來都江堰，解密一堂“最杰出的應用物理課”

○成都理工大學數理學院 陳妙珂

家庭實驗室全國協作學校共同體聯盟總部 陳 耀

外江排洪，內江流入成都平原引水灌溉

前言

都江堰，位于四川省都江堰市城西，坐落在成都平原西部的岷江上，是由渠首樞紐（魚嘴、飛沙堰、寶瓶口灌區）、各級引水渠道、各類工程建筑物、大中小型水庫和塘堰等構成的一個龐大的工程系統。它擔負著四川盆地1130 余萬畝農田的灌溉、城市生活供水等功能。

秦昭王后期（約公元前276年—公元前251年），蜀郡守李冰總結了前人治水的經驗，組織岷江兩岸人民，修建都江堰。其中妙絕天下的飛沙堰工程修建于唐代。

都江堰是當今世界年代久遠、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程。它充分利用當地西北高、東南低的地理條件進行建造。經過歷代整修，兩千多年來，一直發揮著巨大的作用。

如果給孩子們設計一個古代的工程遺址科考線路，都江堰無疑應該是排在前面的。都江堰實在是太杰出，以至于我們完成都江堰的科考活動6 年了都不敢寫下來。

為什么不敢寫？因為里面的科學原理，在今天看來都仍然令人拍案叫絕。我們的老祖先在幾千年前居然就會對物理學原理進行運用。那個時候應該還沒有熱脹冷縮的概念，但是卻把熱脹冷縮的原理運用到巧奪天工；到了唐代再次修繕時，應該還沒有離心力的說法，但是卻把離心力的原理運用到天衣無縫！

這樣的工程是我們后來人必須要“頂禮膜拜”的！

其實，我們團隊在十多年前就多次去踩點都江堰。剛開始連我們自己都一頭霧水，去了好幾次后終于摸清楚了門道。這期間，我們還發現一個很奇怪的現象，就是游人們游玩的時間都很短，基本上就是去拍拍照，完成打卡就出來，所以導游們會說基本上半個小時到一個小時之間就可以完成游覽！

沖著都江堰世界文化遺產、世界自然遺產、世界灌溉工程遺產三大世界級遺產的金名片，來到都江堰，怎么能一知半解地游覽、一知半解地拍照就完了呢？我們覺得應該要設計一個高質量的融合科考課程。

NO.1 如何設計高質量的都江堰課程

對于我們這些成人，看了都江堰都覺得很燒腦，要是孩子們進入都江堰景區，估計只能是莫名其妙了，因此，如何設計都江堰高質量科考課程，成了我們攻堅的任務，以至于我們在科考前做了很多準備，數次來到這里實地探訪。

隨著探訪次數的增加，我們對都江堰的理解，從最初的欣賞，到了最終的敬畏。所以我們在設計課程時，從探究名字開始。

都江堰最初的名字并不叫都江堰，秦蜀郡太守李冰建堰初期，都江堰名叫“湔堋”。這是因為都江堰旁的玉壘山，秦漢以前叫湔山，而那時都江堰周圍的主要居住民族是氐羌人，他們把堰叫做“堋”，于是都江堰就有了“湔堋”之名。

三國蜀漢時期，都江堰地區設置都安縣，因縣得名，都江堰又稱“都安堰”。至唐代，改稱為“楗尾堰”。直至宋代，在宋史中，才第一次提到都江堰。

“堰”這個字，也有名堂——堰指的是較低的擋水構筑物，作用是提高上游水位，便利灌溉和航運。

在我們的初步設想中，首先是探究名字的來歷，通過名字弄清楚歷史和對后世的影響。這些任務在出發前讓大家進行研究，通過演講會形式進行交流。

在都江堰科考過程中，重點放在飛沙堰和寶瓶口，在現場進行科學實驗，結合現場實驗，探究古人的科學思想。特別是都江堰背后的契合于“因勢利導”的哲學思想。

NO.2 科學老師們設計的歷史課

經過幾年的準備，我們的科考都江堰團隊終于出發了。

進了景區，首先安排大朋友小朋友們給李冰等建造者們的雕像三鞠躬，之后大家找地方召開演講會。我們發現，孩子們的演講水平不比導游差，一個個引經據典，娓娓道來。

第一組演講主題：為什么要建造都江堰？

公元前280年，大將司馬錯集齊10萬人馬，率領一萬艘戰船從岷江上游出發，南下攻打楚國，在奪取了楚國的商於（今重慶涪陵）之后，軍隊卻因為糧草和兵馬不能及時補充，在商於陷入了癱瘓，無法繼續深入楚國。因為當時訓練士兵，打造兵器，征集軍需物資，主要是在成都，可是造船和起運卻要在岷江上游的汶山進行，兵馬從成都到岷江運輸碼頭至少要經過50多公里的陸路行進，這樣一來就很難在作戰中及時地補充兵源和物資。所以需要把岷江改道，引水經過成都，使其真正成為一條戰爭補給線……

