劉煜蓉 董振邦 湯金波

摘 要：《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提倡在教學(xué)中既立足物理學(xué)科的課程內(nèi)容，又跨出物理學(xué)科，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用多學(xué)科知識(shí)去解決問題?！按罄戆鬃迕窬印笨鐚W(xué)科實(shí)踐著眼于大理白族民居，主要從物理學(xué)科的視角，融合歷史、地理、美術(shù)等學(xué)科知識(shí)，讓學(xué)生充分體會(huì)白族民居的建筑之美和白族人民的智慧，掌握并應(yīng)用力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等知識(shí)，提升綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：初中物理；跨學(xué)科實(shí)踐；白族民居；民族文化

* ?“跨學(xué)科實(shí)踐”案例系列之三。

“跨學(xué)科實(shí)踐”是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）的新增內(nèi)容，具有跨學(xué)科性和實(shí)踐性的鮮明特點(diǎn)，可以看成對(duì)核心素養(yǎng)的愿景性表達(dá)。^［1］新課標(biāo)給出了“結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，圍繞現(xiàn)實(shí)生活和社會(huì)發(fā)展的熱點(diǎn)問題，從多學(xué)科角度觀察、思考和分析問題，挖掘、選取有教育意義的素材，將其改造成跨學(xué)科實(shí)踐的問題或任務(wù)”^［2］的教學(xué)策略建議。云南建筑蔚然大觀，類型眾多，多民族的交流融合、多元的地域風(fēng)情、獨(dú)特的地理位置，造就其與眾不同的建筑風(fēng)格?！按罄戆鬃迕窬印笨鐚W(xué)科實(shí)踐就著眼于大理白族民居，主要從物理學(xué)科的視角，融合歷史、地理、美術(shù)等學(xué)科知識(shí)，讓學(xué)生充分體會(huì)白族民居的建筑之美和白族人民的智慧，取得了良好的效果。以下分享實(shí)踐的主要教學(xué)過程。

一、 史話白族民居

師

云南大理白族歷史悠久，白族民居是大理白族歷史的記錄者，是用土、石、木寫成的史書。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，楚人莊蹻起義失敗后帶兵進(jìn)入云南，同時(shí)也帶去了中原地區(qū)先進(jìn)的生產(chǎn)和建筑技術(shù)。漢武帝時(shí)期，洱海地區(qū)開始使用磚瓦，房屋構(gòu)造得以升級(jí)和完善。南詔時(shí)期，干欄式建筑逐漸發(fā)展成磚瓦建筑。王公貴族大興土木，建造宮殿，建筑水平得以充分提升。宋朝時(shí)期，大理地區(qū)建筑技藝日臻成熟，建造了許多規(guī)模宏大的宮殿和城池，給后人留下了多處古遺址。

生

我的家鄉(xiāng)是大理，聽村里的老人說(shuō)，著名的崇圣寺千尋塔就是唐朝派匠師指導(dǎo)修建的。

師

對(duì)，云南大理白族是我國(guó)最早向其他民族開放和學(xué)習(xí)的民族之一。崇圣寺三塔是漢族建筑技術(shù)對(duì)大理地區(qū)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的實(shí)證，也是少數(shù)民族文化和中原文化融合的例證。白族人民以包容開放的態(tài)度，不斷吸收漢族的先進(jìn)文化，高度發(fā)展了作為中華民族文化組成部分的白族文化。這就是中華民族共同體意識(shí)，56個(gè)民族像石榴籽一樣緊緊地抱在一起。

導(dǎo)入環(huán)節(jié)，通過安排學(xué)生觀察日常生活中的物理現(xiàn)象，引出研究對(duì)象白族民居，引導(dǎo)學(xué)生去了解大理白族民居的發(fā)展歷史。白族民居處處體現(xiàn)著人與自然和諧相處的理念。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，能夠增強(qiáng)對(duì)中華文化的認(rèn)同感，培育和筑牢中華民族共同體意識(shí)。

