中國古代物理學(xué)史在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究

白楚楚　李奇云

摘 要｜對中國古代物理學(xué)史進(jìn)行研究與分析，發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含大量初中物理教學(xué)資源，本文分別從力、熱、聲、光、電與磁五個(gè)方面給出典型的案例，分析怎樣將史料資源運(yùn)用到初中物理教學(xué)中。本文旨在從中國古代物理學(xué)史的角度思考怎樣使課堂更具有吸引力，在了解傳統(tǒng)文化發(fā)展史的過程中提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，并且發(fā)展學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，加深物理與生活實(shí)際的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞｜中國古代物理學(xué)史；物理教學(xué)；課程資源

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1 引言

習(xí)近平總書記在慶祝中國共產(chǎn)黨成立95周年大會上提出“文化自信是最基本、最深沉、最持久的力量”?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）中也明確指出，“課程內(nèi)容落實(shí)習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會主義思想，有機(jī)融入中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化”［1］。中國古代傳統(tǒng)文化根植于幾千年的歷史長河中，我國古代也有著輝煌的科技成就，作為其分支之一的中國古代物理學(xué)史中就蘊(yùn)含著豐富的教學(xué)資源。

整理分析中國古代物理學(xué)史中蘊(yùn)含的初中物理教學(xué)資源，一方面能使學(xué)生更全面地了解我國古代傳統(tǒng)文化，古為今用；另一方面，通過分析物理學(xué)的發(fā)展史及古代先賢的智慧，有助于學(xué)生了解古人做出的偉大貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的民族文化自信，為建設(shè)科技強(qiáng)國和文化強(qiáng)國培養(yǎng)后備軍。希望通過研究中國古代物理學(xué)史中蘊(yùn)含的課程資源，加深青少年學(xué)習(xí)物理的興趣，從中國古代科技發(fā)展史中找到與物理知識的聯(lián)系，發(fā)揮物理學(xué)史促進(jìn)學(xué)生整合物理概念、理解科學(xué)本質(zhì)的教育作用

2 中國古代物理學(xué)史資源在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用原則

2.1 基于物理教學(xué)的需要

開發(fā)與研究物理學(xué)史中的物理教學(xué)資源必須依托物理學(xué)科教學(xué)的需要來進(jìn)行，以促進(jìn)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展為前提。將中國古代物理學(xué)史應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)知識的同時(shí)，通過對傳統(tǒng)文化的了解，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從物理教學(xué)的特點(diǎn)出發(fā)，讓學(xué)生在對傳統(tǒng)文化、日常生活的了解中更好地學(xué)習(xí)物理知識。

2.2 以學(xué)生為本，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展

開發(fā)物理課程資源需要從學(xué)生的生活實(shí)際出發(fā)，以他們的理解能力、認(rèn)知基礎(chǔ)、認(rèn)識水平為基礎(chǔ)。本文從中國古代物理學(xué)史出發(fā)，發(fā)掘與其相關(guān)的物理知識，并將這些知識以學(xué)生感興趣的方式呈現(xiàn)出來，以探究活動、自制教具等方式展現(xiàn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

2.3 趣味性原則

初中階段的學(xué)生具有一定的科學(xué)探索精神，具備一定的觀察能力、邏輯思維能力和分析歸納能力，但對于物理知識的理解與運(yùn)用仍停留在感性認(rèn)識上，抽象思維能力較弱，需要教師重點(diǎn)引導(dǎo)。因此，將中國古代物理學(xué)史作為物理教學(xué)資源時(shí)，需要考慮初中學(xué)生的心理特點(diǎn)，采用多種多樣的形式吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如圖片、影像資料等，巧妙地將物理學(xué)史滲透進(jìn)初中物理課堂中［2］。

3 中國古代物理學(xué)史資源在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用案例分析

3.1 中國古代物理學(xué)史光學(xué)資源

借史化難，幫助理解——以《光的直線傳播》為例

以古代“圭表”判斷二十四節(jié)氣的素材引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)《光的直線傳播》。

早在春秋戰(zhàn)國時(shí)代，中國古代勞動人民就已經(jīng)能用土圭（在平面上豎一根桿子）來測量正午太陽影子的長短，并且以此確定冬至、夏至、春分、秋分四個(gè)節(jié)氣［3］。“土圭”利用了光沿直線傳播的原理，在冬至、夏至、春分、秋分四個(gè)節(jié)氣日，由于太陽直射地球的位置不同，正午時(shí)分投射在地面上的影子的長度也會有差別。由于我國主要位于北回歸線以北，冬至日時(shí)，正午太陽高度最低，影子最長，夏至日則相反，正午太陽高度最高，影子最短［4］。

