基于中國傳統(tǒng)建筑文化的物理教學微探
——以“力學”專題教學為例

姚慧賢 張 娜 李詩嫻 尹慧萍 洪佳旻

(湖南理工學院，湖南 岳陽 414006)

1 背景與意義

隨著現(xiàn)代物理教育研究的不斷發(fā)展，物理教育理念和培養(yǎng)目標也在持續(xù)革新，《義務教育物理課程標準(2012年版)》[1]指出，“物理課程的培養(yǎng)目標是提高學生科學素養(yǎng)，注重學生全面發(fā)展”.若學生能由熟悉的中國傳統(tǒng)文化開始學習新的物理概念，無疑能在培養(yǎng)學生物理素養(yǎng)的同時，提高文化認同感與歸屬感，促進素質(zhì)教育的全面發(fā)展.我國傳統(tǒng)文化精彩紛呈，傳統(tǒng)建筑是其中重要的組成部分，[2]古人亦留下了許多不朽詩篇進行描繪.廣義的建筑覆蓋面很廣，包括房屋、橋梁、道路及堤壩等等，故具有足夠多的教學資源可以在物理教學中應用.為提升物理課堂魅力，高效實現(xiàn)培養(yǎng)目標和學科核心素養(yǎng)，本文結(jié)合中國傳統(tǒng)文化中的傳統(tǒng)建筑元素，從道路、橋梁、堤壩及房屋4個方面完成了力學方面的教學資源應用.

2 教學資源應用

我國對力的研究歷史悠久，例如《墨經(jīng)》[3]曾曰：“力，形之所由奮也”，而傳統(tǒng)建筑如路、壩、渠、橋梁及房屋等更是凝聚了許多力學知識.因此，有理由相信，在物理課堂中植入中國傳統(tǒng)建筑文化，并完成傳統(tǒng)建筑展示及試驗探究，能幫助學生更好地理解相關物理知識，也能培養(yǎng)學生對于中華文化的自豪感，加強學生對生活中物理現(xiàn)象的發(fā)掘、探究能力.

2.1 古代道路——以“力的作用效果”為例

我國從遠古時期便有修路的傳統(tǒng)，如秦始皇修建馳道和直道，如劉邦明修棧道暗度陳倉，再如漢朝絲綢之路.道路不僅促進交通便捷加快經(jīng)濟發(fā)展，還體現(xiàn)了諸多物理概念，如表1所示，包括力的作用效果、動摩擦力的影響因素、壓強等等.

表1 古代道路教學資源

本節(jié)以力的作用效果為例，對古代道路的教學應用敘述如下.

教學導入及提問：同學們有沒有聽說過唐宋八大家的蘇轍描述民間疾苦的詩句 “泥濘沉車轂，農(nóng)輸絕苦心”呢？該詩句中有沒有體現(xiàn)力這一概念？此時力到底起到了什么樣的效果呢(如圖1)？

圖1 秦朝道路遺址

學生思考：仔細琢磨詩句內(nèi)容，思考詩句中體現(xiàn)了哪些力？這些力分別有哪些作用效果？

教師講述：該詩句表現(xiàn)了力產(chǎn)生的兩種較為明顯的作用效果，一是車的重力使泥濘的道路沉陷變形，即力會導致物體發(fā)生形變；二是道路上石頭或淤泥的阻力會降低車輛的速度，即力可以改變物體運動狀態(tài).在物理中，我們把“形變”、“改變運動狀態(tài)”等現(xiàn)象稱之為作用，力便是物體對物體的作用[4].

鞏固提問：“山回路轉(zhuǎn)不見君，雪上空留馬行處” 、“前車之覆，后事之師”、“會挽雕弓如滿月”、“黃四娘家花滿蹊，千朵萬朵壓枝低”等詩句體現(xiàn)了力的哪些作用效果？

課堂活動：讓學生用紙張完成“折紙飛機”和“飛紙飛機”的趣味小活動，并觀察在折紙飛機時紙張的形變，飛出去后紙飛機的運動軌跡.