二、 走進(jìn)白族民居

（教師播放大理鶴慶縣典型的白族民居六合同春院落——旦墨書院的介紹視頻。然后，教師出示圖片、播放音頻，介紹“三坊一照壁”“四合五天井”等特色建筑，帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)比、總結(jié)，得到表1。）

師

在白族村寨中，大部分的民居都是“三坊一照壁”的形式，“四合五天井”和“六合同春”比較少見。建筑布局基本都是正房坐西朝東，入口開在院角。結(jié)構(gòu)形式也都是土木或者土石結(jié)構(gòu)。

師 （出示圖1）照壁是白族民居特有的結(jié)構(gòu)。照壁大多集“風(fēng)水墻”“文化墻”“采光墻”等特性于一體，是白族獨(dú)特的文化現(xiàn)象之一。壁頂以青瓦覆蓋，四角微翹。照壁正中，或鑲上一塊圓形的彩花或黑白花大理石，上面一般有題字，黑白分明，神采飛揚(yáng)，使庭院大為增色。

通過展示圖片和播放視頻、音頻等形式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的視聽感官，讓學(xué)生身臨其境地感受白族民居的建筑美。學(xué)生結(jié)合對(duì)白族民居結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，欣賞相關(guān)圖片，獲得美的享受，通過學(xué)科的跨越，促進(jìn)素養(yǎng)的提升。

三、 確定研究分組

師

相比于普通建筑，白族民居有明顯的特征，請(qǐng)同學(xué)們踴躍發(fā)表看法。

生

白族民居的一大特點(diǎn)就是每家都有一面潔白的照壁；照壁一般位于主房的正前方，正對(duì)著堂屋。

師

照壁的確是白族民居建筑特有的結(jié)構(gòu)。在大理白族小院住過的同學(xué)，請(qǐng)分享一下你的感受。

生

五一期間，我們?nèi)胰チ舜罄怼Ｍ砩?，古城人聲鼎沸，在小院里明顯感覺安靜了很多，睡覺時(shí)也不會(huì)被外面的聲音影響。

師

你的經(jīng)歷說(shuō)明了白族民居隔音效果不錯(cuò)。在不同季節(jié)住過白族民居的同學(xué)也分享一下感受。

生

我印象最深的是，去年暑假去大理玩，住在洱海邊的白族民居里，七月份氣溫很高，但只要進(jìn)入堂屋，一下子就涼快了。

生

我們每年過年都要回老家大理鶴慶。鶴慶早晚溫差大，晚上外面溫度低，在廂房里卻感覺不到冷，反而覺得很暖和。

師

大家的分享很精彩！根據(jù)同學(xué)們找到的特征，老師把同學(xué)們分成三個(gè)小組，每組確定一個(gè)研究主題。小組甲：照壁除了美觀之外，還有什么用途？小組乙：白族民居院落很安靜，它是如何隔音的？小組丙：白族民居冬暖夏涼，它是如何保溫和散熱的？請(qǐng)大家在課后查閱資料，從物理學(xué)視角找到其中的原因，鼓勵(lì)采用實(shí)驗(yàn)的方式證明自己的觀點(diǎn)。

學(xué)生利用課余時(shí)間展開多渠道、多形式的研究。在約定的時(shí)間內(nèi)，小組組員發(fā)表看法，組間交流、分享、補(bǔ)充，確定匯報(bào)內(nèi)容，并向教師提交實(shí)踐報(bào)告（文字、圖片或課件等形式）。教師優(yōu)選和修改后，確認(rèn)展示順序，組織全班匯報(bào)展示。

四、 小組成果匯報(bào)

