《力學單位制》的教學思考

胡均宇 武淑清

摘 要：《力學單位制》的教學是以研究性學習為主體的教學活動，整個教學過程以學生為主體，教師為主導，且在學習過程中著重研究了我國古代時間、長度和質量的單位，使學生從中體會到了我國傳統(tǒng)文化的魅力，展現了立德樹人的核心素養(yǎng)，同時學生也學會了資料收集和檢索信息的研究方法，并能夠用國際單位制處理物理學問題。

關鍵詞：高中物理；力學單位制；中華傳統(tǒng)文化；研究性學習

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-010X（2018）20/23-0114-04

2017年11月河北省教育科學研究所舉辦了高中物理青年教師優(yōu)質課評比活動，其中一節(jié)選題為《力學單位制》的引起了教師們的關注和熱議。該節(jié)課的教學要求一般為了解什么是單位制，知道物理量的基本單位和導出單位等。而這位參賽教師卻把該課與人們的生活相關，并將物理量單位的演變與發(fā)展和傳統(tǒng)文化的傳承相聯系，從而讓學生體會到人文關懷和文化積淀的魅力。

在講授《力學單位制》一節(jié)時，部分教師存在知識替代素養(yǎng)、練習替代能力的現象，更有甚者用與本節(jié)教學內容無關的小實驗進行“假探究”，因此多數授課教師都沒有實現選題者的教學目標。那么這節(jié)教學內容究竟應該怎樣講授才能達成教學目標呢？筆者認為本節(jié)課應該是一節(jié)在學生自主學習的同時又進行團隊合作的研究性學習課，即以學生為主體，教師只是學習過程中的一員，對此下面筆者談談自己的想法。

《力學單位制》該課的重點是學習時間、長度和質量的基本單位，而這三個物理量的單位是人類歷史上確立最早的單位，伴隨著人類文明的進步而不斷發(fā)展，因此在學習過程中應該讓學生認識到單位制的形成與發(fā)展是人類文明進步的標志。

在授課之前，教師應將學生分成四個不同的探究小組，每組的探究內容分別為我國古代設定的時間與時間單位、長度與長度單位、質量與質量單位以及國外對這三個物理量和單位的確立及變化。然后每個小組根據所選擇的內容進行研究，并寫出相應的研究報告。在此過程中教師應提供引領性問題和素材，以便使學生的研究性學習有的放矢，我們提供的素材和問題如下。

一、中國古代關于時間及時間單位的變化

時間是人類用來描述物質運動過程或事件發(fā)生過程的一個參數。要想確定時間，應依靠不受外界影響的物質變化周期，例如月球繞地球運行的周期、地球繞太陽運行的周期、地球自轉周期、原子震蕩周期等，這些都是我們計量時間的方法，且每一種方法都有其對應的時間單位。

我國古代的計時方式有很多，西周以后一般以地球自轉一周為基準定義“天”，又采用地支計時法將一天分為12個時辰，并以子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥作為時辰的名稱，子時為計時的起點，即現在時間23∶00～1∶00。以顧炎武在《日知錄》中記載的時辰劃分：“自漢以下，歷法漸密，于是以一日分為十二時，蓋不知始于何人，而至今遵而不廢……”創(chuàng)設情境，提出以下問題。

問題1.日常生活中我們常問“現在幾點了？”，回答“八點一刻。”“幾點”是怎么來的？“一刻”又是什么含義？古代典籍中常有“午時三刻開斬”指的是什么時間呢？

我們所說的幾點是指時間點，時間點就是時刻，屬于時間上的某個瞬間，或時間軸上的某個點，作為時間間隔的起點和終點，它也是時間和空間的一個盲點。在時間點上的物體不會改變，同時所有的物體均處于一個靜止的狀態(tài)。

我國古代描述時間的單位也有“點”的概念。古人對白天與黑夜的稱呼各不相同，白天稱作“點鐘”，黑夜稱作“更鼓”，故有“晨鐘暮鼓”之說。古人把一夜分為五更，按更擊鼓報時，同時又把每更分為五點。每更為一個時辰，相當于現在的兩個小時，即120分鐘，則每點只占24分鐘。“更”和“點”的使用在我國有3000多年的歷史，在《周禮》和《舊漢儀》中對其均有記載，漢代《舊漢儀》中指出：“夜漏起，宮門之外，衛(wèi)士擊刁斗，以傳五夜，城皇之內，擊木柝，呼備水火?！庇纱宋覀兛梢钥闯霈F在我們所說的“點”和古時的“點”是兩個完全不同的概念。

