中國古代物理學史在初中物理教學中的應用研究

白楚楚　李奇云

摘 要｜對中國古代物理學史進行研究與分析，發現其中蘊含大量初中物理教學資源，本文分別從力、熱、聲、光、電與磁五個方面給出典型的案例，分析怎樣將史料資源運用到初中物理教學中。本文旨在從中國古代物理學史的角度思考怎樣使課堂更具有吸引力，在了解傳統文化發展史的過程中提高學生分析問題、解決問題的能力，并且發展學生綜合運用所學知識的能力，加深物理與生活實際的聯系。

關鍵詞｜中國古代物理學史；物理教學；課程資源

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1 引言

習近平總書記在慶祝中國共產黨成立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程標準》（2017年版2020年修訂）中也明確指出，“課程內容落實習近平新時代中國特色社會主義思想，有機融入中華優秀傳統文化”［1］。中國古代傳統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史中就蘊含著豐富的教學資源。

整理分析中國古代物理學史中蘊含的初中物理教學資源，一方面能使學生更全面地了解我國古代傳統文化，古為今用；另一方面，通過分析物理學的發展史及古代先賢的智慧，有助于學生了解古人做出的偉大貢獻，培養學生的民族文化自信，為建設科技強國和文化強國培養后備軍。希望通過研究中國古代物理學史中蘊含的課程資源，加深青少年學習物理的興趣，從中國古代科技發展史中找到與物理知識的聯系，發揮物理學史促進學生整合物理概念、理解科學本質的教育作用

2 中國古代物理學史資源在初中物理教學中的應用原則

2.1 基于物理教學的需要

開發與研究物理學史中的物理教學資源必須依托物理學科教學的需要來進行，以促進學生的物理學科核心素養的發展為前提。將中國古代物理學史應用于中學物理教學中，幫助學生學習知識的同時，通過對傳統文化的了解，也培養了學生的科學態度與責任，從物理教學的特點出發，讓學生在對傳統文化、日常生活的了解中更好地學習物理知識。

2.2 以學生為本，促進學生全面發展

開發物理課程資源需要從學生的生活實際出發，以他們的理解能力、認知基礎、認識水平為基礎。本文從中國古代物理學史出發，發掘與其相關的物理知識，并將這些知識以學生感興趣的方式呈現出來，以探究活動、自制教具等方式展現，從而激發學生的學習興趣，促進學生全面發展。

2.3 趣味性原則

初中階段的學生具有一定的科學探索精神，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用仍停留在感性認識上，抽象思維能力較弱，需要教師重點引導。因此，將中國古代物理學史作為物理教學資源時，需要考慮初中學生的心理特點，采用多種多樣的形式吸引學生的學習興趣，如圖片、影像資料等，巧妙地將物理學史滲透進初中物理課堂中［2］。

3 中國古代物理學史資源在初中物理教學中的應用案例分析

3.1 中國古代物理學史光學資源

借史化難，幫助理解——以《光的直線傳播》為例

以古代“圭表”判斷二十四節氣的素材引導學生學習《光的直線傳播》。

早在春秋戰國時代，中國古代勞動人民就已經能用土圭（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、秋分四個節氣［3］?！巴凉纭崩昧斯庋刂本€傳播的原理，在冬至、夏至、春分、秋分四個節氣日，由于太陽直射地球的位置不同，正午時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，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］。

課程資源應用思路：

制作“圭表”；聯系物理與地理——根據圭表區分季節；光沿直線傳播，不同時間在地面上形成的影子的長度不同，根據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、節氣與光沿直線傳播的原理相結合。

【設計意圖】借助古代“立桿測影”的史實，將其背后的原理——光沿直線傳播應用到相應章節的教學中，豐富課堂的同時幫助學生理解知識。

創設情境、引入課堂——以《光沿直線傳播》為例

以沈括在《夢溪筆談》中關于光現象的表述引導學生學習《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，影子隨著鷹飛而移動，如果鷹和影子之間有一個小孔，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］。

課程資源應用思路：

此內容可用于初中物理《光沿直線傳播》的課前引入部分。在學習本節內容之前，向同學們展示這一物理學史的內容并提問：

（1）通過這則材料你發現了什么？

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

接下來引導學生分析正反兩種情況的不同，發現是中間有一個小孔時，影子會與其本身相反，進而吸引學生的學習興趣，引入新課——光沿直線傳播。

【設計意圖】引入沈括在《夢溪筆談》的記錄，創設情境“為什么老鷹在空中飛行時，影子和本身是相反的？”引入課堂。

3.2 中國古代物理學史聲學資源

深化拓展——以《聲音的產生》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，是因為有氣在嗓子眼中，再加上舌頭的運動，嘴巴的開合，共同作用才能發出聲音。學生在學習《聲音的產生》之后進行分析，會發現“聲音的產生是由于舌頭、嘴的運動”這一說法并不是完全正確的，只看到了發聲的表面現象，未探究到其中的本質。

古人通過對生活現象的歸納、總結發現了發聲現象的規律，雖然未探究到發聲現象的實質，但是他們的探究精神值得學習，進而對學生進行科學態度與責任的教育，鼓勵他們在學習中也能有探究精神，去發現生活中的物理現象，并且通過推導、分析，關注到物理現象背后的本質。