生 （甲小組代表）照壁除了美觀外，主要還有兩個(gè)作用。一是起到阻擋的作用，防止氣流直沖廳堂，使房屋能保暖。二是起到調(diào)節(jié)亮度并節(jié)能的作用。由于房屋是坐西朝東的，若沒有照壁，早晨太陽(yáng)出來(lái)時(shí)，太陽(yáng)光會(huì)直射在正樓上；下午太陽(yáng)逐漸往西后，由于整個(gè)樓房是木質(zhì)結(jié)構(gòu)，外墻無(wú)窗戶，堂屋里的光線會(huì)比較暗。而有了照壁后，光發(fā)生漫反射，反射光線是向著四面八方的，使整個(gè)院落和堂屋保持一定的亮度。

師

分析得很好！根據(jù)房屋的朝向和結(jié)構(gòu)、材料，結(jié)合地理學(xué)知識(shí)，解釋了太陽(yáng)西移以后，利用照壁發(fā)生光的漫反射來(lái)增加院落和堂屋亮度。我們可以嘗試用光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M照壁的作用，用照度儀來(lái)監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度，這樣更有說(shuō)服力。如果要讓院落一直保持明亮，有什么辦法？

生

如果照壁可以旋轉(zhuǎn)，根據(jù)太陽(yáng)的位置，照壁旋轉(zhuǎn)到不同的角度，就能讓院落一直保持明亮。

師

思維很活躍！期待你能實(shí)現(xiàn)你的設(shè)想。

生

我們還發(fā)現(xiàn)了照壁中隱藏的文化內(nèi)涵。照壁上題寫的字可以看出這戶人家的姓氏，如“清白傳家”表示楊姓，“琴鶴家聲”表示趙姓。

師

照壁不僅有物理學(xué)用途，還有深厚的文化內(nèi)涵。你們小組課后可以再探究。

生 （乙小組代表）在白族民居院落里，會(huì)感覺很安靜。通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)它主要是利用墻體和門窗隔聲。我們小組進(jìn)行了墻體隔音模擬實(shí)驗(yàn)，選擇的實(shí)驗(yàn)器材有：GM1351數(shù)字式噪音計(jì)（精度為±1.5dB）、亞克力盒子3個(gè)（1號(hào)盒25cm×10cm×15cm、2號(hào)盒30cm×15cm×15cm、3號(hào)盒35cm×20cm×15cm）、穩(wěn)定的白噪聲、藍(lán)牙音箱、計(jì)時(shí)器、刻度尺、鋼卷尺、建筑工地取的細(xì)砂、沙土、石子。我們推測(cè)：隔音效果與墻體厚度和墻體材質(zhì)有關(guān)。于是，我們分別做了兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。

生

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，探究墻體厚度與隔音效果是否有關(guān)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：如圖2所示，把1號(hào)盒放入3號(hào)盒中，使前后左右間距都為5cm，調(diào)整藍(lán)牙音箱與1號(hào)盒、噪音計(jì)的距離分別為15cm和22cm；在1號(hào)盒和3號(hào)盒間隔處填入10cm高的沙土，蓋上蓋子；手機(jī)連接藍(lán)牙音箱播放白噪聲，記錄噪音計(jì)1分鐘的數(shù)據(jù)；把1號(hào)盒放入2號(hào)盒中，使前后左右間距都為2.5cm，重復(fù)以上操作并記錄數(shù)據(jù)。

生 （展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2）從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，沙土厚度增大一倍時(shí)，隔聲量增加大約3dB，由此可推測(cè)墻越厚實(shí)隔聲量越大。而白族民居多是高墻無(wú)窗，所以隔音效果較好。

生 第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，探究不同材料的墻體與隔聲效果是否有關(guān)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：把1號(hào)盒放入3號(hào)盒中，使前后左右間距都為5cm，調(diào)整藍(lán)牙音箱與1號(hào)盒、噪音計(jì)的距離分別為15cm和22cm；如圖3所示，在1號(hào)盒和3號(hào)盒間隔處分別填入高為10cm的細(xì)砂、沙土和石子，蓋上蓋子；手機(jī)連接藍(lán)牙音箱播放白噪聲，記錄噪音計(jì)1分鐘的數(shù)據(jù)。

