培智學(xué)校生活數(shù)學(xué)學(xué)具磁懸浮算盤(pán)的設(shè)計(jì)與使用

【中圖分類(lèi)號(hào)】 G764

隨著科技的進(jìn)步和教育理念的更新，特殊教育課堂中輔助教具的運(yùn)用頻率日益增加。《培智學(xué)校義務(wù)教育生活數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2016年版）》提出，要開(kāi)發(fā)和利用應(yīng)用于教與學(xué)活動(dòng)中的各種資源，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)數(shù)學(xué)、用數(shù)學(xué)的意識(shí)，通過(guò)多種途徑提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。在培智學(xué)校，小棒、計(jì)數(shù)器和算盤(pán)常用于輔助學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)的認(rèn)識(shí)、計(jì)算以及數(shù)學(xué)思維的培養(yǎng)]。其中，算盤(pán)作為一種古老的手動(dòng)操作的計(jì)算工具，傳統(tǒng)而有效。在此基礎(chǔ)上，磁懸浮算盤(pán)作為一種新型的教學(xué)工具，憑借其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用，為培智學(xué)校生活數(shù)學(xué)教學(xué)帶來(lái)了新的可能性。本文闡釋了磁懸浮算盤(pán)的設(shè)計(jì)原理、操作方式與實(shí)踐應(yīng)用，以期為生活數(shù)學(xué)教學(xué)提供有益參考。

一、磁懸浮算盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）基本設(shè)計(jì)原理

算盤(pán)是我國(guó)古代勞動(dòng)人民創(chuàng)造的一種計(jì)算工具。其外觀為長(zhǎng)方形，四周是框，里面固定著的一根根小木棍為“檔”，有9檔、11檔、15檔、17檔等類(lèi)型，每個(gè)檔上穿著算珠，中間一道梁把算盤(pán)分成兩部分，每顆上珠代表5，每顆下珠代表1。常見(jiàn)的算盤(pán)主要有兩種：一是上二下五的圓珠算盤(pán)；二是上一下四的菱珠或碟珠算盤(pán)。目前，教學(xué)中使用較多的算盤(pán)為上一下四的碟珠算盤(pán)。但在教學(xué)實(shí)踐中，教師發(fā)現(xiàn)這種算盤(pán)檔距過(guò)小，學(xué)生撥珠不便且易帶珠，在運(yùn)算過(guò)程中極易撥錯(cuò)檔位。針對(duì)這一問(wèn)題，磁懸浮算盤(pán)通過(guò)引入磁懸浮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了算珠的無(wú)摩擦操作，可有效滿(mǎn)足智力障礙學(xué)生的使用需求（見(jiàn)圖1）。

圖1：磁懸浮算盤(pán)

磁懸浮算盤(pán)的底盤(pán)上鑲嵌有與算珠位置對(duì)應(yīng)的磁鐵，每個(gè)算珠內(nèi)部也裝有磁鐵。當(dāng)算珠的軸線垂直于底盤(pán)時(shí)，算珠內(nèi)的磁鐵與底盤(pán)上的磁鐵同極相對(duì)，由于磁場(chǎng)的作用力，算珠會(huì)產(chǎn)生懸浮力[2]。這種設(shè)計(jì)使得算珠在進(jìn)退位的位置上能夠得到穩(wěn)定的支撐力，極大地提升了操作的流暢性和準(zhǔn)確性。

（二）外觀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，教師充分考慮了智力障礙學(xué)生的特殊需求，對(duì)算盤(pán)的尺寸、重量、顏色等進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，以確保其適合不同年齡段和能力水平的學(xué)生使用。

磁懸浮算盤(pán)為13檔，采用輕質(zhì)的塑料作為主體材料，結(jié)合適當(dāng)大小的磁鐵卡針以實(shí)現(xiàn)磁懸浮效果。通過(guò)精確的材料配比和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，算盤(pán)整體重量在150克左右，既便于智力障礙學(xué)生的手持操作，又不至于過(guò)輕導(dǎo)致手感不佳或易滑落。在尺寸設(shè)計(jì)上，考慮到智力障礙學(xué)生普遍存在雙手靈活性較差、力量和手眼協(xié)調(diào)能力較弱等特點(diǎn)，算珠設(shè)計(jì)為菱形，算盤(pán)寬度為 6cm ，長(zhǎng)度為 20cm ，適應(yīng)13檔的使用需求；考慮到磁懸浮算珠的凸起程度和塑料邊框的厚度，為確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且操作舒適，算盤(pán)的高度為 2cm ，使學(xué)生能夠輕松握持并準(zhǔn)確撥動(dòng)算珠。在顏色設(shè)計(jì)上，考慮到要吸引智力障礙學(xué)生的注意力以及顏色對(duì)學(xué)生的友好性，算盤(pán)的主體顏色為綠色、白色，算珠采用與主體形成對(duì)比的顏色一一紅色、黑色，以便學(xué)生能更清晰地識(shí)別算珠的狀態(tài)。在無(wú)障礙設(shè)計(jì)方面，教師在算盤(pán)上增加了凸起的標(biāo)識(shí)，以輔助智力障礙學(xué)生識(shí)別檔位和算珠狀態(tài)。未來(lái)，還計(jì)劃提供語(yǔ)音提示或觸覺(jué)反饋功能，以進(jìn)一步提升使用的便捷性和友好性。