課程資源應用思路：

此內容可以應用于初中物理《聲音的產生》的教學中，在講解了聲音產生的原因之后，可將此內容作為拓展部分，讓學生判斷王充在《論衡》中的說法是否正確，向學生提問：

（1）王充的表述是否正確？原因是什么？

（2）能否用本節所學內容解釋聲帶發聲的原因？

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

【設計意圖】學生在理解聲音產生的原因之后，引入王充在《論衡》中關于聲現象的表述，運用所學知識分析這一表述是否正確，深化對于發聲原因的理解。

3.3 中國古代物理學史力學資源

聯系生活、活學活用——以《液體壓強》為例

中國古代東漢時期，一項名為“渴烏”的灌溉裝置開始使用。這一裝置利用了虹吸管的原理，在農業生產、軍事、建筑等方面中都有廣泛的應用。虹吸管的構造簡單明了，由一段彎曲的管道組成。當水存在一定高度差時，利用虹吸效應，能夠跨越這一落差，并將水引導另一側地方。

課程資源應用思路：

這一物理學史的資源可用于初中物理《大氣壓強》《液體壓強》的教學中，讓學生運用所學壓強的相關知識分析“渴烏”的原理是什么。另外，聯系日常生活中虹吸效應的應用，引導學生思考，怎樣利用管子把油導出來？結合“渴烏”的原理，只需將管子的一端插入油桶內，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。

【設計意圖】通過分析古代灌溉裝置“渴烏”的科學原理，增強學生對于中國古代科技的了解，在此基礎上，運用液體壓強的知識解釋“渴烏”引水的原理，既是對本節內容的深化和提升，也有助于培養學生舉一反三、活學活用的能力。

3.4 中國古代物理學史熱學資源

深化拓展——以《汽化和液化》為例

唐宋時期，成都的工匠發明了“省油燈”。古代點油燈照明，然而點燃的油燈除了發光也產生熱量使燈油升溫，加快燈油蒸發導致浪費。為了解決這個問題，有智慧的成都工匠在油燈的側面增加了一個小口，可以用來加水，還在油燈內部設計了一個夾層，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，達到節約燃料的效果。

課程資源應用思路：

此內容可以應用于初中物理《汽化和液化》的教學中，補充在課后拓展的部分，學生運用汽化的知識分析為什么省油燈能“省油”？接著通過引導學生分析省油燈的原理：中間有一個夾層，夾層中加水可以吸熱，汽化與溫度相關，溫度降低時汽化的速度會減慢。

【設計意圖】通過對省油燈原理的理解，讓學生了解我國古代傳統文化中的物理知識，學習古人的智慧與探究精神。

設置疑問、吸引興趣——以《熱現象》為例

漢代著作《淮南萬畢術》中記載了這樣一個現象：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，這時銅甕會發出如雷鳴般的響聲［7］。這是因為發熱的物體在迅速冷卻時內部發生破裂，是熱脹冷縮學習的典型例子。公元前250年，秦朝水利專家李冰在修建都江堰時，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。

課程資源應用思路：

以上兩個內容可用于初中物理《熱現象》的課前引入環節中，向學生提問。

（1）從上面三個現象中，你發現了什么？

（2）為什么發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的事例？

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

【設計意圖】中國古代熱脹冷縮原理的實踐不僅展示了工匠的智慧和高超技藝，也為今天的科技進步提供了啟示。在教學中通過兩個熱現象的事例設置疑問，吸引學生的學習興趣，同時培養學生的民族自豪感［8］。

3.5 中國古代物理學史電磁學資源

知識拓展、深化理解——以《電現象》為例

古代建筑的屋脊有一個仰起的龍頭，龍頭中有一根曲折的金屬舌頭伸向天空，龍舌連著一根細鐵絲直接延伸到地底。其作用是當雷電擊中屋檐時，電流會沿著龍舌沿線被引導到地底，從而避免建筑物被雷電擊毀。武當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計，其精巧的結構起到了避雷針的作用［9］。

課程資源應用思路：

以上兩個內容可用于初中物理《電現象》的課后拓展環節中，通過講述古代建筑的特征，引導學生運用所學知識分析其中緣由，對學生進行安全教育。建立生活與物理的聯系，幫助學生用物理知識解決生活中遇到的問題，同時也使學生了解古代房屋的建筑特點，增強文化自信。

【設計意圖】通過對古代建筑特點的分析，學生學會運用電現象的知識解釋古代建筑屋頂的設計，了解古代科技的發展。

4 結論

豐富璀璨的中國古代物理學史為我們提供綿綿不斷的文化自信力量［10］。因此在中學物理教學的過程中，可以挖掘中國古代物理學史中的課程資源，并將其轉化成合適的形式融入教學中去，一方面有助于培養學生學習物理的興趣，同時也為教學提供便利，加深物理與生活實際的聯系。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］．北京：人民教育出版社，2020．

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

［3］楊春竹，張東海，段瑩．二十四節氣：生活里的氣候密碼［J］．大眾科學，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史的初中物理教學資源挖掘與利用［D］．昆明：云南師范大學，2022．

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

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

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

［9］胡澤芹．中國古代科學技術在中學物理教學中的應用研究［D］．武漢：華中師范大學，2018．

［10］高岱亮．基于物理學史視角下的初中物理德育因素的挖掘與案例分析［J］．中學物理，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