我國(guó)古代農(nóng)業(yè)機(jī)械及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值①

葉鳴揚(yáng)

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹(shù)人學(xué)校,江蘇 南京 210011)

1 背景

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱課標(biāo))強(qiáng)化了“怎么教”的具體指導(dǎo),在課程內(nèi)容方面,引入了我國(guó)古代科技成就,這一變化的導(dǎo)向十分明確,旨在引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)物理學(xué)對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的積極影響,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心我國(guó)古人在科技領(lǐng)域取得的輝煌成就,為中華民族的科技成就及燦爛文明而感到自豪,并逐步形成實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的責(zé)任感與使命感。[1]

課標(biāo)中新增加的關(guān)于我國(guó)古代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)明的內(nèi)容有:(1) 分析《天工開(kāi)物》中汲水裝置工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)化(3.2機(jī)械能);(2) 查閱資料,了解我國(guó)古代水磨、水碓等機(jī)械,寫(xiě)一篇弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的調(diào)查報(bào)告(3.2機(jī)械能);(3) 了解我國(guó)古代“龍骨水車”的工作原理,嘗試設(shè)計(jì)相關(guān)裝置(5.2物理學(xué)與工程實(shí)踐)。[1]

然而在日常生活中,廣大師生已經(jīng)很難接觸到以上古代農(nóng)業(yè)機(jī)械。作為教師,只有自己以身垂范,主動(dòng)學(xué)習(xí),才能在教學(xué)中用好課標(biāo),講好我國(guó)古代的農(nóng)業(yè)機(jī)械故事。

2 我國(guó)古代農(nóng)業(yè)機(jī)械示例

2.1 舂米工具及其改良

2.1.1 杵臼和碓

將稻谷去殼的過(guò)程叫作舂米,舂去米糠后剩下的米粒方可食用。傳統(tǒng)手工舂米的工具叫作杵臼。杵為一根棒槌,臼為盛米石器。工作時(shí),雙手舉高棒槌,然后用力砸入石臼中,重復(fù)多次,將臼中的米糠砸掉。

碓是在杵臼的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的,它用到了杠桿原理。如圖1所示,用柱子架起一根稱作碓桿的木棍,碓桿可繞中間一固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),在碓桿的一端固定一塊圓柱形重石作為杵,在碓桿的另一端用腳踩踏。工作時(shí),用力踩下碓桿的腳踏端,則固定重石的一端被舉高,松開(kāi)腳后,重石下落,砸入石臼。東漢譚桓在《桓子新論》中寫(xiě)道:“因延力借身重以踐碓,而利十倍杵舂?！盵2]描述了以腳力驅(qū)動(dòng)的碓相較于以臂力驅(qū)動(dòng)的杵之優(yōu)勢(shì)。

圖1

2.1.2 水碓

腳力雖較臂力有優(yōu)勢(shì),但終歸是人力。在小農(nóng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代,家人數(shù)量有限,人亦需要休息。為了進(jìn)一步發(fā)展生產(chǎn)力,古代勞動(dòng)人民發(fā)明了水碓,即借用水力來(lái)驅(qū)動(dòng)碓。

水碓的動(dòng)力結(jié)構(gòu)為一立式水輪,水輪支架固定在河邊,底部浸入河水。在水輪的轉(zhuǎn)軸上固定若干撥片,兩個(gè)撥片為一組,互成180°固定在轉(zhuǎn)軸同一位置。水流帶動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸和撥片也朝著同一方向以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣,同一圈的兩個(gè)撥片就可以輪流按下碓桿,故撥片的作用相當(dāng)于人的腳。工作時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)的撥片按壓碓桿的一端,至碓桿另一端的重石被舉到一定高度時(shí),持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的撥片恰好與碓桿脫離,重石下落。當(dāng)重石落回石臼后,另一個(gè)撥片很快便會(huì)轉(zhuǎn)至與碓桿接觸的位置,在水力的推動(dòng)下,第二個(gè)撥片再次下壓碓桿,舉起重石,依次循環(huán),水輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周,水碓可舂米兩次。

2.1.3 連機(jī)水碓

人們?cè)诶^續(xù)嘗試改進(jìn)后發(fā)現(xiàn),在水流條件允許的河岸,可以用一部水輪帶動(dòng)兩個(gè)以上的碓,即連機(jī)水碓(圖2、圖3)。常見(jiàn)的連機(jī)水碓一般設(shè)置四個(gè)碓,顯然,這種以水能驅(qū)動(dòng)的機(jī)械極大地解放了勞動(dòng)力,還可以做到晝夜不停地工作,既延長(zhǎng)了工作時(shí)間,又提高了工作效率。《天工開(kāi)物》述及水碓時(shí)寫(xiě)道:“攻稻之法省人力十倍,人樂(lè)為之。”[3]

