李佩寧

“宇宙是物質(zhì)的，物質(zhì)是運動的，運動是有規(guī)律的，規(guī)律是可以被人發(fā)現(xiàn)的?！边@一描述既是科學(xué)意義上的，更是哲學(xué)意義上的?，F(xiàn)實生活中的運動更加具體。常見的勻速運動、反復(fù)運動或是靜止，這些現(xiàn)象都發(fā)生在一定的平衡狀態(tài)下；而各種加速運動和減速運動，都發(fā)生在平衡被打破的情形下。大到天上的星辰，小到地上的沙塵，萬物都在“平衡—失去平衡—再平衡”的循環(huán)中更迭。

一、課程重點

對于人類來說，最熟悉的也是最容易打破平衡的一種力，就是地球上的重力。重力為人們帶來穩(wěn)定，也帶來困擾。物體在重力方向和反方向支撐力（或是拉力、吸引力、浮力）的作用下，時刻影響著我們的生活。今天的課程就要從重力和與之相反的平衡力之間說起。重力的平衡與我們身邊很多事物和各自歸屬的學(xué)科有關(guān)，如機械、工程、氣象、水文甚至軍事、藝術(shù)和傳統(tǒng)文化。這一次是以物理學(xué)的視角為出發(fā)點，對話題展開探究。

【涉及領(lǐng)域】物理、幾何、工程

【建議年級】小學(xué)高年級

【建議時間】125分鐘

二、課程任務(wù)

通過對重力和重心的學(xué)習(xí)，探討重心位置、支撐位置和物體達成平衡（不會傾覆、翻轉(zhuǎn)或掉落，不產(chǎn)生后續(xù)垂直方向的運動）幾者之間的關(guān)系，并讓學(xué)生自己動手調(diào)查和實驗來探索這樣的關(guān)系，以培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)生活中的平衡現(xiàn)象、解決實際平衡問題的能力。本課不以競爭性的表現(xiàn)性任務(wù)為主，而是以現(xiàn)象觀察為先導(dǎo)，通過“觀察—思考—總結(jié)—再觀察”的循環(huán)，讓學(xué)生在適當(dāng)引導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)各種平衡現(xiàn)象的規(guī)律，并進行歸納總結(jié)。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（25分鐘）

【第一步】介紹重心的概念，以及對稱物體（幾何對稱、密度均勻）重心特點。重心，是在重力場中，物體處于任何方位時所有各組成質(zhì)點的重力的合力都通過的那一點。對于形狀規(guī)則的對稱物體，如一個軸對稱物體，可以用一條直線（即對稱軸）來表明物體的對稱性，如果該物體的密度分布均勻，則對稱軸將通過物體的重心。如果能找到物體另一條通過重心的直線，這條直線與對稱軸的交點就是重心。例如，可以將物體懸掛起來（避開第一條對稱軸），掛點和地面的垂直線必然通過重心，找到這條垂直線與對稱軸的交點，就找到了重心。

【第二步】列舉利用重力平衡原理創(chuàng)作的工藝品，特別是憑視覺直觀看來并不平衡的物體，如斜木板制作的酒架以及只需接觸鳥嘴就可以停在手指上的平衡鳥（見圖1）等。然后向?qū)W生提問：這些物體是如何“擺脫”地球引力的？

【第三步】介紹平衡的規(guī)律和特點。通常條件下，物體的支撐點形成一個統(tǒng)一的支撐面（例如三腳架），有如下規(guī)律：當(dāng)物體的重心在豎直方向的投影落在物體的支撐面內(nèi)或支撐點上，物體將處于平衡狀態(tài)（只考慮垂直方向，暫不考慮水平方向的各種運動和受力）。

【第四步】展示更多圖片，如正在做瑜伽的人、表演平衡雜技的人、騎自行車的人等。請學(xué)生尋找圖片中的人或事物的重心大致在什么位置，并讓學(xué)生說一說為了保持這種平衡狀態(tài)，需要具備什么條件。

2.宣布探索性任務(wù)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】要求學(xué)生用所給的材料做探索“平衡”的活動，歸納規(guī)律，回答問題。該任務(wù)是前置性探索任務(wù)，不是表現(xiàn)性任務(wù)，因此不做評價量規(guī)，給各小組時間準(zhǔn)備。

【材料】圓形橡膠（塑料、海綿）片、三角形橡膠（塑料、海綿）片、兩個晾衣木夾。其中，橡膠（塑料、海綿）片要有幾毫米的厚度，以便學(xué)生可以嘗試用側(cè)面將這些材料立起來。