生 （展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表3）從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不同材料的墻體隔聲量不同，細(xì)砂隔聲量最好，沙土次之，石子最差?？紤]工程實(shí)際等因素，沙土作為外墻最為合適。

師

通過實(shí)驗(yàn)，探究了不同墻體厚度和不同材料的隔音效果。同學(xué)們沒有依靠書本上已有的數(shù)據(jù)，而是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行客觀解釋。雖是定性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)精度都有待進(jìn)一步完善，但是，在這樣的過程中，同學(xué)的動(dòng)手能力得到了提高，體會(huì)到了小組合作的力量和探究的樂趣，進(jìn)而感知到了物理就在我們的身邊。該實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境要求高，加之GM1351數(shù)字式噪音計(jì)測(cè)量精度波動(dòng)范圍大，實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)比較粗糙，你們小組后續(xù)可以繼續(xù)完善一下實(shí)驗(yàn)操作過程，讓數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

生 （丙小組代表）能源使用方面，白族民居通常利用風(fēng)能來(lái)通風(fēng)、降溫、排氣，利用太陽(yáng)能來(lái)取暖，實(shí)現(xiàn)了不依靠主動(dòng)供能就達(dá)到冬暖夏涼、四季恒溫的效果。而建筑外圍主要由外墻、屋面和外窗組成，其中面積最大的就是墻體，通過墻體散失的熱量十分巨大。墻體的保溫能力在很大程度上決定了房屋整體的保溫效果。

生 外墻面以熟石灰粉刷，一方面可以防止雨水侵蝕，另一方面起到隔熱保溫的作用。（出示表4）查閱資料發(fā)現(xiàn)，石灰粉刷磚墻對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收系數(shù)為0.48，在五種常見的墻面中最小，反射太陽(yáng)光的能力最強(qiáng)。假設(shè)太陽(yáng)輻射功率P=1×10³J/（m²·s），大理地區(qū)夏季平均日照時(shí)長(zhǎng)約為12h，則1m²采光面上石灰粉刷磚墻吸收的熱量Q=ρPt=0.48×1×10³J/（m²·s）×1m²×12×3600s=2.0736×10⁷J。石灰粉刷磚墻夏季一天吸收的熱量能把大約61.7 kg的水從20℃加熱至沸騰（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。

生 夏季，白色厚實(shí)的外墻阻隔了部分傳入屋內(nèi)的熱量，避免屋內(nèi)溫度過高。加之白族民居的門窗（窗戶多為花樣格式）及內(nèi)部裝修都以木質(zhì)材料為主，通風(fēng)透氣性較好，常年多風(fēng)的氣候特征配以這樣的建筑結(jié)構(gòu)具有良好的散熱功能。故在炎熱的夏季，屋內(nèi)十分涼爽。冬季，白天，土質(zhì)墻體接受太陽(yáng)輻射并蓄熱；夜間，當(dāng)周圍環(huán)境的溫度低于墻體表面溫度時(shí)，墻體就向外散熱，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，增加人體的舒適度。另一方面，窗的特點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，如單層金屬窗的傳熱系數(shù)約為一般磚墻的3倍，窗的保溫也就格外重要。在保證天然采光的情況下，應(yīng)嚴(yán)格控制窗墻比。

師

你們小組從能源利用角度說(shuō)明白族民居是綠色節(jié)能的建筑。通過查閱專業(yè)書籍資料，計(jì)算得到白石灰磚墻夏季的吸熱量，與水的吸熱進(jìn)行類比，帶給大家非常直觀的感受，解釋了夏天涼爽的原因。從熱力學(xué)的角度分析了冬季保溫的原因，用已有的知識(shí)去解釋新的問題，這是遷移運(yùn)用知識(shí)的能力。你們做得非常好！

