方寸之间稳如泰山

1、方寸之间 稳如泰山“宇宙是物质的，物质是运动的，运动是有规律的， 规律是可以被人发现的。 ”这一描述既是科学意义上的，更 是哲学意义上的。现实生活中的运动更加具体。常见的匀速 运动、反复运动或是静止，这些现象都发生在一定的平衡状 态下；而各种加速运动和减速运动，都发生在平衡被打破的 情形下。大到天上的星辰，小到地上的沙尘，万物都在“平 衡失去平衡再平衡”的循环中更迭。一、课程重点对于人类来说，最熟悉的也是最容易打破平衡的一种力， 就是地球上的重力。重力为人们带来稳定，也带来困扰。物 体在重力方向和反方向支撑力（或是拉力、吸引力、浮力） 的作用下，时刻影响着我们的生活。今天的课程就要从重力 和与

2、之相反的平衡力之间说起。重力的平衡与我们身边很多 事物和各自归属的学科有关，如机械、工程、气象、水文甚 至军事、艺术和传统文化。这一次是以物理学的视角为出发 点，对话题展开探究。【涉及领域】物理、几何、工程【建议年级】小学高年级【建议时间】 125 分钟二、课程任务 通过对重力和重心的学习，探讨重心位置、支撑位置和 物体达成平衡（不会倾覆、翻转或掉落，不产生后续垂直方 向的运动）几者之间的关系，并让学生自己动手调查和实验 来探索这样的关系，以培养学生运用所学知识发现生活中的 平衡现象、解决实际平衡问题的能力。本课不以竞争性的表 现性任务为主，而是以现象观察为先导， 通过“ ?A察一思考一 总结

3、一再观察”的循环，让学生在适当引导下发现各种平衡 现象的规律，并进行归纳总结。三、课程步骤1.导入（ 25 分钟）【第一步】 介绍重心的概念， 以及对称物体 （几何对称、 密度均匀）重心特点。重心，是在重力场中，物体处于任何 方位时所有各组成质点的重力的合力都通过的那一点。对于 形状规则的对称物体，如一个轴对称物体，可以用一条直线 （即对称轴）来表明物体的对称性，如果该物体的密度分布 均匀，则对称轴将通过物体的重心。如果能找到物体另一条 通过重心的直线， 这条直线与对称轴的交点就是重心。 例如， 可以将物体悬挂起来（避开第一条对称轴） ，挂点和地面的 垂直线必然通过重心，找到这条垂直线与对称轴

4、的交点，就 找到了重心。第二步】列举利用重力平衡原理创作的工艺品，特别 是凭视觉直观看来并不平衡的物体，如斜木板制作的酒架以及只需接触鸟嘴就可以停在手指上的平衡鸟（见图1）等。然后向学生提问：这些物体是如何“摆脱”地球引力的？【第三步】介绍平衡的规律和特点。通常条件下，物体 的支撑点形成一个统一的支撑面（例如三脚架） ，有如下规 律：当物体的重心在竖直方向的投影落在物体的支撑面内或 支撑点上，物体将处于平衡状态（只考虑垂直方向，暂不考 虑水平方向的各种运动和受力） 。【第四步】展示更多图片，如正在做瑜伽的人、表演平 衡杂技的人、骑自行车的人等。请学生寻找图片中的人或事 物的重心大致在什么位置，

5、并让学生说一说为了保持这种平 衡状态，需要具备什么条件。2. 宣布探索性任务（ 10 分钟）【宣布任务】要求学生用所给的材料做探索“平衡”的 活动，归纳规律，回答问题。该任务是前置性探索任务，不 是表现性任务，因此不做评价量规，给各小组时间准备。【材料】圆形橡胶（塑料、海绵）片、三角形橡胶（塑 料、海绵）片、两个晾衣木夹。其中，橡胶（塑料、海绵） 片要有几毫米的厚度，以便学生可以尝试用侧面将这些材料 立起来。3. 探索性任务的执行（ 25 分钟） 请学生依次按照以下要求和提示完成任务，思考并回答相关问题。【任务 1】尝试将扁平状的橡胶（塑料、海绵）片放在 一根手指（或支撑面、基底）上，并使之保