圖2

圖3

2.2 磨面工具及其改良

2.2.1 磨

磨是把谷物、豆類加工成面的一種農(nóng)業(yè)機(jī)械,它由兩塊被稱為“磨扇”的圓柱形石塊疊放而成,兩磨扇相接觸的一面均刻有細(xì)槽式磨齒。下磨扇固定,在中心處打穿一孔,穿以鐵軸。在上磨扇中心處打洞,可以不打穿,使上磨扇能套在鐵軸上繞鐵軸轉(zhuǎn)動(dòng)即可。此外,在上磨扇偏離中心的位置再打穿一孔,稱為“磨眼”,作為待加工谷物的輸入口。

給上磨扇套上長(zhǎng)木柄,以人力或畜力推動(dòng)長(zhǎng)木柄末端,帶動(dòng)上磨扇轉(zhuǎn)動(dòng)。這里運(yùn)用了杠桿原理,起到了省力的作用。同時(shí)另一人將待加工的谷物按適當(dāng)?shù)乃俾氏蚰パ壑刑砑庸任?谷物自磨眼進(jìn)入兩磨扇之間后,由于上、下磨齒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),谷物被磨成粉末。粉末從磨扇邊緣夾縫流出,撒落在下方磨盤(pán)上,即可收集保存。

2.2.2 水磨

借用水力取代人、畜力來(lái)帶動(dòng)磨轉(zhuǎn)動(dòng)的組合機(jī)械就是水磨,它的加工部分與普通磨沒(méi)有區(qū)別,只是用水輪提供的動(dòng)力代替人力或畜力。水輪有臥式水輪和立式水輪兩種。

圖4是使用臥式水輪的水磨示意圖,臥式水輪在水流的沖擊下,可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(“·”表示水流方向由紙面內(nèi)流向紙面外,且僅存在于水輪的一側(cè))。在水輪的上方建磨坊,坊中的磨盤(pán)與下磨扇保持固定,上磨扇與水輪共用一軸,水輪轉(zhuǎn)動(dòng)則上磨扇隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。人們只需在磨旁及時(shí)添加谷物,收集粉末,不必親自推動(dòng)上磨扇。

圖4

使用臥式水輪有明顯的缺點(diǎn),臥式水輪不能直接置于天然河流中,這樣水流沖擊水輪產(chǎn)生的正反力矩抵消,水輪不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。所以使用臥式水輪,必先“別引溝渠,掘地棧木。”[4]意思是說(shuō),必須先向下掘地,挖出一塊低于河流水平面的空間安置臥式水輪,再?gòu)奶烊缓恿饕鲆粭l逐漸變窄的人工溝渠,此溝渠的終點(diǎn)只能對(duì)準(zhǔn)水輪的一側(cè)。上游開(kāi)閘放水后,河水自溝渠被引向水輪,由于溝渠逐漸變窄,渠內(nèi)水流速度逐漸加大,最終沖刷水輪單側(cè)葉片。這樣,水輪獲得了單向力矩,就可以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了。如此復(fù)雜的前期土木工程促使人們思考,可否像水碓那樣使用立式水輪,直接立在河邊獲取動(dòng)力?

中國(guó)古代勞動(dòng)人民發(fā)明了類似于今天的錐形齒輪,解決了這一問(wèn)題。錐形齒輪如圖5所示,可以傳遞兩根交錯(cuò)軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖6所示,立式水輪在河水的沖擊下,在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。水輪轉(zhuǎn)軸上安裝的錐形齒輪1與水平的錐形齒輪2咬合,這樣豎直的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以轉(zhuǎn)化為水平的轉(zhuǎn)動(dòng)。再將水平轉(zhuǎn)動(dòng)的錐形齒輪2和上磨扇連動(dòng)起來(lái),就可以帶動(dòng)上磨扇水平轉(zhuǎn)動(dòng)了。有了這樣巧妙的傳動(dòng)裝置,便可以避免挖渠搭棧了。

圖5

圖6

2.2.3 水轉(zhuǎn)連磨和水碓磨

到了晉代,長(zhǎng)安發(fā)明家杜預(yù)對(duì)水磨繼續(xù)改進(jìn),發(fā)明了水轉(zhuǎn)連磨。如圖7所示,一臺(tái)水輪最多可以同時(shí)帶動(dòng)九臺(tái)磨。南北朝時(shí)期杰出的數(shù)學(xué)家祖沖之,還發(fā)明了水碓磨(圖8)。用一臺(tái)水輪,同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)磨和多臺(tái)碓,實(shí)現(xiàn)了米和面的加工一體化。