五、 拓展延伸

師 在查閱資料過程中，除了上面交流的問題外，同學(xué)們會(huì)發(fā)現(xiàn)新的問題，也歡迎大家踴躍發(fā)言。

生 天井一般就地取材做成石頭材質(zhì)，一是為了節(jié)省材料；二是為了防止下雨天走路打滑——相比于水泥地板，青石板的摩擦系數(shù)更大。

生

天井里放著一大缸水，一是能及時(shí)救火，從而防止火災(zāi)；二是當(dāng)天氣熱時(shí)，利用水蒸發(fā)吸熱，能在一定程度上降低室內(nèi)的溫度，當(dāng)天氣寒冷時(shí)，水又會(huì)向周圍放熱，使周圍環(huán)境溫度不至于太低。

生

屋頂做成“人字形”充分體現(xiàn)了古人“天人合一”的觀念。一般來(lái)說(shuō)，屋頂?shù)奈菝嫫露葹?6°—30°，這個(gè)角度非常接近黃赤交角23°26′，體現(xiàn)了古人在天文學(xué)上的成就。屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)還體現(xiàn)出氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

師

大家很善于思考！其實(shí)物理就在我們的生活中，我們要學(xué)會(huì)用物理的眼光觀察世界，用物理的思維思考世界，用物理的語(yǔ)言表達(dá)世界，用物理的智慧豐富世界。

鼓勵(lì)學(xué)生個(gè)性表達(dá)、合作創(chuàng)新的跨學(xué)科實(shí)踐，充分尊重學(xué)生的想法，讓課堂在生生互評(píng)、師生互評(píng)中得以升華。

六、 課后作業(yè)

師

根據(jù)今天的學(xué)習(xí)，完成以下作業(yè)：（1） 梳理白族民居與物理有關(guān)的知識(shí)；（2） 結(jié)合新材料的應(yīng)用等知識(shí)，圍繞怎樣使白族民居更加節(jié)能環(huán)保，提出改進(jìn)建議；（3） 白族民居處于喜馬拉雅火山地震帶上，從物理學(xué)角度分析其如何防震。

課后作業(yè)直指科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這一物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)。本環(huán)節(jié)在以物理學(xué)視角分析白族民居的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)生提出了更高的要求——提出改進(jìn)建議，上升到知識(shí)應(yīng)用層面，實(shí)現(xiàn)了物理與生活的深度融合，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生在德育、智育和美育等方面互相促進(jìn)、共同提升。

本次跨學(xué)科實(shí)踐以課程整合的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)教學(xué)的封閉性；以生活素材作為教學(xué)內(nèi)容，跳出了傳統(tǒng)的以教材為藍(lán)本的窠臼；以學(xué)生活動(dòng)為載體，本著“教、扶、放”的策略，布置挑戰(zhàn)性的任務(wù)，為學(xué)生提供真實(shí)的學(xué)習(xí)場(chǎng)域，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生自主地探究學(xué)習(xí)。該主題從物理學(xué)視角可拓展的內(nèi)容還有很多，但由于初中物理知識(shí)的局限性，學(xué)生未能較好地理解。本次跨學(xué)科實(shí)踐還停留在探究型層面，我們將繼續(xù)深入研究，將課型從探究型向應(yīng)用型，乃至促使學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的升華型轉(zhuǎn)變。

總之，以地域民族文化為主題開展物理跨學(xué)科實(shí)踐，能有效融合物理學(xué)科的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等知識(shí)，也能與其他學(xué)科知識(shí)很好地融合，是一個(gè)值得深入研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 詹善生，湯金波.“長(zhǎng)度的測(cè)量”：從生活到應(yīng)用——物理跨學(xué)科實(shí)踐探索一例［J］. 教育研究與評(píng)論（中學(xué)教育教學(xué)），2023（3）：84.

［2］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：37.

［3］ 劉加平.建筑物理（第四版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：74.