孩子們的講述，引發了大家對建造都江堰原因的討論，有些人認為是為了農業生產才建造的都江堰，有些人認為是因為軍事原因才建造的。

這種對歷史事件的討論和質疑是非常重要的，加深了大家對都江堰的認識，比聽導游人云亦云的講解強多了。

第二組演講主題：燒石開山建造寶瓶口。

要把岷江水引入成都平原，需要在玉壘山上開出一個分水口——也就是后來的寶瓶口。寶瓶口修建時，由于那時還未發明炸藥，必須采用人工開山的辦法，但是人工開鑿很難，于是人們想到了“熱脹冷縮原理”——用火燒石，利用熱脹冷縮的原理加快工程進度，這是一個很了不起的科學方法。

有了寶瓶口，岷江一分為二，可以分一部分江水向東，灌溉成都平原……

這些演講，讓大家對都江堰建立起了初步的認知！

在科學課的教學中，往往忽略了歷史課的功能，科學課與歷史課的結合，能夠給受眾產生更大的教育價值。

NO.3 飛沙堰的科學課

如果沒有課程的引導，大家來到飛沙堰，應該是不會多看幾眼的，因為這里從表面上看，是非常普通的。我們帶著小朋友們和家長們來到這里的時候，看到游客們大多也就是拍個照片，就繼續向前走了，停留時間不會超過幾分鐘，但是我們在這里停留了一個多小時。我們讓孩子們仔細觀察飛沙堰有什么特點，結果居然有人發現飛沙堰是凹槽結構。

這是因為寶瓶口很狹窄，在汛期，內江的水位很高，高出來的水從飛沙堰漫過去，流回到外江，保證了不會淹沒成都平原。

接下來，我們就讓每個組拿出裝了沙子的大飲料瓶，往里面裝水，讓大家開始搖晃，形成渦流，仔細觀察沙子的變化。結果大家發現，渦流出現后，很多沙子就會被帶著在渦流中運動。

這個時候，我們拋出了問題——水道中如果有沙子堆積該怎么辦？剛開始，有人說，派人下水挖沙子；也有人說，用竹竿帶著個鐵勺子下去撈沙子?？勺屑氂^察湍急的水流，又覺得這些方法不行。

導師團給每個小組發了一張飛沙堰的示意圖。

看圖紙，結合自己手中的搖瓶子實驗，孩子們豁然開朗。原來古人在寶瓶口前方安裝了一個“洗衣機滾筒”，把沙子搖起來進入飛沙堰?！跋匆聶C滾筒”在哪里呢？就在寶瓶口上游內江東岸的“ S型”結構那兒，大水沖到那里，直接撞到半擋著的玉壘山體巖壁，就會翻滾，下層泥沙翻上來，翻過飛沙堰，翻到外江里，從而合理解決了剩余泥沙的淤積問題。據說幾噸重的大石頭都會翻滾過去。

用現代的科學原理來說，叫做“懸移質泥沙的紊動擴散理論”：彎曲河道的水流運動沖擊凹岸形成漩渦，低水（含沙量大）上堰過飛沙堰，高水（清水）下挫流入寶瓶口，這又在很大程度上解決了泥沙淤積的問題。

在這個過程中，越來越多的游客開始圍觀我們的科學實驗和討論會，他們也被孩子們精彩的發言吸引了。其實，大眾對科學探究本身都是充滿好奇的，能夠來到都江堰的，都是對這里有期待、有憧憬才過來的。最重要的是，應該有沉浸式的高質量課程給到大眾，讓大家看到這里的神奇，同時也去傳播我們祖先的智慧。

NO.4 再探——寶瓶口的科學課

寶瓶口是都江堰工程中的關鍵結構，起到“節制閥門”的作用，能自動調節接入內江的水量，這個關鍵咽喉，形狀酷似瓶口，所以叫做寶瓶口。古人在玉壘山開出寶瓶口，留在右邊的山丘，因為與玉壘山山體分離，所以叫做離堆。

關于寶瓶口的建造是我們課程設計的重點，因為在景區中不能使用火，所以我們把寶瓶口的探究課程放到了北川。在北川的科學老師宋東的安排下，我們科考了北川，采集了北川當地的巖石。在宋老師的學校里，孩子們跟北川當地的孩子們一起探究巖石熱脹冷縮的原因。

孩子們采集了一些大大小小的石頭，在酒精燈上燒烤，結果烤了好久一點兒也沒變化。

后來，宋老師架起柴火，讓大家把這些石頭放在里面烤，還是沒啥變化。有人提議，用燒火鉗將燒熱的石頭挖出來，潑水，再放回去燒，這樣反復來回，結果幾個小時后，勉強才讓石頭裂開細縫。

當時是夏天。雖然北川的夏天不是特別熱，但是孩子們夏天烤火還是很難受的。也不需要導師跟他們講古代勞動人民有多辛苦了，大家就開始發感慨：“我們燒幾塊小石頭，都這么難燒，還這么熱，古人要燒一整座山的石頭，那該有多難？”

將心比心，也是教育的一種很重要的方法。通過實地科考，再經過體驗式燒石頭，孩子們更能感受到古人的智慧和辛勞。

在我們燒烤石頭的過程中，有幾位家長居然利用北川的板巖，做成了一個石板鍋，在上面炒出了牛肉、米粉等美味佳肴，也讓我們的探究活動，實現了人人參與、人人體驗的目標。

都江堰是一本很深厚的書，站在古人思想智慧的面前，我們覺得很渺小，對都江堰課程的開發，還需要挖掘的地方實在太多太多。都江堰課程的應用物理學課程開發，我們會繼續去做。