圖7

圖8

2.3 灌溉工具及其發(fā)展

2.3.1 龍骨水車與水轉(zhuǎn)翻車

龍骨水車又稱翻車、踏車,是三國(guó)時(shí)期的馬鈞在一種原始提水工具的基礎(chǔ)上改制的。它是我國(guó)古代先進(jìn)的農(nóng)田排灌工具,也是世界上出現(xiàn)最早、使用時(shí)間最為久遠(yuǎn)的農(nóng)用水車。

如圖9所示,龍骨水車的結(jié)構(gòu)包括:固定整臺(tái)水車以及操作者身體的木架、操作者腳下的大輪軸和踏板、一條由大輪軸下方傾斜延伸至水源中的木質(zhì)水槽、安裝于水槽另一端的小輪軸,以及綁定在大小輪軸之間的木制鏈條。鏈條上安裝等間距的豎直板片若干,其中上升方向的板片可在水槽內(nèi)運(yùn)動(dòng),負(fù)責(zé)劃水上岸,而下降方向的板片位于水槽上方,目的是回到水源中,循環(huán)往復(fù)。木質(zhì)鏈條與板片的形狀,與古代船的龍骨結(jié)構(gòu)很像,由此得名龍骨水車。

人扶在木架橫桿上穩(wěn)定身體,以雙腳交替踩踏腳踏板,驅(qū)動(dòng)大輪軸、木質(zhì)鏈條和小輪軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。木質(zhì)鏈條一旦運(yùn)動(dòng),水中的板片就可以將河水向上劃入水槽。每有一個(gè)板片帶水升入水槽,就必有一個(gè)板片轉(zhuǎn)入水下,在板片接二連三的推動(dòng)下,河水便可順著水槽源源不斷地被提取上岸。將上岸的水引向水渠,實(shí)現(xiàn)以低地之水灌高地之旱田。

《三國(guó)志·方技傳·杜夔》中寫(xiě)道:“城內(nèi)有地,可以為園,患無(wú)水以灌之,乃作翻車。令兒童轉(zhuǎn)之,而灌水自覆。”[5]由此可見(jiàn),使用龍骨水車提水,十分省力,連兒童都可以獨(dú)立操作。

由于板片和水槽之間不可能做到無(wú)縫貼合,所以每一塊板片在劃水上岸的過(guò)程中,必然會(huì)有河水通過(guò)縫隙流失,這就決定了龍骨水車的提水高度會(huì)受到限制。對(duì)于較高地勢(shì)的旱田,可用多部龍骨水車,分級(jí)提水。元代《王禎農(nóng)書(shū)》中有以下記載:“車身用板木作槽,長(zhǎng)可兩丈。”“若岸高三丈有余,可用三車,中間小池倒水上之,足救三丈以上高旱之田。”[4]可以推知,一臺(tái)龍骨水車槽長(zhǎng)兩丈,大約可以提水一丈,傾角可達(dá)30°。

既然碓和磨可以用水能驅(qū)動(dòng),那么龍骨水車有何不可?于是水轉(zhuǎn)翻車應(yīng)運(yùn)而生,遷移的智慧被古代勞動(dòng)人民發(fā)揮得淋漓盡致!如圖10所示,在河流中安置一臺(tái)立式水輪,再通過(guò)錐形齒輪傳動(dòng),就可以驅(qū)動(dòng)龍骨水車的大輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)用水能自動(dòng)提水。只要河流不息,則提水不止,晝夜灌溉不停。王禎對(duì)此以詩(shī)贊曰:誰(shuí)知人機(jī)盜天巧,因憑水力貸疲民。

圖10

2.3.2 筒車

筒車是一種汲水工具,在明代宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》和徐光啟的《農(nóng)政全書(shū)》中均有詳細(xì)記載,它是我國(guó)古代勞動(dòng)人民的又一智慧結(jié)晶。

在《農(nóng)政全書(shū)》中可以找到筒車的插圖(圖11),筒車兩側(cè)的輪框是直徑略有差異的同心圓,并非等圓。[6]兩輪框之間安裝等間距的竹筒和板片,竹筒略有傾斜,筒口安裝在小圓的一側(cè)。筒車在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng),由于筒口始終距離轉(zhuǎn)軸更近,所以當(dāng)竹筒在下方打水時(shí),筒口朝上,河水自動(dòng)灌入筒中。而當(dāng)竹筒轉(zhuǎn)到較高處時(shí),筒口開(kāi)始朝下,筒內(nèi)之水便可傾入筒口下方事先安置好的水槽里。由于每一個(gè)竹筒的安裝角度、筒口形狀都相同,所以每個(gè)竹筒都會(huì)在同一位置將水倒出。這樣便實(shí)現(xiàn)了用流水驅(qū)動(dòng)筒車,自動(dòng)將河水送至高處,再通過(guò)水槽引導(dǎo),將提上來(lái)的水源源不斷地輸送至附近農(nóng)田,“晝夜不息,百畝無(wú)憂。”[3]筒車工作時(shí)主要是將河水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為筒車的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能以及竹筒內(nèi)所裝水的重力勢(shì)能。如果遇到雨季,不用提水灌溉時(shí),只需用木栓卡住筒車,阻止其轉(zhuǎn)動(dòng)便可。前文所述的水輪動(dòng)力裝置,都是用類似的方法暫停工作的。