課程資源應(yīng)用思路：

制作“圭表”；聯(lián)系物理與地理——根據(jù)圭表區(qū)分季節(jié)；光沿直線傳播，不同時(shí)間在地面上形成的影子的長度不同，根據(jù)這一原理可以制作教具圭表在《光的直線傳播》一課中，將地理知識、節(jié)氣與光沿直線傳播的原理相結(jié)合。

【設(shè)計(jì)意圖】借助古代“立桿測影”的史實(shí)，將其背后的原理——光沿直線傳播應(yīng)用到相應(yīng)章節(jié)的教學(xué)中，豐富課堂的同時(shí)幫助學(xué)生理解知識。

創(chuàng)設(shè)情境、引入課堂——以《光沿直線傳播》為例

以沈括在《夢溪筆談》中關(guān)于光現(xiàn)象的表述引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)《光的直線傳播》。

沈括在《夢溪筆談》中寫到：“若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗所束，則影與鳶相違，又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂?！保?］這句話描述了這樣的場景：老鷹在空中飛行時(shí)，影子隨著鷹飛而移動，如果鷹和影子之間有一個(gè)小孔，那么小孔會約束透過的光線，使得影子的方向與老鷹本身的方向相反。此段話的原理是：如果沒有東西阻礙，鷹投射到地面的影子與其本身飛行的方向是一致的，如果受到窗戶縫隙的阻礙，則鷹的投影與它的飛行方向相反［6］。

課程資源應(yīng)用思路：

此內(nèi)容可用于初中物理《光沿直線傳播》的課前引入部分。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，向同學(xué)們展示這一物理學(xué)史的內(nèi)容并提問：

（1）通過這則材料你發(fā)現(xiàn)了什么？

（2）嘗試根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)來猜測：為什么老鷹和它的影子中間有阻礙時(shí)，投影與它本身相反呢？

接下來引導(dǎo)學(xué)生分析正反兩種情況的不同，發(fā)現(xiàn)是中間有一個(gè)小孔時(shí)，影子會與其本身相反，進(jìn)而吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引入新課——光沿直線傳播。

【設(shè)計(jì)意圖】引入沈括在《夢溪筆談》的記錄，創(chuàng)設(shè)情境“為什么老鷹在空中飛行時(shí)，影子和本身是相反的？”引入課堂。

3.2 中國古代物理學(xué)史聲學(xué)資源

深化拓展——以《聲音的產(chǎn)生》為例

王充在《論衡》中寫道：“生人所以言語吁呼者，氣括口喉之中，動搖其舌，張傲其口，故能成言?！边@句話的意思是：人之所以能說話，是因?yàn)橛袣庠谏ぷ友壑?，再加上舌頭的運(yùn)動，嘴巴的開合，共同作用才能發(fā)出聲音。學(xué)生在學(xué)習(xí)《聲音的產(chǎn)生》之后進(jìn)行分析，會發(fā)現(xiàn)“聲音的產(chǎn)生是由于舌頭、嘴的運(yùn)動”這一說法并不是完全正確的，只看到了發(fā)聲的表面現(xiàn)象，未探究到其中的本質(zhì)。

古人通過對生活現(xiàn)象的歸納、總結(jié)發(fā)現(xiàn)了發(fā)聲現(xiàn)象的規(guī)律，雖然未探究到發(fā)聲現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)，但是他們的探究精神值得學(xué)習(xí)，進(jìn)而對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的教育，鼓勵他們在學(xué)習(xí)中也能有探究精神，去發(fā)現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象，并且通過推導(dǎo)、分析，關(guān)注到物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)。

課程資源應(yīng)用思路：

此內(nèi)容可以應(yīng)用于初中物理《聲音的產(chǎn)生》的教學(xué)中，在講解了聲音產(chǎn)生的原因之后，可將此內(nèi)容作為拓展部分，讓學(xué)生判斷王充在《論衡》中的說法是否正確，向?qū)W生提問：

（1）王充的表述是否正確？原因是什么？

（2）能否用本節(jié)所學(xué)內(nèi)容解釋聲帶發(fā)聲的原因？

（3）通過分析王充在《論衡》中的表述，你有什么感想？對于物理的學(xué)習(xí)有什么收獲？

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生在理解聲音產(chǎn)生的原因之后，引入王充在《論衡》中關(guān)于聲現(xiàn)象的表述，運(yùn)用所學(xué)知識分析這一表述是否正確，深化對于發(fā)聲原因的理解。

