在物理課外活動中引入中國傳統(tǒng)元素*——以舞鉆和慣性為例

王淑金 林馨郁 葉希希 葉晴瑩

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350117)

物理課外活動是物理學(xué)科傳統(tǒng)課堂教育的增補(bǔ)和延伸，是提升科學(xué)素養(yǎng)與培養(yǎng)學(xué)生做人、求知、創(chuàng)新等能力的重要途徑.文化，是國家、民族的血脈，是人民的精神家園.2014年教育部印發(fā)的《完善中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育指導(dǎo)綱要》中指出[1]，在高中階段，以增強(qiáng)理性認(rèn)識為重點，引導(dǎo)學(xué)生感悟精神內(nèi)涵，增強(qiáng)對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的自信心.在課外活動中以物理知識點為參考，加入中國傳統(tǒng)元素，不但可以配合課堂教學(xué)，擴(kuò)充學(xué)生知識面，還可以讓學(xué)生在中華文化的熏陶中學(xué)習(xí)物理，探索科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的文化自信，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感.

1 聯(lián)系生活答疑解惑

現(xiàn)人教版物理必修一教材中的第四章的內(nèi)容為“運動和力的關(guān)系”，慣性為該章第1節(jié)牛頓第一定律中的內(nèi)容.關(guān)于慣性的教學(xué)中在列舉物體慣性在生活中的表現(xiàn)時，常常會舉出這樣的例子：當(dāng)汽車突然剎車時，人會向前傾倒，當(dāng)汽車突然加速時人會向后傾倒.可不少學(xué)生基于生活中的經(jīng)驗都會有這樣的一個疑惑，為何轉(zhuǎn)動的電風(fēng)扇在斷開電源之后還會繼續(xù)轉(zhuǎn)動幾下才會停下？這是否跟物體的慣性有關(guān)呢？如果跟物體的慣性有關(guān)，為何扇葉是繼續(xù)轉(zhuǎn)動而不是做勻速直線運動呢？雖然在中學(xué)階段并沒有涉及到物體轉(zhuǎn)動慣性的知識，但為了解決學(xué)生的疑惑，加強(qiáng)學(xué)生對于物體慣性的理解，教師可以通過開展課外活動，將物體平動慣性與轉(zhuǎn)動慣性加以區(qū)分與解釋，便于學(xué)生對物體的慣性樹立正確的概念.為今后的物理學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

2 理清概念梳理事實

慣性是物體的固有屬性，是物體具有的抵抗物體運動狀態(tài)變化的“本領(lǐng)”.正如中學(xué)階段已學(xué)習(xí)到的慣性：在沒有外力作用的情況下，靜止的物體保持靜止?fàn)顟B(tài)的傾向，或直線運動著的物體保持勻速直線運動的傾向，轉(zhuǎn)動慣性即在沒有外力作用的情況下，旋轉(zhuǎn)的物體保持旋轉(zhuǎn)運動的傾向.牛頓第一定律中的“物體”指的是質(zhì)點，而在旋轉(zhuǎn)中的物體是不能看作為質(zhì)點的，因此旋轉(zhuǎn)的物體并不適用于牛頓第一定律.

中學(xué)生還處于身心發(fā)展不平衡的階段，認(rèn)識事物的規(guī)律，理解物理概念還需要依靠具體實物的支撐.當(dāng)教師講解完有關(guān)旋轉(zhuǎn)的慣性時，學(xué)生對于這個概念的理解還較為模糊.對此，我們可以通過我國古代一個趣味的利用慣性的工具，就是所謂的“舞鉆”，來擴(kuò)展學(xué)生的視野.

3 引發(fā)好奇心激起求知欲望

教師可以先向?qū)W生展示舞鉆的實物，如圖1所示，并且介紹舞鉆的用途：舞鉆是古代用來鉆孔的工具，是最原始的木工鉆.在電還沒有出現(xiàn)的時候，我們祖先便是采用這樣的一個特殊工具實現(xiàn)鉆孔的功能.

圖1 舞鉆實物圖

如此奇怪的造型，必然會引起學(xué)生的好奇心，學(xué)生難免會有這樣的疑問，這個工具究竟要怎么鉆孔呢？

此時教師可以將舞鉆豎直置于木板上，用一只手旋轉(zhuǎn)豎桿并快速壓動橫板，展示“舞鉆”鉆孔的整個過程，并將鉆好的孔洞展現(xiàn)給學(xué)生.這樣一個看起來簡簡單單的木頭和繩子的組合竟然就能實現(xiàn)鉆孔并且可以單只手就能控制整個過程，既省力又可以快速鉆孔.學(xué)生對于這樣一個工具的求知欲望被完全的激發(fā)出來，積極地猜測這個工具究竟蘊(yùn)藏著什么奧秘可以讓使其不停的上下運動，最終實現(xiàn)打孔的整個過程.

4 逐步分析深入學(xué)習(xí)

在學(xué)生思考并積極討論后，教師這個時候就可以向?qū)W生介紹舞鉆的構(gòu)造.

