让企鹅玩具走起来——应用玩具的探究活动案例分析，本文主要内容关键词为：玩具论文,企鹅论文,案例分析论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
玩具是人们（尤其是儿童、青少年）的伙伴，玩具同时又是很好的科学教育资源，它能为学生提供科学探究的学习环境，激发学习的兴趣，培养学生应用科学知识解决简单问题的能力和创新意识。例如有一种企鹅玩具，它没有贮存电能或弹性势能的能源装置，但能在斜面上前后摇摆着滴答滴答地走下去（如图1），很具有启发性。
这种玩具为什么能产生如此奇妙的动作，它又是怎样构思出来的？让学生进行探究，无疑是很有益处的。
一、玩具的构思和原理
1、如果不让企鹅的后腿绕轴转动， 设它的整体看成是一个半圆柱的模型，置于水平面上，其重心在圆心下方。如用手向下按模型前方，则重力作用线偏离通过支持点的竖直线，放手后，重力矩使半圆柱模型顺时针滚动（如图2a）。当模型经过平衡位置时，重力矩为零，依靠其惯性继续滚动（如图2b），以后，由于重力矩的方向相反，模型减速滚动，至角速度为零后再向逆时针方向滚动（如图2c）。如此形成了不断摆动的过程。由于受到滚动摩擦力矩的作用，半圆柱模型摆动的幅度越来越小，直至停止。
2、如何使模型的摆动不停止？必须补充损失的动能。 最简单的思考是将模型置于斜面上摆动，并设法使其整体高度降低，从其减小的重力势能中提取部分转化为圆柱模型的动能。但实验后发现，如果斜面倾角较小，模型很快停摆；如果倾角较大，模型下滑，或者翻倒。如何使模型在斜面上不断摆动下行，而且动作能吸引人？
3、我们可以联想到滑雪运动员从雪山坡滑下的情景， 他们应用撬棒着地使身体腾空而获得加速。如果能在模型上加“腿”，使模型主体瞬间腾空，也许问题就能解决。用什么形状的“腿”和加在哪里，也只有通过实验才能实现构想。
图3是一种方案。
在模型上的适当位置打一轴孔，装上可以绕轴孔转动的棒。当模型摆动到如图3（a）所示位置时，棒的下端接触斜面。继续逆时针摆动，模型主体腾空，向斜下抛出，获得加速[图（3b）]。随之再次落于斜面上，在主体顺时针转动过程中，棒绕轴后摆再向前摆[图（3c）]。当模型主体逆时针方向回摆到图3（a）时，过程继续重复。这样模型就出现了阶跃式的不停下坡的运动。在这个模型设计的基础上，进行某些艺术加工和技术调整，就可以制成一个如图4所示的企鹅玩具模型。
也可以把“腿”装在后部，如图1所示，在模型摆动过程中， 主体的支撑脚与可绕轴转动的后脚与斜面交替接触而使企鹅摇摆着走下斜面。
二、应用企鹅玩具进行探究性活动的建议
将企鹅玩具应用于学生的探究活动中可以有不同的方式和层次，应由教学的目标和学生的具体情况而定。组织形式最好是2—4人一组，自愿选题和组织。大体程序是：创设情景，提出课题；思考，讨论；制作，尝试，调整，改进；理论分析，撰写报告；汇报，质疑与答疑。
按目标层次考虑，探究活动可以有如下方式：
1、观察，提出问题，解释，模仿制作
教师演示或学生实验，观察现成的企鹅玩具在斜面上下坡的运动情况，由教师提出问题或由学生提出问题，如：我们看到哪些现象？为什么企鹅会摇摇摆摆地走下斜面？如何从力和运动的角度来解释观察到的现象？如何从能量的角度来解释？在这些现象中涉及到哪些物理知识？在学生讨论的过程中教师给予启发和指导，最后总结玩具的原理和思路，并评价学生在过程中的优点和进步。
2、观察，提出课题，讨论设计，制作调整，解释
教师展示半圆柱模型，并提出通过改造这种模型设计企鹅玩具的课题，要求这种玩具能在斜面上摇摆着下坡。在学生讨论过程中，教师可根据具体情况提出一些启发性的问题，如：为什么半圆柱模型能够摆动并最终停下来？如何使它维持摆动？加“腿”的想法是否可以考虑？在制作和调整过程中，启发学生用硬卡片纸按设计图形裁剪，测量出各部分重心的位置，组装后再模拟下坡过程观察重心位置的变化，从理论上分析自己的设计是否合理，并解决一些技术性的问题。
3、部分设计和制作
教师向学生展示一种可以摆动下坡的模型，并分析其析理，然后请学生完成企鹅玩具的设计和制作工作。
教师应根据学生的水平提出不同的要求和采用不同的方式，总体来说，应激发学生的兴趣和创新意识，注意培养学生技术设计和手脑并用解决实际问题的能力，这正是素质教育的要求。