設計意圖：通過文理學科的交叉，提高了學生的人文素養(yǎng)及歷史認同感，讓學生切身明白物理現(xiàn)象也是歷史長河中閃閃發(fā)光的明珠，值得后人細細品味，用心采擷.同時也增加了物理課堂的吸引力；與學生的課堂互動及提問，鍛煉了學生的語言交流能力，引發(fā)學生對物理概念的熟悉感及求知欲；通過趣味小活動，寓學于樂，加深學生對“力的作用效果”的理解，激勵學生主動探究日常生活及所見所聞中的物理現(xiàn)象，并能激發(fā)學生對實驗及現(xiàn)象的觀察能力與思考能力，逐步培養(yǎng)學生科學的物理觀念.

2.2 古代橋梁——以“力的三要素”為例

我國橋梁歷史悠久，馳名中外的古橋眾多，例如“天下木柱之梁三”的渭水三橋、“漢人送客至此，折柳贈別”的灞橋、“望之如初日出云，長虹飲澗”的趙州橋等.橋梁是跨過江河的紐帶，跨過滔滔大河的難度可見一斑，因此古代橋梁蘊含了十分豐富的力學知識，如表2所示，包括力的三要素、力的合成與分解、杠桿定理、浮力及動能等等.

表2 古代橋梁教學資源

本節(jié)以力的三要素為例，對古代橋梁的教學應用敘述如下.

教學導入及提問：我國古代大城池往往會開挖護城河保護城池安全，并布置有吊橋(如圖2)以方便日常交通.下面請同學們觀察吊橋相關圖片(圖3)思考一下，哪些因素會影響力的作用效果呢？怎樣通過實驗驗證這些影響因素是否存在呢？

圖2 唐朝吊橋遺址

學生思考：影響力的要素有哪些？怎樣通過科學探究合理地驗證每一個因素呢？

實驗探究：準備1塊厚木板、1小塊薄木板、2根木棍、1～2根細繩、3個砝碼及膠水等，模擬古代吊橋.完成如圖2所示的實驗裝置，保證在A點及細繩末端均放置一個砝碼時，薄木板靜止.

實驗1：力的大小對作用效果的影響.如圖3(a)，在原本靜止的吊橋上，往細繩末端增加一個砝碼，從而改變薄木板受力的大小.觀察薄木板的運動情況，可以發(fā)現(xiàn)原本靜止的薄木板運動起來了.

(a) 實驗1 (b) 實驗2

實驗2：力的方向?qū)ψ饔眯Ч挠绊?如圖3(b)，在實驗1的基礎上，通過將橫梁位置由C移至D，調(diào)整細繩對薄木板的施力角度.觀察薄木板的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)實驗1能運動的薄木板，在細繩角度變小后靜止.

(c) 實驗3

教師總結(jié)：通過上述3個實驗，我們可以得到結(jié)論，力的大小、方向、作用點都能影響力的作用效果，這就是物理課堂中的一個重要概念——力的三要素(見表3).

表3 吊橋?qū)嶒瀸φ毡?/p>

鞏固提問：假如只進行實驗1與實驗3，能否驗證“作用點會影響力的作用效果”？

教學意圖：通過例舉知名古橋梁及其描繪詩句，完成“力的三要素”這一物理概念教學；通過控制單一變量的“吊橋”對照試驗，直觀的幫助學生們分析影響力的作用效果的影響因素，培養(yǎng)學生探究物理現(xiàn)象的科學思維，以及運用實驗手段分析問題的科學探究能力；通過鞏固提問，讓學生明白什么是科學的研究方法，養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W思維習慣，也是提醒學生在研究過程中謹記科學態(tài)度與責任.