圖11

2.4 其他古代水力機(jī)械

我國(guó)古代圍繞水能利用的發(fā)明遠(yuǎn)不止以上幾例。在冶金領(lǐng)域,用來(lái)鼓風(fēng)入爐,促進(jìn)燃燒的皮橐換用水力驅(qū)動(dòng)之后,就改進(jìn)為水排?！芭拧笔侵笇⒍鄠€(gè)皮橐排列起來(lái),對(duì)同一座煉爐進(jìn)行多管鼓風(fēng)。由此可見(jiàn),水能的應(yīng)用促進(jìn)了單管鼓風(fēng)向多管鼓風(fēng)轉(zhuǎn)變,極大地提高了冶金效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

此外,在紡織領(lǐng)域,古人發(fā)明了水轉(zhuǎn)紡車;在天文領(lǐng)域,有水運(yùn)渾天儀、水運(yùn)儀象臺(tái)等。

3 我國(guó)古代機(jī)械發(fā)明在教學(xué)中的運(yùn)用

3.1 為知識(shí)應(yīng)用提供現(xiàn)實(shí)案例

我國(guó)古代農(nóng)業(yè)機(jī)械涵含著豐富的物理知識(shí),如杠桿、輪軸、動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化、功能關(guān)系等。學(xué)習(xí)完相關(guān)知識(shí)后,可以通過(guò)觀看古代農(nóng)業(yè)機(jī)械,請(qǐng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí),解釋其中原理,體會(huì)其中妙處。

3.2 為綜合實(shí)踐活動(dòng)打開(kāi)思路

面對(duì)蘇科版教材第11章綜合實(shí)踐活動(dòng)“設(shè)計(jì)、制作一個(gè)機(jī)械模型”,學(xué)生往往因缺乏生活經(jīng)驗(yàn),難以跳出習(xí)題思路的“禁錮”,鮮有創(chuàng)新。在教學(xué)中引入古代機(jī)械的相關(guān)視頻,簡(jiǎn)單介紹平時(shí)教學(xué)中沒(méi)有涉及的動(dòng)力裝置(如水輪、風(fēng)車等)和傳動(dòng)裝置(如同軸傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)等),可以幫助學(xué)生拓寬眼界,打開(kāi)思路,激發(fā)他們的創(chuàng)造熱情和潛能。

3.3 為跨學(xué)科實(shí)踐提供主線

跨學(xué)科實(shí)踐也是課標(biāo)中的一級(jí)主題,目前在實(shí)踐方面,相對(duì)于其他四個(gè)主題來(lái)說(shuō),成熟案例較少。研究古代農(nóng)業(yè)機(jī)械,為物理跨學(xué)科實(shí)踐課程的研發(fā)提供了優(yōu)秀素材。農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)明創(chuàng)造史與歷史學(xué)科相關(guān),農(nóng)業(yè)機(jī)械的因地制宜與地理學(xué)科相關(guān),古代農(nóng)業(yè)著作的翻譯與語(yǔ)文學(xué)科相關(guān),根據(jù)所收集的資料進(jìn)行繪圖與美術(shù)學(xué)科相關(guān),模型的制作與勞技學(xué)科相關(guān)……

3.4 為課程思政提供優(yōu)秀素材

通過(guò)研究我國(guó)古代杰出的發(fā)明創(chuàng)造,可以幫助學(xué)生樹(shù)立文化自信;通過(guò)挖掘我國(guó)古代輝煌的文明成果,可以引導(dǎo)學(xué)生思考國(guó)家的未來(lái)與自身肩負(fù)的使命,自覺(jué)地將個(gè)人的前途同國(guó)家的命運(yùn)相聯(lián)系,樹(shù)立遠(yuǎn)大理想,成為全面發(fā)展的社會(huì)主義事業(yè)的建設(shè)者和接班人。

致謝

文中的圖1、圖2、圖5、圖9分別由筆者的學(xué)生俞虹璟、張靖澤、周樟宸、徐子君繪制,在此向四位同學(xué)表示感謝!