哪只瓶子最不容易倒

叶晓林

教科版小学《科学》六年级上册“形状与结构”单元第6课《建高塔》，是以铁塔为什么稳定不倒为起点和归宿，通过用塑料瓶做实验和建造“高塔”等一系列的亲历探究、体会比较，帮助学生逐步建构科学概念：上小下大、上轻下重、空气阻力小的物体不容易倒。

有教师依据此教学内容，编制了一道试题：

如图1所示，取三只相同的瓶子，A瓶和C瓶中装入四分之一瓶自来水，B瓶中装入二分之一瓶自来水，放在同一张平整的桌面上，最稳定的是（ ）。

A. B. C.

为了检验试题质量，2013年11月，笔者将该试题编入一份简易的单元练习，对我区共3151名六年级学生进行了统一测试，结果351人选A，2784人选B，16人选C。同时，笔者又对任教该年级的四十余位教师进行访谈，教师也几乎清一色地认定选项B是标准答案。理由是C瓶下小上大，稳定性必然最差，B瓶比A瓶内的水要多，即下面更重，稳定性更好。只有一个曾经做过相关下水实验的教研组教师提出了异议，认为A瓶的稳定性最好。

为此，先不急于判断试题质量如何，而应该用实验的方法判定哪个答案更科学。

方法一：同一倾斜度下的稳定性对比。根据试题要求，取三只相同型号的饮料瓶，装入不等量的自来水，并将三只瓶子放在一块平整的木板上。慢慢倾斜木板（如图2），最先倒的当然是C瓶，其次是B瓶，A瓶的稳定性果真最好！

方法二：外力作用下的稳定性对比。将上述三只瓶子一字排开放在平整的桌面上，用一根木条靠向瓶子上部，并水平方向用力慢慢推（如图3），三只瓶子倒下的先后顺序与方法一完全相同。

B瓶下部的重力明显大于A瓶，为什么还是A瓶更稳定呢？这与教学中得出的科学概念是否矛盾？其实不然，前面得到的科学概念“上轻下重”的“重”，不单纯指向重力这个概念，其本质内涵应该是重力变化后引起物体重心高低的变化，而重心高低恰恰是决定物体稳定性的因素之一（另外因素如支持面的大小等）。力学中，重心是指物体各部分所受重力的合力的作用点。规则而密度均匀物体的重心就是它的几何中心。不规则物体的重心，可以用悬挂法、支撑法或针顶法来确定。物体的重心，不一定在物体上，比如说呼啦圈的重心就在其圆心上。同理，一个空饮料瓶，可视它为接近规则的圆柱体，重心应该在整个瓶中心的附近。瓶中加水后，整个瓶的重心就会明显下移。加四分之一瓶水，重心应该在这部分水的中心偏上处;加二分之一瓶水，重心应该在半瓶水的中心偏上处。也就是说，A瓶的重心要比B瓶低，稳定性也就更好。当然，也不能说瓶中水加得越少重心就越低，因为还需要考虑瓶本身的重力对重心位置的影响。究竟加多少水整个瓶子的重心会最低，要找到这个临界点需反复实验方能测得，此处不再赘述。

借鉴“重心”理论，我们可将原有试题再做两个变式分析。

第一个变式：保留A瓶和B瓶，将C瓶中的水倒空并正立放置，另外再加一个灌满水并正立放置的瓶子，即D瓶。先来分析比较一下四只瓶子的重心高低。C瓶是空瓶，重心在整个瓶的中心附近;D瓶放满水，重心也在整个瓶的中心附近。但一般情况下瓶子的下半部为近似圆柱体，上半部为近似圆锥，所以灌满水后的瓶子重心位置要比空瓶重心位置略低一些。这样，四个瓶还是A瓶重心最低，其次是B瓶，再次是D瓶，C瓶重心最高。采用本文中的两种实验方法测试四个瓶的稳定性，结果与前面的分析完全吻合：C瓶先倒，紧接着D瓶倒下，然后是B瓶、A瓶。

第二个变式：往A瓶、B瓶和C瓶中分别装入二分之一瓶的沙子、自来水、草木灰（很轻），放在平整的桌面上，最稳定的是哪一只？还是先来分析重心高低：A瓶中沙子的密度远大于塑料的密度，重心几乎就在半瓶沙的中心（略微偏上）;B瓶中水的密度自然要比沙子小得多，所以重心位置要比A瓶高一些;C瓶中草木灰的密度相对最小，重心位置就更高。再次用两种实验方法验证，结果亦如分析，C瓶、B瓶、A瓶依次倒下。

基于上述实验研究和理论分析，再反观原试题的测试结果，正确率仅约11.1%。说明试题难度明显偏大，效度不高，无法客观、准确地考查、测量学生的学习成效、学习能力及其发展潜能。诚然，具体到一线教师面对这个问题时，若还是按教材内容展开教学，应尽量避免出现原试题这样的并列选项，可以适当降低难度，将原试题中的选项一A瓶换成空瓶，或者直接将试题改编成变式二。若是能再进一步思考，从本课的学习任务、难易程度以及六年级学生的认知水平分析，我们可尝试对原教材进行二度开发：淡化甚至舍弃文本中“建造‘高塔”这个思维含量极低的探究活动，整堂课的学习核心就以几只瓶子为活动材料，设计几组类似文中所述那样的实验，分组探究，师生研讨，主要用“重心”理论来分析解决问题，逐步建构并内化物体稳定性的几个条件，即支持面大、重心低、风阻小等。如此，原试题无需更改，且正确率必将大大提高，对学生科学素养的提升也必将大有裨益！

（浙江省杭州市下城区教师教育学院 310005）