2.3 古代水利工程——以“連通器原理”為例

自古以來，我國便尤為重視水利灌溉、河防疏泛，注重保護農(nóng)業(yè)及人民財產(chǎn)安全，歷朝歷代更是修筑了大量水利工程，例如秦朝“西山大竹織萬籠，船舸載石來亡窮”的都江堰、“石渠南北引湘漓，分水塘深下作堤”的靈渠和隋朝“應是天教開汴水，一千余里地無山”的京杭大運河等.在治水過程中，古代人民運用了諸多物理原理，如表4所示，包括連通器原理、液體壓強、流體壓強及動能勢能等.

表4 古代水利工程教學資源

本節(jié)以“連通器原理”為例，對古代水利工程的教學應用敘述如下.

教學導入及提問：古代水利工程在防洪減災的同時，不可避免會截斷水流，形成水流斷層，例如靈渠及都江堰(見圖4)等.那么學生們會不會有疑問，當河道上方筑有堤壩或者閘門的時候，液面高差將很大，若船直接通過肯定會翻沉，古人是利用了什么原理幫助船只順利通過河道的呢？

圖4 都江堰

課堂試驗：透明塑料箱、小船、兩道自制閘門帶顏色的水、橡膠管、注射器及水桶.模擬 “船過閘門”的試驗展示(如圖5).

此次研究中,觀察組患者的術后出血幾率比對照組低,兩組的出血率對比存在統(tǒng)計學差異性(P<0.05);觀察組患者術后出血再次手術的發(fā)生率比對照組低,結(jié)果存在統(tǒng)計學差異性(P<0.05)。有效護理能夠讓患者的出血率降低,促進患者的康復。

圖5 “船過閘門”實驗

步驟1：打開閘門1，可發(fā)現(xiàn)河道b的清水變色，小船從河道a順利抵達b，且河道a與b液面持平.

步驟2：打開閘門2，可發(fā)現(xiàn)河道c的清水變色，小船從河道b順利抵達c，且河道a、b、c液面持平.

步驟3：完成步驟1與步驟2后，直接插入橡膠管后，液體不會流出.

步驟4：隨后利用注射器抽取少量水充滿橡膠管，帶顏色的水會持續(xù)流入水桶.

步驟5：將水桶往上提，可發(fā)現(xiàn)當水桶到達一定高度后，桶中的水會倒流回河道c中，水桶下放則水重新由河道c流向水桶.

教師講述：通過步驟1，可以觀察到原本不等高的液面在打開閘門后為等高.這是由于在開閘后，河道a與河道b形成了連通器.在物理學中，我們把“上端開口，下端連通的儀器稱為連通器”. 根據(jù)液體壓強公式

容易推斷：在連通器中，各容器的液面高度會保持相等，假如液面不等高，則連通器兩端會形成壓力差，導致液體流動.同理，步驟2的現(xiàn)象與1相同.

通過步驟3、4、5可以推斷，水能否流動的前提條件是“橡膠管中存在足夠水，使河道、橡膠管及水桶形成連通器”，水流動的方向則與河道液面及水桶液面高度相關.在物理學中我們把上述現(xiàn)象稱為“虹吸”，其原理與連通器一樣，也是由于液面存在壓力差，并導致液體流動.

教學意圖：“液體壓強”是初中物理一個重要的概念，本文首先通過眾多水利工程案例引出“船如何過閘門”這一生活中的疑惑，再遵循學生的認知規(guī)律，利用步驟1-4直觀地展示“連通器原理”及“虹吸”等現(xiàn)象，幫助學生理解基本物理概念.再通過步驟3、4、5探究影響虹吸的因素，培養(yǎng)了學生的邏輯思維與科學探究能力.最后，還能通過我國對抗自然災害的水利工程案例，培養(yǎng)學生將科學服務于人類的使命感與責任感.

