基于STEMA的課堂教學(xué)案例
——“令人驚嘆的倒流壺”

王俊玲 白建偉

(1.蘭州市第十六中學(xué)，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州市第十一中學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

一、藝術(shù)(Art)情景導(dǎo)入，演示倒流壺

師：中國(guó)人的茶文化有兩千多年的歷史。作為“一帶一路”戰(zhàn)略中很重要的文化軟實(shí)力，茶文化作為其中的一環(huán)被介紹到世界各地，受到很多人的喜愛(ài)。喝茶離不開(kāi)茶壺，今天，老師也帶了一只精美的器物(出示倒流壺)，與一般茶壺從壺頂注水不同，此壺雖然有“蓋”，但壺蓋與壺身設(shè)計(jì)制作為一體，根本無(wú)法打開(kāi)。那怎么往里注水呢？看！壺底有一個(gè)梅花孔，將水順著梅花孔注入壺內(nèi)，水并沒(méi)有從壺嘴流出來(lái)。將壺身正過(guò)來(lái)以后，水也并沒(méi)有從壺底的梅花孔泄露出來(lái)，將壺身輕輕傾斜，水反而能從壺嘴正常的流出。真是一只“魔壺”?。?邊講邊演示，在學(xué)生驚疑的注視下，將倒流壺中的水倒入功夫杯中)。

生：水從壺底注入，怎么倒過(guò)來(lái)后水流不出來(lái)呢？太不可思議了！

師：其實(shí)，老師今天帶來(lái)的是一件國(guó)家一級(jí)文物，現(xiàn)藏于陜西省歷史博物館的五代耀州窯青釉刻花提梁倒流壺，當(dāng)然，是仿品了(笑)。同學(xué)們一定想知道這樣神奇的一只茶壺，有什么樣的歷史故事吧？那就讓我們一起走進(jìn)今天的《國(guó)寶檔案》。

(視頻播放《國(guó)寶檔案之青釉刻花提梁倒流壺》)

師：據(jù)史料記載，倒流壺在我國(guó)的唐宋時(shí)期就已出現(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，還被做成具有多個(gè)內(nèi)膽的，即可以從一只壺內(nèi)倒出不同液體的形式。當(dāng)然，這就要求陶瓷工匠必須掌握先進(jìn)技術(shù)。根據(jù)考古分析，在唐代，耀州窯的燒窯溫度就已經(jīng)達(dá)到了1310℃。

二、科學(xué)(Science)

師：為什么明明底部有孔，水卻流不出來(lái)，在這只神秘的壺中到底藏有什么樣“暗道機(jī)關(guān)”呢?

人們用現(xiàn)代科技手段，對(duì)魔壺進(jìn)行了X光“透視”。(出示倒流壺剖面圖)可以看到，壺里面有兩個(gè)導(dǎo)管，以此可以判斷出，魔壺實(shí)際上是一只倒流壺。倒流壺是一種可以把液體從壺底注入，并從壺嘴正常倒出的壺。

原來(lái)，倒流壺運(yùn)用了物理原理，即“連通器液面等高”的原理做成的。什么是連通器呢？

我們說(shuō)：上部開(kāi)口、底部連通的容器叫做連通器。

(展示實(shí)物U型管)

連通器的特點(diǎn)是：當(dāng)連通器中只有一種液體，且液體不流動(dòng)時(shí)，各容器中的液面總保持相平。

(圖片展示并在U型管中倒入清水，以不同方向放置U型管)

師：倒流壺應(yīng)用了連通器液面等高的原理，那么，這個(gè)原理在生活中還有哪些應(yīng)用呢？(學(xué)生交流討論)

生：鍋爐水位計(jì)、水塔、回水管。(同時(shí)教師出示圖片)

師：大家說(shuō)的很好，這些都是生活中常見(jiàn)的，那你知道最大的連通器是什么嗎？(學(xué)生交流討論)

師：是的，是船閘。船閘又是怎樣應(yīng)用連通器原理的呢？請(qǐng)兩位同學(xué)在講臺(tái)上演示。

生：(兩人配合演示手動(dòng)船閘模型。講述船閘的構(gòu)造，介紹船閘的組成部分。引導(dǎo)學(xué)生將船閘工作過(guò)程進(jìn)行拆分，并對(duì)其逐步進(jìn)行分析、解釋。)

(一)船從上游到下游

1.打開(kāi)上游閥門(mén)，使上游和閘室形成連通器，閘室內(nèi)水位上升；

2.閘室內(nèi)水位與上游水位等高時(shí)，開(kāi)啟上游閘門(mén)，關(guān)閉上游閥門(mén)，船駛?cè)腴l室內(nèi)，關(guān)閉上游閘門(mén)；

3.打開(kāi)下游閥門(mén)，使下游和閘室形成連通器，閘室內(nèi)水位下降；

4.閘室內(nèi)水位與下游水位等高時(shí)，開(kāi)啟下游閘門(mén)，關(guān)閉下游閥門(mén)，船駛出閘室，通過(guò)船閘。

(二)船從下游到上游

1.打開(kāi)下游閥門(mén)，使下游和閘室形成連通器，閘室內(nèi)水位下降；

2.閘室內(nèi)水位與下游水位等高時(shí)，開(kāi)啟下游閘門(mén)，關(guān)閉下游閥門(mén)，船駛?cè)腴l室內(nèi)，關(guān)閉下游閘門(mén)；