初步了解了“更”的概念之后，那我們所說的“半夜三更”又是什么意思呢？古人把一夜分為五更，規(guī)定戌時為一更，亥時為二更，子時為三更，丑時為四更，寅時為五更，與現在時間對應如下：一更天為戌時即19∶00～21∶00；二更天為亥時即21∶00～23∶00；三更天為子時即23∶00 ～01∶00；四更天為丑時即01∶00～03∶00；五更天為寅時即03∶00～05∶00。子時恰好是半夜，所以三更與半夜為同一時間。

我國古代有一種計時器叫刻漏，漏指漏壺，刻指箭刻，也就是標有時間刻度的標尺，它是根據漏壺中的水量變化來度量時間的。大約西周之前，古人就把一晝夜均分為100刻，在漏壺箭桿上刻100格，每格稱為一刻，一刻折合成現代時間約等于14分24秒，這俗稱“百刻制”?！?百刻制”是中國最古老、使用時間最長的計時方式，但十二個時辰不能被百刻制整除，因此為了方便計算先后改為96刻、108刻和120刻。直到清代才正式規(guī)定一晝夜為96刻，每刻15分鐘，每個時辰為八刻。中國古典小說常有“午時三刻開斬”的說法，午時三刻即午時正三刻，不是午時初三刻，按照每刻15分鐘計算，午時三刻為當日的12點45分。

問題2.人們常說“一寸光陰一寸金”，怎么用長度單位表示時間呢？

到了西漢以后，在使用“百刻制”的同時，又采用了以圭表測量太陽照射物的物影長短判斷時間的“太陽方位計時”法計時。圭表由兩部分組成：一是直立于平地上的測日影的標桿或石柱，叫做表；另一個是在正南正北方向平放的測定表影長度的刻板，叫做圭。有了圭表就可以用日影長度計量時間，由于用日影長度計量時間，所以生活中有“一寸光陰一寸金”的俗語。

問題3.我們現在有一種時間單位叫小時，為什么叫“小時”而不叫“時”呢？

北宋時期，人們將每個時辰分為“初”“正”兩個部分，即“初時”和“正時”，也就是把一天十二個時辰分為二十四部分，每一部分稱為“時”，民間為了與“時辰”區(qū)分，因此將其俗稱“小時”。后來西方國家的鐘表傳入我國，其將一天分成二十四份，故每一份的名稱也就沿用小時了。

二、中國古代長度及長度單位的確立

我們在長度的學習中要了解長度是如何確立的？長度單位確立的依據是什么？各朝代確立的長度單位的共同特點是什么？古代長度單位的大小與現代生活中長度單位的比較關系等。

問題1.我國古代最早的長度基準是什么？這個基準是怎樣定義的？

黍是一年生草本植物，種子形小，子實飽滿，在很久以前就已有栽培。西周之前，基于黍子實飽滿的特點，古人常以黍為基準丈量物體的長度，即取子實飽滿的黍，一粒黍為一分，一百黍為一尺。由此可知我們研究長度單位時必須要選擇一個基準，并以此為標準確定其他的長度。在明朝魏學洢（約1596～約1625）《核舟記》中提到：“舟首尾長約八分有奇，高可二黍許”說明到明朝時，我國還用黍作為長度單位，由此進一步說明我國歷史上各種長度單位同時使用。

問題2.在文學作品中也大量使用長度單位，“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”中“尋?！钡谋疽馐鞘裁矗俊疤?，王屋二山，方七百里，高萬仞”中“里”和“仞”的含義你知道嗎？“咫尺之書”“咫尺天涯”與物理有關嗎？

“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”中尋常的本意是長度的單位，一般選擇八尺為一尋，古人定義尋為度廣曰尋，即人伸開兩臂與肩平行，兩手指尖間的水平距離為一尋；古人定義常為倍尋為常，1常為2尋，取一丈六尺為常。由于尋和常度量單位比較小，所以后引申為平常的意思。