2.4 古代房屋——以“力的分解”為例

古代房屋建筑在我國傳統(tǒng)建筑中占據(jù)及其重要的地位，是古代建筑美學、力學的集大成者，甚至于狹義上建筑指的便是房屋.古代著名房屋建筑數(shù)不勝數(shù)，如“覆壓三百余里，隔離天日”的阿房宮、“九天閶闔開宮殿,萬國衣冠拜冕旒”的大明宮、“世界五大宮之首”的故宮等.歷朝歷代都會有專門的書籍總結(jié)房屋建筑的力學經(jīng)驗等，古房屋建筑中常見的物理現(xiàn)象有力的合成與分解、壓強、摩擦力及流體壓強等(見表5).

表5 古代房屋教學資源

本節(jié)以“力的分解”為例，對古代房屋建筑的教學應用敘述如下.

教學導入及提問：本節(jié)課是主要介紹我國蒙古游牧民族的特色建筑——蒙古包，為什么蒙古包要采用圖6這種形式？其中蘊含了哪些物理原理呢？

教師分析：如圖7所示，對蒙古包進行受力分析.屋頂?shù)哪康氖菫榱藢⒚珰值闹亓分解為斜向的分力G1及G2，并將其傳遞至交匯處；在交匯處G1(G2)分解為豎直向的壓力G1N(G2N)和水平向外的推力G1T(G2T)，為了平衡這兩個方向的力，顯然橫向需要利用繩帶提供拉力T1(T2)平衡，豎向需要菱形網(wǎng)眼支撐提供支持力N1(N2).

圖7 蒙古包受力分析圖

學生思考：G與G1及G2、G1(G2)與T1(T2)及N1(N2)在物理上是什么關系？在數(shù)學上有什么關系？

教師講述：從物理的角度上來說，G與G1及G2是合力與分力的關系，其中G是合力，G1及G2是分力；G1(G2)與T1(T2)及N1(N2)作用在物體同一點(或作用線交于同一點)，稱為共點力.

從數(shù)學的角度上來說，力是具有方向的，我們定義其為“矢量”，其服從“平行四邊形法則”.例如G的分解中，由于G1與G2大小相等，顯然為特殊的平行四邊形——菱形，根據(jù)數(shù)學知識易得，

同理，按照平行四邊形法則可知，

G1N=G1sinθ，G1T=G1cosθ.

由于屋頂靜止，顯然處于平衡，則根據(jù)共點力平衡時，水平方向合力為0，則T1=G1T=G1cosθ;豎直方向合力為0，則N1=G1N=G1sinθ.

教學意圖：通過分析蒙古包的受力，挖掘了背后反映的“力的分解”概念，鼓勵學生自主思考生活中遇見的各種物理現(xiàn)象；利用建模對蒙古包進行力學分析，運用公式演算，將物理概念數(shù)學化，使學生養(yǎng)成嚴謹?shù)奈锢硭季S，并進一步培養(yǎng)學生在分析物理問題中運用數(shù)學工具的能力.

3 總結(jié)與反思

本文以傳統(tǒng)建筑及相關詩句作為教學導入，以基于傳統(tǒng)建筑的課堂實驗作為探究方法，并強調(diào)學生進行鞏固反思，從而完成了力的作用效果、力的三要素、連通器原理、力的分解的教學資源應用.

在上述教學資源應用中，通過歷史中或日常生活中的現(xiàn)象或困惑，引導學生了解基本的物理概念；運用“控制變量實驗”、“建模力學分析”、“數(shù)學推導”等科學的研究方式分析物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學生的科學思維和科學研究方法；引入富有歷史底蘊的傳統(tǒng)建筑不僅增添了物理課堂的魅力，達到了培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的，也提高了學生的歷史認同、人文素養(yǎng)等綜合素質(zhì).

總而言之，我國傳統(tǒng)文化博大精深，精彩紛呈，本文選取的教學資源僅僅是傳統(tǒng)文化中傳統(tǒng)建筑的冰山一角，只要教師們細心琢磨，不讓教學過程機械化，一定還能發(fā)掘大量教學資源.