3.探索性任務(wù)的執(zhí)行（25分鐘）

請學(xué)生依次按照以下要求和提示完成任務(wù)，思考并回答相關(guān)問題。

【任務(wù)1】嘗試將扁平狀的橡膠（塑料、海綿）片放在一根手指（或支撐面、基底）上，并使之保持平衡。

（1）記錄重心位置，思考如何描述重心位置。

（2）感受物體的穩(wěn)定性，思考物體穩(wěn)定性的特征及如何描述。

【任務(wù)2】將任意邊作為支撐面或者基底來保持平衡。

（1）觀察重心，思考重心位置是否發(fā)生變化。

（2）感受物體的穩(wěn)定性，思考物體穩(wěn)定性的特征及如何描述。

【任務(wù)3】用晾衣夾卡在物體的下方位置來降低物體的重心，并且以“角”（例如將某個角的頂點卡在某個淺凹槽中）或“邊”（例如以側(cè)面立住物體）為支撐面來嘗試保持平衡。

（1）記錄重心位置。思考重心在哪里以及重心是否發(fā)生了變化。

（2）觀察物體的穩(wěn)定性。思考夾子如何影響物體的穩(wěn)定性。

4.發(fā)現(xiàn)與討論（15分鐘）

【問題1】假設(shè)一些物體可能隨機受到各個方向大小不同的力，觀察需要保持固定與平衡的例子（如圓凳、交通用錐形路障、一級方程式賽車），思考普遍意義上的物體保持穩(wěn)定性的因素有哪些？有什么特點？嘗試歸納。

（1）支撐面——支撐面越大的物體越穩(wěn)定。例如金字塔。

（2）重心位置——重心越低的物體越穩(wěn)定。例如雙層巴士。

【問題2】以起重機為例，討論重心與支撐面的相對位置對平衡的影響。

（1）重心位置怎樣影響起重機？

（2）分析圖2中哪個起重機的穩(wěn)定性、平衡性更好？哪個起重機相對不穩(wěn)定？

【問題3】深入探討、分析和模擬平衡鳥模型。為什么平衡鳥能“叼住”手指保持平衡？理解“平衡點”的概念，即物體在這一點上（或這一位置上）能夠保持平衡。猜想平衡鳥的重心（在嘴尖之上還是之下）。

【模擬任務(wù)】請學(xué)生用積木和木夾子模擬一個類似模型（見圖3）。學(xué)生從制作與討論中應(yīng)至少知道以下信息。

（1）重心高的物體不穩(wěn)定并且會翻倒。

（2）為了增加穩(wěn)定性，重心要盡可能降低。

（3）如果重心足夠低，甚至重心低于支撐面，那么支撐面可以很?。ㄈ缙胶怿B的例子）。

5.宣布表現(xiàn)性任務(wù)與評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】使用工程設(shè)計的方式解決任務(wù)：使鉛筆以尖端保持平衡。呈現(xiàn)評價量規(guī)（見表1）。請學(xué)生參照以下步驟完成設(shè)計。

（1）仔細審題，關(guān)注所給材料；

（2）想一個可行的方法，并與搭檔討論；

（3）設(shè)計方案并畫出想法，要求既實用，也能表現(xiàn)一定的藝術(shù)性；

（4）實現(xiàn)你們的設(shè)計；

（5）做實驗并測試這個設(shè)計；

（6）思考改進方案或方法。

注意：可通過重復(fù)以上第4—6步改進模型。

【材料】削尖的鉛筆、直尺、卷尺、鐵絲、鉤碼

6.表現(xiàn)性任務(wù)的執(zhí)行（25分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。要求學(xué)生依照評價量規(guī)，在制作時考慮以下問題。

（1）重心大概在哪里？

（2）支撐面或支撐點在哪里？

（3）怎樣使鉛筆的重心下移？

（4）怎樣利用鐵絲？

（5）配重的位置如何影響鉛筆的平衡？

7.總結(jié)與反思（15分鐘）

通過以下問題引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)與反思。

（1）你們小組所考慮的平衡是多角度、多方向的嗎？請說明。

（2）你們怎樣理解設(shè)計的藝術(shù)性？

以下問題為拓展思考。

（3）你的作品能動起來嗎？運動是否會增加作品的藝術(shù)性？

（4）觀賞亞歷山大·考爾德（Alexander Calder）的動態(tài)雕塑或固定雕塑作品。重心的位置大概在哪里？你有什么感受？受到什么啟發(fā)？

（5）談?wù)勚匦?、平衡在體育運動中的重要性（例如體操、棒球、籃球、足球）。

（6）查一查什么是戰(zhàn)斗機的“眼鏡蛇機動”。你覺得這種動作難在哪里？然后，談?wù)勚亓康姆植技氨３制胶馊绾斡绊戯w機安全飛行。

【課后拓展作業(yè)】用一支舊鉛筆、鐵絲和小鈴鐺，做一個只用筆尖就能站住的風(fēng)鈴。

（責(zé)任編輯 郭向和）