3.3 中國古代物理學(xué)史力學(xué)資源

聯(lián)系生活、活學(xué)活用——以《液體壓強(qiáng)》為例

中國古代東漢時(shí)期，一項(xiàng)名為“渴烏”的灌溉裝置開始使用。這一裝置利用了虹吸管的原理，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、建筑等方面中都有廣泛的應(yīng)用。虹吸管的構(gòu)造簡單明了，由一段彎曲的管道組成。當(dāng)水存在一定高度差時(shí)，利用虹吸效應(yīng)，能夠跨越這一落差，并將水引導(dǎo)另一側(cè)地方。

課程資源應(yīng)用思路：

這一物理學(xué)史的資源可用于初中物理《大氣壓強(qiáng)》《液體壓強(qiáng)》的教學(xué)中，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)壓強(qiáng)的相關(guān)知識分析“渴烏”的原理是什么。另外，聯(lián)系日常生活中虹吸效應(yīng)的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生思考，怎樣利用管子把油導(dǎo)出來？結(jié)合“渴烏”的原理，只需將管子的一端插入油桶內(nèi)，用嘴吸出管中空氣，并將另一端置于較低的位置，油桶中的油就會流出來。

【設(shè)計(jì)意圖】通過分析古代灌溉裝置“渴烏”的科學(xué)原理，增強(qiáng)學(xué)生對于中國古代科技的了解，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用液體壓強(qiáng)的知識解釋“渴烏”引水的原理，既是對本節(jié)內(nèi)容的深化和提升，也有助于培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、活學(xué)活用的能力。

3.4 中國古代物理學(xué)史熱學(xué)資源

深化拓展——以《汽化和液化》為例

唐宋時(shí)期，成都的工匠發(fā)明了“省油燈”。古代點(diǎn)油燈照明，然而點(diǎn)燃的油燈除了發(fā)光也產(chǎn)生熱量使燈油升溫，加快燈油蒸發(fā)導(dǎo)致浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，有智慧的成都工匠在油燈的側(cè)面增加了一個(gè)小口，可以用來加水，還在油燈內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)夾層，往夾層中注入冷水。由于冷水會吸收熱量，給燈油降溫，從而能夠減少燈油的蒸發(fā)，達(dá)到節(jié)約燃料的效果。

課程資源應(yīng)用思路：

此內(nèi)容可以應(yīng)用于初中物理《汽化和液化》的教學(xué)中，補(bǔ)充在課后拓展的部分，學(xué)生運(yùn)用汽化的知識分析為什么省油燈能“省油”？接著通過引導(dǎo)學(xué)生分析省油燈的原理：中間有一個(gè)夾層，夾層中加水可以吸熱，汽化與溫度相關(guān)，溫度降低時(shí)汽化的速度會減慢。

【設(shè)計(jì)意圖】通過對省油燈原理的理解，讓學(xué)生了解我國古代傳統(tǒng)文化中的物理知識，學(xué)習(xí)古人的智慧與探究精神。

設(shè)置疑問、吸引興趣——以《熱現(xiàn)象》為例

漢代著作《淮南萬畢術(shù)》中記載了這樣一個(gè)現(xiàn)象：銅甕中裝滿水，加熱至水沸騰，然后迅速封閉甕口，急速下沉至井中，這時(shí)銅甕會發(fā)出如雷鳴般的響聲［7］。這是因?yàn)榘l(fā)熱的物體在迅速冷卻時(shí)內(nèi)部發(fā)生破裂，是熱脹冷縮學(xué)習(xí)的典型例子。公元前250年，秦朝水利專家李冰在修建都江堰時(shí)，為了鑿開山石，他先用火燒石頭，燒熱后迅速澆冷水，這樣處理過的石頭更容易被鑿開。

課程資源應(yīng)用思路：

以上兩個(gè)內(nèi)容可用于初中物理《熱現(xiàn)象》的課前引入環(huán)節(jié)中，向?qū)W生提問。

（1）從上面三個(gè)現(xiàn)象中，你發(fā)現(xiàn)了什么？

（2）為什么發(fā)熱的銅甕在急速冷卻之后會破裂？試著猜測其中的原因。

（3）巨大的山石為什么先燒熱后澆水之后，會容易鑿開？

（4）能否舉出生活中相關(guān)的事例？

（5）溫度計(jì)是我們最熟悉的一種利用熱脹冷縮原理工作的儀器，能否解釋溫度計(jì)的工作原理？

【設(shè)計(jì)意圖】中國古代熱脹冷縮原理的實(shí)踐不僅展示了工匠的智慧和高超技藝，也為今天的科技進(jìn)步提供了啟示。在教學(xué)中通過兩個(gè)熱現(xiàn)象的事例設(shè)置疑問，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感［8］。