3.打開(kāi)上游閥門(mén)，使上游和閘室形成連通器，閘室內(nèi)水位上升；

4.閘室內(nèi)水位與上游水位等高時(shí)，開(kāi)啟上游閘門(mén)，關(guān)閉上游閥門(mén)，船駛出閘室，通過(guò)船閘。

師：解釋的非常清楚，下面，就請(qǐng)同學(xué)們觀看《三峽船閘》記錄短片。(播放《三峽船閘》視頻)

師：可見(jiàn)很多年前，我們的老祖先們就已經(jīng)了解和會(huì)運(yùn)用這個(gè)液面等高的原理了。(笑)

設(shè)計(jì)意圖：看到令人迷惑不解的現(xiàn)象，隨之想要進(jìn)行進(jìn)一步的探索，從而揭示謎底，符合青少年心理發(fā)展的規(guī)律，設(shè)置懸念，集中學(xué)生的注意力，抓好時(shí)機(jī)，通過(guò)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生產(chǎn)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的興趣。觀看記錄短片，意在培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情感。

三、數(shù)學(xué)(Mathematics)

生：為什么連通器各部分的液面是相平的？

師：要解決這個(gè)問(wèn)題，我們就必須借助數(shù)學(xué)工具和物理方法，我們引出一個(gè)假想模型：假想液片。

對(duì)假想液片進(jìn)行受力分析，并進(jìn)行推導(dǎo)

F1 = F2

p1 S = p2 S

ρg h1 S =ρg h2 S

h1 = h2

由此可以從理論上得出，當(dāng)連通器中只有一種液體，且液體不流動(dòng)時(shí)，各容器中的液面總保持相平。

設(shè)計(jì)意圖：數(shù)學(xué)是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，離開(kāi)數(shù)學(xué)，物理無(wú)法進(jìn)行論證和研究。學(xué)生必須學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)工具研究物理。因此，應(yīng)用假想液片法，解釋連通器的原理。從理論上加深對(duì)原理的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)解釋身邊物理學(xué)現(xiàn)象的欲望。

四、技術(shù)(Technology)

師：看到古人做出的精美的倒流壺，同學(xué)們有沒(méi)有想要自己制作一個(gè)倒流壺的意愿呢？今天，我們就應(yīng)用陶泥來(lái)制作一個(gè)屬于你自己的倒流壺吧！

這是為同學(xué)們準(zhǔn)備好的各色陶泥、制陶工具、烤箱、粗吸管等材料，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)陶泥老師的要求按步驟制作吧！

主要步驟：

1.取一塊黃色粘土，搓揉成圓球，在頂部捏個(gè)圓形扁平的壺蓋兒，捏出長(zhǎng)壺嘴，壺嘴高度與壺蓋兒齊平；

2.在壺嘴末端與壺蓋中心按壓出淺淺的凹孔，在水壺兩側(cè)偏上靠近壺蓋處添加兩塊圓兒片，圓片與壺嘴成一條線，在兩片圓片上各捏三個(gè)鉚釘；

3.搓出長(zhǎng)條形的把手將把手安裝上茶壺；

4.將粗吸管周?chē)p繞上一層薄泥胚，慢慢抽出吸管，制成中空的陶泥管子；

5.茶壺底部掏空，輕輕安好陶泥空管；

6.給茶壺做上你喜歡的裝飾；

7.將茶壺放入烤箱，高火十分鐘后取出，屬于你的倒流壺做好了！

師：倒流壺的現(xiàn)代叫法有好幾種，實(shí)際上它叫什么名字并不重要，重要的是倒流壺在利用了一個(gè)科學(xué)原理制成后，同時(shí)還說(shuō)明了一個(gè)生活哲理。這就是：倒既正，正是倒，倒的終點(diǎn)為正，正的終點(diǎn)為倒。這樣一個(gè)看起來(lái)匪夷所思的道理，其實(shí)就是告訴眾人：做任何事情都是不要超越限度。

設(shè)計(jì)意圖：在剛剛學(xué)完倒流壺的科學(xué)原理后，能親手制作一只倒流壺是學(xué)生非常期待的。做軟陶手工既能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力、協(xié)調(diào)能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，也可提高學(xué)生對(duì)事物色彩的認(rèn)識(shí)和搭配能力，培養(yǎng)其耐心、細(xì)心的性格，學(xué)生在制作中體會(huì)自己動(dòng)手的樂(lè)趣，體驗(yàn)成就感。軟陶制作其中又蘊(yùn)含了從觀察到思維、從認(rèn)識(shí)到操作、從想象到創(chuàng)造等多種教育契機(jī)。最后的人生啟迪將科學(xué)課堂上升到哲學(xué)高度，意欲告訴學(xué)生，自然世界，“道”無(wú)處不在。