物体稳定性检测器的研发及应用

〔摘    要〕  本文物体稳定性实验主要含上小下大、上轻下重建筑原理，现有教材仅仅停留于体验基础上的经验习得，不足以成为科学论证的依据。随着教学实践的深入，分别研制距离拨动和角度倾斜两个版本的自制教具。不同的侧重，不同的研制理念，不同的效果。其间伴随着对《建高塔》教学的深入研究，尤其是对教具研发的一种有效推进，点点滴滴充满着探索的滋味。笔者本着总结、反思和提炼原则，对研制的关键节点进行阐述，以豐富教具研制的策略生成。

〔关键词〕  小学科学；自制教具；二次研发

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  20-0007-03

高塔建筑在建筑学中具有举足轻重的作用，是在人们日常生活中普遍存在的含有特殊意义的象征性建筑。高塔建筑水平既体现了中国古人的建筑水平，更是现代社会璀璨的建筑明珠。

2001年教科版小学科学六年级上册“形状与结构”单元《建高塔》一课，是在桥面宽度、厚度、形状、拱形等教学活动后展开的教学，因为塔身的基本部件都需要在这些基本原理的基础上才能实现，为此，教材设计遵循递进式原则。教材通过探究活动和思维抽象，把单元教学目标进行合理布局，学生自然会通过做中学，不断推进学习进程。

《建高塔》通过对塔身结构的观察，以及塑料瓶、水和沙子的模拟实验来验证建高塔的基本原理，是学生喜闻乐见的教学内容。但是就教材安排的实验材料本身以及验证实验的有效性而言，还是有待商榷的，更有待于改进。在此基础上，笔者进行了《建高塔》实验材料的两次开发，先后完成“数字化物体稳定性检测器”“多功能物体稳定性检测器”两款自制教具的研制，收到良好的教学效果。

自制教具活动是一个不断创新改进的过程，也是不断反思和积淀的过程。本着总结、梳理、反思和提炼原则，笔者对两次教具研发的过程进行了整理，以期实现从实践到经验再到理论的提炼过程。

一、一次研发

教具研发没有最好，只有更好，研制过程总是在不断完善中推进和更新。“数字化物体稳定性检测器”的研制可以完成教材设计要求，但需要再次更新。该作品自2009年开始研制，历经三年的设计与制作，最终在教材设计基础上实现数字化呈现，给科学实证带来有力证据。

（一）教材分析

物体稳定性检测活动，教材设计以塑料瓶、水和沙子作为实验材料。根据稳定性好、不易倒塌原理，也就是用手指拨动塑料瓶的距离长短来鉴定物体的稳定性效果。总体来说，实验准备较为简单，操作也较为便捷，效果亦不错，对小学生理解物体稳定性原理来说还是比较到位的。

（二）问题剖析

作为科学实证，体验的感觉可以作为佐证，但是不足以成为科学证据。科学实证是基于对实验现象的分析，尤其是数据的呈现与分析，在科学实证中具有不可替代的作用。教材的实验设计仅局限于实验的感觉体验，因此如何实现数字化实证就成为实验改进的重要方向。

（三）改进设计

改进的整体思路（如右图）是如何将模拟手拨物体过程中的距离转化成数字化距离呈现的？

手动操作还有一个问题是稳定性不强，会对实验产生无关干扰，为此，有必要设计和制作一个操作支架。

用不锈钢拨动片来模拟手的拨动，不锈钢拨动片内侧固定到支架滑道上，不锈钢拨动片内左侧再连接一个指针推动杆，与支架左端的刻度盘指针实现左右平滑移动效果。为了提高不锈钢拨动片的推动稳定性，将螺杆螺帽固定在滑道右侧，螺帽内套入一根螺杆，螺杆左端与不锈钢拨动片内侧活动铰接，螺杆右侧安装轮轴摇手柄。

由于支架和不锈钢拨动片高度是固定的，分别设计大小模块和轻重模块，两类模块的底面都为正方形，高度都是底面边长的3倍。大小模块上底面设为横向宽分别为0厘米、2厘米、4厘米和6厘米四种。轻重模块设有三段式结构，一种两用模块的重心在上段为上重下轻，上段重心朝下就为上轻下重，另有一块重心在中间段。

为防止模块在拨动当中底面产生位移，又设计制作了不锈钢稳定片，紧贴放置在模块位移方向下端。

（四）教学检验

该教具在2012年研制成功后的几年，每当六年级教学时，笔者都会拿出来和学生一起分享研制成果。教学中往往采用教材方案与自制教具相结合的方案，在教材实验基础上，让学生参与讨论，讨论教材方案的优缺点。然后引出“数字化物体稳定性检测器”的教学演示，将各模块的测试数据进行呈现，学生很快发现了物体稳定性原理。在分析中再渗透重心原理进行探讨，学生理性思维得到拓展。这样一来，学生的体验充分了，思考也有了推进，教学效果锦上添花。