6、持平衡。（ 1）记录重心位置，思考如何描述重心位置。（ 2）感受物体的稳定性，思考物体稳定性的特征及如 何描述。【任务 2】将任意边作为支撑面或者基底来保持平衡。（ 1）观察重心，思考重心位置是否发生变化。（ 2）感受物体的稳定性，思考物体稳定性的特征及如 何描述。【任务 3】用晾衣夹卡在物体的下方位置来降低物体的 重心，并且以“角” （例如将某个角的顶点卡在某个浅凹槽 中）或“边” （例如以侧面立住物体）为支撑面来尝试保持 平衡。（ 1）记录重心位置。思考重心在哪里以及重心是否发 生了变化。（ 2）观察物体的稳定性。思考夹子如何影响物体的稳 定性。4. 发现与讨论（ 15 分钟）【问题 1】

7、假设一些物体可能随机受到各个方向大小不 同的力，观察需要保持固定与平衡的例子（如圆凳、交通用 锥形路障、一级方程式赛车） ，思考普遍意义上的物体保持 稳定性的因素有哪些？有什么特点？尝试归纳。(1) 支撑面一一支撑面越大的物体越稳定。例如金字 塔。(2) 重心位置重心越低的物体越稳定。例如双层 巴士。【问题 2】以起重机为例，讨论重心与支撑面的相对位 置对平衡的影响。( 1 )重心位置怎样影响起重机？( 2)分析图 2 中哪个起重机的稳定性、平衡性更好？ 哪个起重机相对不稳定？【问题 3】深入探讨、分析和模拟平衡鸟模型。为什么 平衡鸟能“叼住”手指保持平衡？理解“平衡点”的概念， 即物体在这一

8、点上(或这一位置上)能够保持平衡。猜想平 衡鸟的重心(在嘴尖之上还是之下) 。【模拟任务】请学生用积木和木夹子模拟一个类似模型 (见图 3 )。学生从制作与讨论中应至少知道以下信息。( 1)重心高的物体不稳定并且会翻倒。( 2)为了增加稳定性，重心要尽可能降低。( 3)如果重心足够低，甚至重心低于支撑面，那么支 撑面可以很小(如平衡鸟的例子) 。5. 宣布表现性任务与评价量规( 10 分钟)【宣布任务】使用工程设计的方式解决任务：使铅笔以尖端保持平衡。呈现评价量规（见表 1）。请学生参照以下步 骤完成设计。（ 1）仔细审题，关注所给材料；（ 2）想一个可行的方法，并与搭档讨论；（ 3）设计方案

9、并画出想法，要求既实用，也能表现一 定的艺术性；（ 4）实现你们的设计；（ 5）做实验并测试这个设计；（ 6）思考改进方案或方法。注意：可通过重复以上第 46步改进模型。【材料】削尖的铅笔、直尺、卷尺、铁丝、钩码6. 表现性任务的执行（ 25 分钟） 正式执行制作任务。要求学生依照评价量规，在制作时 考虑以下问题。（ 1）重心大概在哪里？（ 2）支撑面或支撑点在哪里？（ 3）怎样使铅笔的重心下移？（ 4）怎样利用铁丝？（ 5）配重的位置如何影响铅笔的平衡？7. 总结与反思（ 15 分钟） 通过以下问题引导学生总结与反思。1）你们小组所考虑的平衡是多角度、多方向的吗？ 请说明。（ 2）你们怎样理解设计的艺术性？ 以下问题为拓展思考。（ 3）你的作品能动起来吗？运动是否会增加作品的艺 术性？（ 4）观赏亚历山大 ?考尔德（ Alexander Calder ）的动态 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？受到什么启发？（