二、磁懸浮算盤(pán)的操作優(yōu)化

在使用上，磁懸浮算盤(pán)的操作方式與傳統(tǒng)算盤(pán)有所不同。由于磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，算珠之間的摩擦力被大大降低，這使得智力障礙學(xué)生可以更加輕松、快速地完成計(jì)算過(guò)程。算珠與基座內(nèi)兩塊磁鐵同極端頭之間的距離，在算珠撥入與撥去時(shí)相距最遠(yuǎn)，算珠處于穩(wěn)定的狀態(tài)；而在算珠撥到中間位置時(shí)，兩塊磁鐵的同極端頭相距最近，算珠處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣有助于操作和讀數(shù)（見(jiàn)圖2）。同時(shí)，多位算珠聯(lián)動(dòng)過(guò)程中，相鄰算珠內(nèi)的磁鐵之間會(huì)產(chǎn)生吸引力或排斥力，從而幫助學(xué)生更加穩(wěn)定地控制算珠的位置和角度。共存在以下幾種操作情境。

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖1

（一）穩(wěn)態(tài)相吸

算珠撥入與撥去時(shí)，算珠處于的位置和姿態(tài)使同方向相鄰算珠內(nèi)磁鐵的不同極性端頭相距更近，相鄰算珠之間產(chǎn)生吸引力，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了算珠的穩(wěn)定性（見(jiàn)圖3）。

圖3結(jié)構(gòu)原理圖2

（二）不穩(wěn)態(tài)相斥

算珠在操作經(jīng)過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，因同方向相鄰算珠內(nèi)磁鐵的同極性端頭相距更近，使相鄰算珠之間有排斥力，從而進(jìn)一步降低了算珠之間的摩擦力，使操作更加靈活。此時(shí)算珠僅靠固定孔和基座的三角軸牽掛（見(jiàn)圖4）。

圖4結(jié)構(gòu)原理圖3

（三）一步清盤(pán)

算盤(pán)的上下外框通過(guò)推鉤，直接連接上下清零推桿，操作上下外框相對(duì)靠近時(shí)，上下清零推桿反而分開(kāi)。算珠由上下清零推桿推動(dòng)實(shí)現(xiàn)清盤(pán)操作（見(jiàn)圖5）。

圖5結(jié)構(gòu)原理圖4

三、磁懸浮算盤(pán)的實(shí)踐運(yùn)用

（一）數(shù)的認(rèn)識(shí)：直觀體驗(yàn)，激發(fā)興趣

在數(shù)的認(rèn)識(shí)方面，磁懸浮算盤(pán)是一種非常直觀的計(jì)算工具。它的每檔都有固定的算珠，個(gè)位、十位、百位等的檔位分明，學(xué)生可以很容易地觀察到算珠的位置和數(shù)量，從而幫助他們理解“數(shù)\"和“數(shù)位”的概念。如數(shù)字“32\"在算盤(pán)上的表示是：在十位檔撥3顆算珠、個(gè)位檔撥2顆算珠。學(xué)生理解3個(gè)十和2個(gè)一，就能表示32，有利于數(shù)位的學(xué)習(xí)和理解。

根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)原理，直觀、生動(dòng)的刺激能夠更有效地吸引學(xué)生的注意力，促進(jìn)信息的加工和記憶。磁懸浮算盤(pán)通過(guò)其獨(dú)特的懸浮設(shè)計(jì)，為智力障礙學(xué)生提供了一個(gè)新穎、有趣的數(shù)字呈現(xiàn)方式，有助于他們?cè)谳p松愉快的氛圍中掌握數(shù)的概念。