二、二次研发

随着教学的推进和对实验设计的进一步思考，在现有材料方案的充分实践中，经过权衡、思考和质疑，又慢慢地发现教材设计和一次研发教具的一些问题，于是教具的二次研发就此开始。

（一）教材再分析

在《建高塔》教材设计中，针对性的实验材料就是塑料瓶，在拨动瓶底朝下和瓶口朝下，以及瓶底朝下装不同量的水或沙子的实验中，横向位移的距离都较短，距离感还是较容易找到的。这对小学生领会物体稳定性原理有一定的启发效果，但是因缺乏数据支撑，不能作为解释的有效证据。另外，距离在检测活动中是否可靠，是否需要倾倒角度的引进，是需要质疑的。

（二）问题再剖析

在对“数字化物体稳定性检测器”研发后的《建高塔》多年教学中，笔者又发现了新的问题。首先，不锈钢拨动片在拨动时，测试模块只能在有限偏转距离下倒下。这样的测试只能局限于现有大小实验模块和轻重模块，塑料瓶以及其他物体就失去了测试的机会。这样一来，“数字化物体稳定性检测器”的通用性就会遭到质疑。

那么，怎样的测试才能实现科学性和通用性呢？显然，不锈钢拨动片的位移方案要换成更加科学的方案。受市面上物体稳定性检测器启发，笔者发现物体的倾倒角度是最有效的，也是最科学的，于是教具就有了新的思考方向。

（三）改进再设计

改进的第一要务是物体倾倒角度的呈现，笔者首先想到用一块角度倾斜板来测试物体的稳定性，再利用量角器来测量角度倾斜板在抬升过程中的倾倒角度。但是这样一来，量角器如何固定，还有角度倾斜板如何固定等问题都涌现出来了。

针对市面上的物体稳定性检测器个体都较大，给实验材料的存储问题和小组实验的便利性等方面都带来困难。为此，小型化、可拆解的物体稳定性检测器就成为研制的方向。

经过反复设计推敲，新一代“多功能物体稳定性检测器”小型化、多功能、便捷化的效果呈现出来。

采用可拆卸角度倾斜板设计，大小为边长13cm的薄有机玻璃，与之对应的是角度抬升装置。角度抬升装置采用两块L形不锈钢钢材，两块钢材左端用弹簧螺丝活动固定，螺丝固定的两块钢材中间一侧用弹簧片固定一个可拆卸量角器。这样一来，用好以后就可以拆解成量角器、角度倾斜板和角度抬升装置，实现小型化、便捷化、多功能、简约化等效果。有了它，只要在角度倾斜板上放得下的物体都可以进行检测。检测时，当角度抬升到物体倒塌时即停止抬升，就可以直接读取量角器上的倾倒度数。

（四）教学再检验

教具的研发最终是要靠教学实践来检验的，教学实践检验既可以测试教具的实际功效，还可以对教具的改进提供参考依据。

在《建高塔》一课教学中，学生在教材实验活动中一起探讨体感经验作为科学实证的不足性问题，接着引出“数字化物体稳定性检测器”的检测活动。实验数据得出以后，师生一起分析实验数据、分析重心原理，并得出实验结论。当学生提出能否测试塑料水瓶时，发现“数字化物体稳定性检测器”不能胜任，于是教师引出“多功能物体稳定性检测器”，并对满瓶水、半瓶水和浅瓶水分别进行测试，学生很快发现三瓶水的倾倒度数。作为拓展，教师又提出满瓶水和空瓶子谁的稳定性好的问题，很多学生会说是满瓶水。接下来同样进行检测，检测结果是满瓶水和空瓶子的倾倒度数几乎一样。在学生的质疑中，又引出满瓶水和空瓶子的重心在同一個位置的事实，于是满瓶水和空瓶子稳定性相似的疑惑就解开了。

从总体教学检验来看，实验效果在推进，教学进程在内化，材料价值在凸显，学生的思路打开了。

三、结语

将“多功能物体稳定性检测器”的二次研发作为研究话题，因为经历了两次研发的推进过程，所以既是一种教学研究的推进，也是教具研发的有效更新。实验教学、教具研发之间建立起一种密切的协同，这也是教具研发的有效途径。教具研发没有尽头，只有更好，自制教具活动也将继续推进，不断完善。

参考文献

[1]喻伯军.义务教育课程标准（2022年版）课例式解读科学[M].北京：教育科学出版社，2022.

[2]金亚军.多功能物体稳定性检测器[J].科学课，2016（2）：124-125.