STEM課程重心與平衡

STEM課程重心與平衡“宇宙是物質(zhì)的，物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，規(guī)律是可以被人發(fā)現(xiàn)的。”這一描述既是科學(xué)意義上的，更是哲學(xué)意義上的?，F(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)動(dòng)更加具體。常見的勻速運(yùn)動(dòng)、反復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)對(duì)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(shí)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。探索物質(zhì)克服重力、保持平衡的方法。【涉及領(lǐng)域】科學(xué)、幾何、工程、技術(shù)【建議年級(jí)】小學(xué)高年級(jí)【建議時(shí)間】125分鐘二、課程任務(wù)通過對(duì)重力和重心的學(xué)習(xí)，探討重心位置、支撐位置和物體達(dá)成平衡（不會(huì)傾覆、翻轉(zhuǎn)或掉落，不產(chǎn)生后續(xù)垂直方向的運(yùn)動(dòng)，但是不考慮水平方向運(yùn)動(dòng)）幾者之間的關(guān)系，并讓學(xué)生自己動(dòng)手調(diào)查和實(shí)驗(yàn)來探索這樣的關(guān)系，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)生活中的平衡現(xiàn)象、解決實(shí)際平衡問題的能力。本課不以競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)行歸納總結(jié)。三、執(zhí)行任務(wù)（一）導(dǎo)入（25分鐘）1.介紹重心的概念，以及對(duì)稱物體（幾何對(duì)稱、密度均勻）重心特點(diǎn)。（1）重心，重心就是指一個(gè)物體的重量表現(xiàn)所在的平均位置。重心也就是在重力場(chǎng)中，物體處于任何方位時(shí)將其看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而重力的合力都通過的那一點(diǎn)。（2）對(duì)于形狀規(guī)則的對(duì)稱物體，如一個(gè)軸對(duì)稱物體，懸掛起來，可以用一條垂直線（即對(duì)稱軸）來表明物體的對(duì)稱性，如果該物體的密度分布均勻，則對(duì)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(duì)稱軸的交點(diǎn)就是重心。例如，可以將物體懸掛起來（避開第一條對(duì)稱軸），掛點(diǎn)和地面的垂直線必然通過重心，找到這條垂直線與對(duì)稱軸的交點(diǎn)，就找到了重心。2.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等。然后向?qū)W生提問：這些物體是如何“擺脫”地球引力而保持平衡的？3.介紹平衡的規(guī)律和特點(diǎn)。通常條件下，物體的支撐點(diǎn)形成一個(gè)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)和受力）。4.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(qǐng)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。（二）探索性任務(wù)（第一個(gè)任務(wù)是探索性制的，不作評(píng)價(jià)量規(guī)。）1.探索性任務(wù)的嘗試（10分鐘）（1）宣布任務(wù)：要求學(xué)生用所給的材料做探索“平衡”的活動(dòng)，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(píng)價(jià)量規(guī)，給各小組時(shí)間準(zhǔn)備。（2）材料：圓形橡膠（塑料、海綿）片、三角形橡膠（塑料、海綿）片、兩個(gè)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。2.探索性任務(wù)的執(zhí)行（25分鐘）請(qǐng)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(gè)角的頂點(diǎn)卡在某個(gè)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。3.探索性人物的發(fā)現(xiàn)與討論（15分鐘）問題1：假設(shè)一些物體可能隨機(jī)受到各個(gè)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(jí)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(diǎn)？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(jī)為例，討論重心與支撐面的相對(duì)位置對(duì)平衡的影響。（1）重心位置怎樣影響起重機(jī)？（2）分析圖2中哪個(gè)起重機(jī)的穩(wěn)定性、平衡性更好？哪個(gè)起重機(jī)相對(duì)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(diǎn)”的概念，即物體在這一點(diǎn)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：請(qǐng)學(xué)生用積木和木夾子模擬一個(gè)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(huì)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）。（三）表現(xiàn)性任務(wù)的執(zhí)行1.任務(wù)與評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）宣布任務(wù)：使用工程設(shè)計(jì)的方式解決任務(wù)：使鉛筆以尖端保持平衡。呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見表）。2.設(shè)計(jì)：請(qǐng)學(xué)生參照以下步驟完成設(shè)計(jì)。（1）仔細(xì)審題，關(guān)注所給材料；（2）想一個(gè)可行的方法，并與搭檔討論；（3）設(shè)計(jì)方案并畫出想法，要求既實(shí)用，也能表現(xiàn)一定的藝術(shù)性；（4）實(shí)現(xiàn)你們的設(shè)計(jì)；（5）做實(shí)驗(yàn)并測(cè)試這個(gè)設(shè)計(jì)；（6）思考改進(jìn)方案或方法。注意：可通過重復(fù)以上第4―6步改進(jìn)模型。3.材料：削尖的鉛筆、直尺、卷尺、鐵絲、鉤碼4.制作：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(píng)價(jià)量規(guī)，在制作時(shí)考慮以下問題。（1）重心大概在哪里？（2）支撐面或支撐點(diǎn)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？（四）總結(jié)與反思（15分鐘）1.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(qǐng)說明。（2）你們?cè)鯓永斫庠O(shè)計(jì)的藝術(shù)性？2.以下問題為拓展思考。（3）你的作品能動(dòng)起來嗎？運(yùn)動(dòng)是否會(huì)增加作品的藝術(shù)性？（4）觀賞亞歷山大?考爾德（AlexanderCalder）的動(dòng)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