如圖1所示，舞鉆是由一個中間有一個孔洞A，左右兩邊各有一個孔洞(孔洞B、孔洞C)的橫板和豎直穿在橫板中間的一個豎桿以及兩頭分別與橫板的兩端連接、中間與豎桿的頂端相接的柔性繩和一塊重物所構(gòu)成. 在豎桿靠近鉆頭的下端，裝上一塊重的木頭.柔性繩穿過豎桿上端的孔洞D，在同一方向沿著豎桿下行，下端再分開，分別裝在長形橫板的兩端孔洞B和孔洞C處.橫板中間的孔洞A較大，豎桿可以很寬松地從這個圓型孔洞A中穿過.

(1)使用前

在開始使用前，先轉(zhuǎn)動豎桿，將柔性繩大部分纏繞在豎桿上，橫板在豎桿上方的位置.將鉆頭對準(zhǔn)鉆孔.如圖2所示.

圖2 柔性繩纏繞在上方的舞鉆

(2)鉆孔過程

用手向下壓動橫板，鉆頭會受到兩條柔性繩轉(zhuǎn)動豎桿的力量，從而轉(zhuǎn)動起來.當(dāng)橫板已經(jīng)落到將近最下方的位置時，不再對橫板施加向下的力.由于轉(zhuǎn)動的慣性，豎桿、重物、鉆頭還想要繼續(xù)保持原來的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，此時兩條柔性繩就會向著反方向轉(zhuǎn)動，又把橫板提到上方.然后再用手向下壓橫板，鉆頭就又向原來的方向轉(zhuǎn)動起來，往復(fù)運動.

5 加強(qiáng)動手能力體會物理之美

在分析完舞鉆的結(jié)構(gòu)以及鉆孔的原理后，教師可以提供實驗材料讓學(xué)生親自動手制作一個簡易的舞鉆.教師需提前準(zhǔn)備的材料有：一個已經(jīng)挖好孔洞的橫板(中間一個大的孔洞A,左右兩側(cè)各一個小孔即孔洞B與孔洞C)，一個挖好孔洞的圓木棍(靠近上端位置一個孔洞D，最下方橫截面一個孔洞E)，一個挖好孔洞的重物(中間一個比圓木棍尺寸大一點的孔洞F)，一根柔性繩，一根一次性筷子(充當(dāng)鉆頭).

制作方法如下：

(1)將圓木棍穿過橫板中間的孔洞A與重物中間的孔洞F，將重物套在圓木棍下方.

(2)將柔性繩分別穿過橫板左端的孔洞B，圓木棍上方的孔洞D，橫板右端的孔洞C.

(3)將一次性筷子插入圓木棍下方孔洞E中.

在制作完成簡易的舞鉆以后，如圖3所示，學(xué)生紛紛開始壓動橫板，使得圓木棍不斷地轉(zhuǎn)動起來，進(jìn)行“鉆孔”.學(xué)生間還相互對比誰能讓舞鉆轉(zhuǎn)動得更久，更慢停下.可是，有的學(xué)生卻總是不能使舞鉆轉(zhuǎn)動起來，他們非常疑惑.這時，教師可以幫助那些無法將舞鉆轉(zhuǎn)動起來的同學(xué)，在這些同學(xué)快要將橫板壓動到最下方時輕輕抬起學(xué)生的手，大家會驚奇的發(fā)現(xiàn)舞鉆又轉(zhuǎn)動起來了.

圖3 自制舞鉆

這究竟是什么原因呢？教師可以向?qū)W生們解釋：原來在橫板到達(dá)最下方時，若還是繼續(xù)給他一個向下的壓力，柔性繩將被繃緊，無法再次纏繞在豎桿上.所以在橫板即將抵達(dá)最下方時需要及時撤除對橫板向下的壓力，讓柔性繩處于松弛的狀態(tài)，才能使得舞鉆可以持續(xù)地轉(zhuǎn)動.教師通過學(xué)生們在實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，可以應(yīng)時地引入“張弛有度”的道理，自然而然地將課程思政的教育帶入課堂，讓學(xué)生在親自動手參與課外實踐活動的過程中理解人生道理.

6 結(jié)束語

對于物理知識的教學(xué)，教師需要在學(xué)生原有的知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上幫助其生長出新的認(rèn)知結(jié)構(gòu).通過開展課外物理活動不僅可以引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，促進(jìn)學(xué)生對于物理知識有更深層的理解，拓展學(xué)生的視野，還可以培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力，例如在開展活動時的動手能力，與同學(xué)老師們交流溝通時的表達(dá)能力等.在教學(xué)中加入課程思政的教育，學(xué)生更加明白待人接物的道理.在課外活動中引入中國古代先人的創(chuàng)造，學(xué)生體會到物理知識在生活中無處不在，感受到古代傳統(tǒng)文明的魅力所在，更加重視傳統(tǒng)文化的傳承與發(fā)揚(yáng).