不倒翁为何不倒——源于通用技术学科的思考

高远，周 宏

(西北大学附属中学，710075)

摘要：不倒翁为何不倒？难道只是因为重心低吗？通过引领学生对不倒翁原理的探讨，以及设计与制作，帮助学生深入地认识了不倒翁不倒的原因。在此基础上，反思通用技术课程实施遇到的一些问题，希望通过实践展现出通用技术学科所蕴含的学科价值。

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关键词 ：通用技术 不倒翁 原理探究 技术素养

不倒翁是家喻户晓人人皆知的玩具。由于它好玩，能够吸引学生的眼球，所以在通用技术课堂教学中也不失为一个良好的载体。然而，从我们对学生的提问来看，他们对不倒翁到底为何不倒认识得很肤浅，大部分学生认为是重心低。问题真的这么简单吗？下面我就以两种不倒翁为例分析其不倒的原因。

一、不倒翁不倒的原理探析

让我们先分析鸡蛋壳不倒翁（如图1），然后再分析竹签不倒翁（如图2）。

鸡蛋壳不倒翁原理：将鸡蛋壳不倒翁倾斜后，它的重心升高，这样它的重力与着地点之间就产生了一个重力力矩。由于重力力矩的作用，使不倒翁摆动，摆动的结果是：不倒翁的重心降低。当重心降到最低点时，重力力矩为零。由于惯性，不倒翁继续摆动，但此时重力力矩又阻碍它摆动，往复运动多次后最终停下来。在物理学中，鸡蛋壳不倒翁是稳定平衡。如图2(a)所示重力的力矩M= FL为零（因为重力力臂为零），此时不倒翁处于平衡状态。如图2(b)所示重力的力矩不为零，使不倒翁绕支点顺时针转动。如图2(c)所示重力的力矩不为零，使不倒翁绕支点逆时针转动。

竹签不倒翁原理：如图3所示，当竹签不倒翁倾斜时，同样是重心升高，产生的重力力矩，迫使它回到平衡位置，与鸡蛋壳不倒翁原理相似，它仍然是稳定平衡。如图4(a)所示重力的力矩为零M=0（因为重力作用线通过支点使重力力臂为零），不倒翁处于平衡状态。如图4(b)所示重力的力矩不为零，使不倒翁绕支点顺时针转动。如图4(c)所示重力的力矩不为零，使不倒翁绕支点逆时针转动。

综上所述，不倒翁不倒的原因是：当不倒翁倾斜时，它的重心升高，使之产生一个回到平衡位置的重力力矩，重力力矩使之摆动。在平衡位置时，重力力矩为零。因此确切地说，不倒翁不倒的原因是，不倒翁是一个稳定平衡的物体，即不倒翁倾斜时总能在重力力矩的作用下回到平衡位置。

二、由不倒翁不倒引发的思考

在教学中，我先让学生制作一个鸡蛋壳不倒翁，并说明不倒翁不倒的原理。大部分学生给出的答案是：不倒翁的重心低，所以不倒。教师在认同学生的观点后，可以再给学生展示另一种不倒翁——竹签不倒翁。让学生体验制作过程后，教师提出问题：竹签不倒翁为什么不倒？是因为重心低吗？这两种不倒翁原理一样吗？

学生经过制作与讨论，得出它们的区别：鸡蛋壳不倒翁重心始终在支点的上方，当不倒翁倾斜时，支点发生改变，重力产生一个转动力矩，使之回到平衡位置。而竹签不倒翁重心始终在支点的下方，当不倒翁倾斜时，支点不发生改变，但重力也产生一个转动力矩，使之回到平衡位置。无论哪一种不倒翁，它们都是稳定平衡状态的物体（如图5）。

两者看似一样，但其实又不完全一样。它们既有共性又有不同。学生通过实际制作，独立思考，才能理解不倒翁不倒的原理。这个过程能够让学生进一步去理解科学与技术，而并不是仅让学生知道一个大概的结论——重心低。

（一）技术探究的过程比结果更重要

当然，学生的探究体验，可能会得出不同的结果。但彼此冲突的结果，恰好是生成型的学科资源，在对彼此不同的分析论证中，使学生平时习得的学科思维方式得到具体的运用。从学习的角度来说，我们认为过程比结果更重要。也就是说，提出问题、解决问题远比知道问题、理解问题更为重要。就一定程度而言，认识世界的目的在于改造世界，并且人们关于世界的认识也是随着改造世界的实践而不断深化的。在探究不倒翁为什么不倒的过程中主要是科学活动，而怎样研究不倒翁原理和怎样制作不倒翁的过程则主要是技术活动。

（二）技术是与科学同等重要的领域

目前，国内的基础教育呈现出重科学结论，轻技术方法的现象。家长和教师都愿意把结论直接告诉学生，而不是让学生通过探究得出结论。因为那样花费的时间比较多，况且探究的结果也不一定正确，所以有人会认为这样做会耽误时间。然而，人类认识世界的真实过程，从来就不是一帆风顺的。它是一个充满错误并逐步筛选接近真理的过程。一个正确的科学结论都是经过很多科学家不断努力，经历几十年，甚至几百年得出的。正像牛顿所说的：“我只是站在了巨人的肩膀上。”这个巨人是由伽利略、笛卡尔、胡克、哥白尼、开普勒等许许多多科学家构成的。他们对世界的认识也不是百分之百的正确。而今天，教育的目的都落在了考试上，研究问题的答案是唯一的——标准答案。这样的教育培养的学生只知其然而不知其所以然。在面对陌生环境时，学生无法灵活运用现有的知识解决现实问题。因此面向未来，我们应该教给学生科学的思想以及科学探究中的技术。

（三）重视技术教育，培养创新人才

目前，新课程中的通用技术课程实施已有9年，但各省重视程度大不一样。表面上，有些省设立了学业水平考试（形式上重视），有些省设为高考科目（报三本院校的考生考通用技术，一、二本不考），这些省是真的重视技术吗？难道上一、二本院校的学生就不需要学习技术吗？根本问题是很多人还没有认识到：对一个真实的社会生活来说，技术问题无处不在。科学认识世界，技术创造生活。在知识既定的前提下，有怎样的技术就会有怎样的生活。目前，不少人还没有把科学和技术区分开来，认为学了科学就等于学了技术。殊不知科学与技术是相关但不相同的两件事。通过几年的教学实践，我们深刻地认识到：只有重视了技术教育，掌握了技术方法，使每个公民的技术素养得以提高，“钱学森之问”才有可能获得完满的解答。

技术素养对国家和民族极为重要，它是衡量一个国家综合实力的主要因素。虽然每个公民的工作都需要各种不同的技术，人人都有一定的技术，但是技术是要不断优化和改进的，这就对公民的技术素养提出了更高的要求。由此看来，通用技术课程任重而道远！