3.5 中國古代物理學(xué)史電磁學(xué)資源

知識拓展、深化理解——以《電現(xiàn)象》為例

古代建筑的屋脊有一個(gè)仰起的龍頭，龍頭中有一根曲折的金屬舌頭伸向天空，龍舌連著一根細(xì)鐵絲直接延伸到地底。其作用是當(dāng)雷電擊中屋檐時(shí)，電流會沿著龍舌沿線被引導(dǎo)到地底，從而避免建筑物被雷電擊毀。武當(dāng)山主峰峰頂有一座金殿，已有500多年的歷史，盡管金殿高聳于峰巔，但從沒有受過雷擊。這座金殿是由全銅建造而成，頂部的脊飾有著特殊的設(shè)計(jì)，其精巧的結(jié)構(gòu)起到了避雷針的作用［9］。

課程資源應(yīng)用思路：

以上兩個(gè)內(nèi)容可用于初中物理《電現(xiàn)象》的課后拓展環(huán)節(jié)中，通過講述古代建筑的特征，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析其中緣由，對學(xué)生進(jìn)行安全教育。建立生活與物理的聯(lián)系，幫助學(xué)生用物理知識解決生活中遇到的問題，同時(shí)也使學(xué)生了解古代房屋的建筑特點(diǎn)，增強(qiáng)文化自信。

【設(shè)計(jì)意圖】通過對古代建筑特點(diǎn)的分析，學(xué)生學(xué)會運(yùn)用電現(xiàn)象的知識解釋古代建筑屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)，了解古代科技的發(fā)展。

4 結(jié)論

豐富璀璨的中國古代物理學(xué)史為我們提供綿綿不斷的文化自信力量［10］。因此在中學(xué)物理教學(xué)的過程中，可以挖掘中國古代物理學(xué)史中的課程資源，并將其轉(zhuǎn)化成合適的形式融入教學(xué)中去，一方面有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，同時(shí)也為教學(xué)提供便利，加深物理與生活實(shí)際的聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)

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［2］楊丁晨，王修齊，彭朝陽．中國古代物理學(xué)史在初中物理教學(xué)中的教育意義及現(xiàn)狀研究［J］．中學(xué)物理，2023，41（20）：62-65．

［3］楊春竹，張東海，段瑩．二十四節(jié)氣：生活里的氣候密碼［J］．大眾科學(xué)，2017（3）：10-13．

［4］歐建文，熊慧，朱昌勇．圭表測距：從初中物理第一課說起［J］．物理教師，2023，44（9）：49-50．

［5］夏歡．基于中國古代物理學(xué)史的初中物理教學(xué)資源挖掘與利用［D］．昆明：云南師范大學(xué)，2022．

［6］夏歡，姚蕊，榮爭輝，等．用中國古代物理學(xué)史助力物理教學(xué)［J］．物理通報(bào)，2021（9）：4．

［7］劉通，羅茜．探析中國物理學(xué)史料在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中學(xué)物理，2020，38（8）：61-64．

［8］馬草原．課程思政在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．高考，2022（34）：138-140．

［9］胡澤芹．中國古代科學(xué)技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］．武漢：華中師范大學(xué)，2018．

［10］高岱亮．基于物理學(xué)史視角下的初中物理德育因素的挖掘與案例分析［J］．中學(xué)物理，2019，37（12）：60-63．

Application Research of Ancient Chinese Physics History in Junior High School Physics Teaching

Bai Chuchu Li Qiyun

School of Physics and Electronic Science， Hunan University of Science and Technology， Yueyang

Abstract： Through the research and analysis of the history of ancient Chinese physics， it is found that there are a lot of junior middle school physics teaching resources. This paper gives typical cases from five aspects： force， heat， sound， light， electricity and magnetism， and analyzes how to apply historical resources to junior middle school physics teaching. This paper aims to think how to make the classroom more attractive from the perspective of the history of ancient Chinese physics， improve students’ ability to analyze and solve problems in the process of understanding the history of traditional culture， and develop students’ ability to integrate what they have learned， and deepen the connection between physics and real life.

Key words： History of ancient Chinese physics; Physics teaching; Curriculum resources