（二）數(shù)的計(jì)算：簡(jiǎn)化操作，提升準(zhǔn)確性

在數(shù)的計(jì)算方面，磁懸浮算盤(pán)能起到事半功倍的作用。撥珠的過(guò)程就像是在做游戲一樣，學(xué)生在玩樂(lè)中就能學(xué)會(huì)加減等運(yùn)算。而且，算珠相吸相斥時(shí)發(fā)出的“啪啪”聲，還能讓學(xué)生感受到計(jì)算的節(jié)奏和樂(lè)趣。磁懸浮算盤(pán)的低摩擦力設(shè)計(jì)，便于學(xué)生順利、流暢地操作算盤(pán)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)不斷的練習(xí)，學(xué)生可以逐漸掌握通過(guò)調(diào)整算珠位置來(lái)進(jìn)行加減運(yùn)算的方法。

動(dòng)手操作是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要方式之一，根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生通過(guò)親身實(shí)踐，能夠更深人地理解知識(shí)，形成自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。通過(guò)動(dòng)手操作磁懸浮算盤(pán)，他們對(duì)算理的理解也更加深人，有助于學(xué)生更好地掌握計(jì)算方法，提高計(jì)算正確率，為后續(xù)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)

（三）數(shù)學(xué)思維培養(yǎng)：?jiǎn)⒌现腔郏卣顾季S

在數(shù)學(xué)思維的培養(yǎng)方面，磁懸浮算盤(pán)也可以發(fā)揮作用。通過(guò)使用算盤(pán)，學(xué)生能鍛煉自己的動(dòng)手能力和觀察能力，培養(yǎng)邏輯思維和解決問(wèn)題的能力。因?yàn)樵谑褂盟惚P(pán)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，學(xué)生需要不斷地思考計(jì)算口訣和分析如何運(yùn)珠，從而找出正確的運(yùn)算方法和步驟，進(jìn)而得出結(jié)果。例如，磁懸浮算盤(pán)是通過(guò)數(shù)位對(duì)齊來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，學(xué)生掌握了個(gè)位數(shù)的運(yùn)算后，大多也能推理出十位、百位等數(shù)位的運(yùn)算方法。在學(xué)習(xí)11、55的運(yùn)算時(shí)，有的學(xué)生就可以直接從1、5的運(yùn)算中推理出來(lái)；22、33也可以從2、3的運(yùn)算中推理出來(lái)在撥珠的操作中，學(xué)生能體會(huì)到運(yùn)算的規(guī)則，鍛煉邏輯推理能力。

邏輯推理是數(shù)學(xué)思維的重要組成部分。磁懸浮算盤(pán)作為一種新穎的教學(xué)工具，能夠?yàn)橹橇φ系K學(xué)生呈現(xiàn)多樣化的數(shù)學(xué)問(wèn)題，有助于培養(yǎng)他們形成初步的邏輯推理能力和創(chuàng)新思維。

（四）手腦協(xié)調(diào)訓(xùn)練：促進(jìn)發(fā)展，提升能力

在使用磁懸浮算盤(pán)的過(guò)程中，學(xué)生用手指精確地?fù)芘阒椋拖褡鍪种覆僖粯樱饶芑顒?dòng)手指關(guān)節(jié)，又能增強(qiáng)手指的力量和敏捷度。針對(duì)需要進(jìn)行手腦協(xié)調(diào)訓(xùn)練的學(xué)生，教師專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了算盤(pán)操作訓(xùn)練課。通過(guò)反復(fù)練習(xí)撥珠，學(xué)生能逐漸掌握一些基本的精細(xì)動(dòng)作技能，比如一些珠算的指法一一撥入、撥去、雙上、雙下、雙分、雙合等，這讓他們手指的“抓、捏、握”等動(dòng)作也得到了強(qiáng)化。

腦科學(xué)理論認(rèn)為，大腦具有高度的可塑性，不斷的訓(xùn)練和刺激能夠促進(jìn)大腦功能的恢復(fù)和發(fā)展[3]。磁懸浮算盤(pán)的操作需要精細(xì)的手指動(dòng)作和大腦的協(xié)調(diào)配合，有助于促進(jìn)智力障礙學(xué)生的手腦協(xié)調(diào)能力發(fā)展。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的針對(duì)性訓(xùn)練，學(xué)生的手部精細(xì)動(dòng)作能力和手眼協(xié)調(diào)能力都得到了一定提高，為他們的康復(fù)訓(xùn)練提供了有力支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊佳，王琳琳，付潔.中國(guó)視障教育珠心算教與學(xué)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[2]符曉友.磁懸浮算盤(pán)：CN201720713184.5[P]2017-12-26.

[3]王如文.大力推動(dòng)社區(qū)兒童早期教育[J].中國(guó)兒童保健雜志，2003（1）：37-38.

（見(jiàn)習(xí)編輯：孟慶錦；責(zé)任編輯：趙華麗）