“太行，王屋二山，方七百里，高萬仞”中“里”和“仞”是不同的單位，其中“仞”是長度單位，而“里”則是面積單位。一仞為周尺八尺或七尺，用于測量深度。史記中記述：“度廣曰尋，度深曰仞”。中國長度單位“里”的演變非常有特色，在清朝光緒34年之前，“里”一般是指面積單位，“方七百里”是指700里的面積。

“咫尺之書”“咫尺天涯”中咫和尺均為長度單位。西周以后以人體小臂長度為尺，因此小臂上有一骨骼命名為尺骨，一尺等于十寸。西周規(guī)定咫為八寸約合今制市尺六寸二分二厘。由于古代書寫用木簡，木簡長度約一尺，因此“咫尺之書”是指書信。咫和尺的距離都很小，因此“咫尺天涯”比喻距離雖近但很難相見，像在很遠的天邊一樣。

問題3.在《鄒忌諷齊王納諫》中提到：“鄒忌修八尺有余”， 按現在市尺計算，鄒忌身高應為2.6米多?，F代人身高真的變矮了嗎？

我們先看一下歷史上各朝代尺與現代厘米的換算，換算如表1。

表1 歷史上各朝代尺與現代厘米換算表

鄒忌為戰(zhàn)國時期的齊國謀士，因此生存年代應為戰(zhàn)國，根據戰(zhàn)國時尺與現代厘米的對應可知，鄒忌的實際身高約為1.85米左右，這在當時已經屬于非常高的帥哥了。

三、中國古代質量及質量單位的確立

在我國古代沒有明確的質量單位，往往以能夠測量的重量替代質量，因此重量概念的確立和演變比較復雜混亂，在我國古代重量單位一般包括：銖、兩、斤、鈞、石。

在確立重量的單位時同樣要選擇一個標準量作為基準，漢朝劉向在《說苑·辨物》中提到：“十六黍為一豆，六豆為一銖，二十四銖為一兩，十六兩為一斤?！庇纱丝梢姽糯亓客瑯右允蜃鳛榛鶞剩词ｏ枬M黍子的重量為一豆，豆是古代重量基準的參考物，六豆為一銖，二十四銖等于一兩，十六兩即為一斤。歷史上重量各單位之間的換算關系，1石=4鈞，1鈞=30斤，1斤=16兩，1兩=24銖。

問題1.從文學傳記中我們可以體會到古人真乃神力，《史記·項羽本紀》中記載項羽“力能扛鼎，才氣過人”是真的嗎？

考古學發(fā)現，秦代最大的鼎應該是秦始皇陵百戲俑陪葬坑中部過洞內出土的秦代青銅大鼎，通高61cm、重212kg，這是目前發(fā)現的最大、最重的一件秦鼎。項羽所處的年代是秦末漢初，力能扛鼎也就是舉起200多公斤的重物，若以212kg計算相當于秦末時的820多斤（秦末一斤相當于258.24克），當時這可謂神力。與現在相比較，和77公斤級挺舉世界紀錄210公斤基本相當。

問題2.我國古代重量與現代重量的關系如何？如何理解“半斤八兩”？

同一單位在不同年代所代表的重量不同，例如單位斤和兩。秦和西漢時期，一斤相當于258.24克，一兩等于16.14克；王莽及東漢、魏晉南北朝時期，一斤相當于222.73克，一兩等于13.92克；隋朝初年，一斤相當于668.19克，一兩等于41.76克；隋末一斤相當于222.73克，一兩等于13.92克；唐至清代，一斤相當于596.82克，一兩等于37.30克。在1959年，中華人民共和國國務院發(fā)布《關于統(tǒng)一計量制度的命令》，改1市斤為10市兩，1市兩等于50克。我國古時采用1斤等于16兩的十六進制，因此“半斤”就是“八兩”。

在進行本節(jié)課的教學時，在課前應該完成課題研究實施過程即搜集資料、問題研究和整編資料，并形成各組的研究報告。而在課堂教學時應直接進入研究課的最后一個階段，即進行評價、總結與反思，并通過學生成果展示、分享及交流完成本節(jié)課的教學任務，由此讓學生了解課題研究的方法和中華五千年的輝煌歷史，增強其歷史責任感，同時讓學生認識到統(tǒng)一單位制的必要性，使學生自覺自愿采用國際單位制，進而提升物理課堂的教學效率。