼撥動(dòng)片的位移方案要換成更加科學(xué)的方案。受市面上物體穩(wěn)定性檢測(cè)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(xué)的，于是教具就有了新的思考方向。

（三）改進(jìn)再設(shè)計(jì)

改進(jìn)的第一要?jiǎng)?wù)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(lái)測(cè)試物體的穩(wěn)定性，再利用量角器來(lái)測(cè)量角度傾斜板在抬升過(guò)程中的傾倒角度。但是這樣一來(lái)，量角器如何固定，還有角度傾斜板如何固定等問(wèn)題都涌現(xiàn)出來(lái)了。

針對(duì)市面上的物體穩(wěn)定性檢測(cè)器個(gè)體都較大，給實(shí)驗(yàn)材料的存儲(chǔ)問(wèn)題和小組實(shí)驗(yàn)的便利性等方面都帶來(lái)困難。為此，小型化、可拆解的物體穩(wěn)定性檢測(cè)器就成為研制的方向。

經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)推敲，新一代“多功能物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”小型化、多功能、便捷化的效果呈現(xiàn)出來(lái)。

采用可拆卸角度傾斜板設(shè)計(jì)，大小為邊長(zhǎng)13cm的薄有機(jī)玻璃，與之對(duì)應(yīng)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(dòng)固定，螺絲固定的兩塊鋼材中間一側(cè)用彈簧片固定一個(gè)可拆卸量角器。這樣一來(lái)，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(shí)現(xiàn)小型化、便捷化、多功能、簡(jiǎn)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(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，當(dāng)角度抬升到物體倒塌時(shí)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(xué)再檢驗(yàn)

教具的研發(fā)最終是要靠教學(xué)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)的，教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)既可以測(cè)試教具的實(shí)際功效，還可以對(duì)教具的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

在《建高塔》一課教學(xué)中，學(xué)生在教材實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中一起探討體感經(jīng)驗(yàn)作為科學(xué)實(shí)證的不足性問(wèn)題，接著引出“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”的檢測(cè)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以后，師生一起分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析重心原理，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。當(dāng)學(xué)生提出能否測(cè)試塑料水瓶時(shí)，發(fā)現(xiàn)“數(shù)字化物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”不能勝任，于是教師引出“多功能物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”，并對(duì)滿瓶水、半瓶水和淺瓶水分別進(jìn)行測(cè)試，學(xué)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(shuí)的穩(wěn)定性好的問(wèn)題，很多學(xué)生會(huì)說(shuō)是滿瓶水。接下來(lái)同樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果是滿瓶水和空瓶子的傾倒度數(shù)幾乎一樣。在學(xué)生的質(zhì)疑中，又引出滿瓶水和空瓶子的重心在同一個(gè)位置的事實(shí)，于是滿瓶水和空瓶子穩(wěn)定性相似的疑惑就解開(kāi)了。

從總體教學(xué)檢驗(yàn)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)效果在推進(jìn)，教學(xué)進(jìn)程在內(nèi)化，材料價(jià)值在凸顯，學(xué)生的思路打開(kāi)了。

三、結(jié)語(yǔ)

將“多功能物體穩(wěn)定性檢測(cè)器”的二次研發(fā)作為研究話題，因?yàn)榻?jīng)歷了兩次研發(fā)的推進(jìn)過(guò)程，所以既是一種教學(xué)研究的推進(jìn)，也是教具研發(fā)的有效更新。實(shí)驗(yàn)教學(xué)、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(méi)有盡頭，只有更好，自制教具活動(dòng)也將繼續(xù)推進(jìn)，不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1]喻伯軍.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）課例式解讀科學(xué)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2022.

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