羅曉艷 彭朝陽

摘 ? 要：隨著課程教育改革的進一步推進，中國燦爛的古代文明也逐漸滲透于各個學科之中。文章以《天工開物》為傳統(tǒng)文化素材背景，分別從古代水利、生產(chǎn)工具、交通工具三方面提取相關素材創(chuàng)設物理情境，并將其融入到“圓周運動”部分的教學中。旨在培養(yǎng)學生文化自信的同時，實現(xiàn)新課程的核心素養(yǎng)教學目標。

關鍵詞：傳統(tǒng)文化；圓周運動；核心素養(yǎng)

1 研究背景與意義

隨著文化自信的提出及一系列新課程教育改革政策的出臺，中國傳統(tǒng)文化在中學的教育教學領域受到了高度重視，并逐漸滲透于各學科?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準 （2017 年版 2020 年修訂 》修訂的基本原則中明確指出“結合學生的年齡特點和學科特征，課程內(nèi)容落實習近平新時代中國特色社會主義思想，有機融入社會主義核心價值觀，中華傳統(tǒng)優(yōu)秀文化、革命文化和社會主義先進文化教育內(nèi)容，努力呈現(xiàn)經(jīng)濟、政治、文化、科技、社會、生態(tài)等發(fā)展的新成就、新成果，充實豐富培養(yǎng)學生社會責任感、創(chuàng)新精神、實踐能力相關內(nèi)容?！盵 1 ]此外，高中物理學科核心素養(yǎng)目標之一“科學態(tài)度與責任”中強調(diào)教師要培養(yǎng)學生的社會責任，實現(xiàn)該目標的途徑很多，在這些途徑中，將傳統(tǒng)文化滲透于物理課堂中不但落實了新課程改革要求，同時也能很好地培養(yǎng)學生的社會責任，從而實現(xiàn)核心素養(yǎng)目標。

2 ?可應用于“圓周運動”教學的中國傳統(tǒng)文化資源提煉

我國關于圓周運動的研究可以追溯到2000多年前的《周髀算經(jīng)》，當時由于輪子等生產(chǎn)用具的廣泛應用，人們自然想到了圓的周長與直徑的關系，但由于受研究條件的限制，古人只是對圓周率做了一個簡單的研究?！短旃ら_物》是世界上第一部關于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)的綜合性著作，也是中國古代一部科技性的著作，由宋應星初刊于1637年（明代末期），共３卷18篇。如今生活中許多以物理為原理的科技產(chǎn)品、農(nóng)用產(chǎn)品等的雛形都來源于此書[ 2 ]。該書中也記載了許多關于圓周運動在古代水利、生產(chǎn)工具、交通工具等方面的應用。圓周運動是曲線運動的一種特殊運動，在高中物理中占據(jù)一個很重要的地位，還是高考的一個高頻考點。所以開發(fā)該書中的一些素材作為物理資源滲透到課堂教學中，不但能提高課堂教學效率，也能讓學生感受中國祖先智慧的結晶，領略中國傳統(tǒng)文化的博大精深。

2.1 ?古代水利——圓周運動之初體驗

我國人口眾多，因而自古重農(nóng)，舉凡“水利灌溉、河防疏泛”歷代無不列為首要工作。農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有決定性意義，而水利是農(nóng)業(yè)的命脈。在我國幾千年文明歷史發(fā)展中，人們修建了無數(shù)大大小小的水利工程，有力地促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?！短旃ら_物》對古代水利的記載主要以田堤灌溉為主，其中很多使用了圓周運動的原理，與圓周運動相關的物理資源整理如表1。

表 1 ?圓周運動之古代水利工具

以圓周運動概念及基礎知識為例，將筒車這一傳統(tǒng)文化資源融入到教學中的具體使用過程如下：

教師：同學們筒車（其結構如圖1所示）是我國古代利用水利驅(qū)動的灌溉工具，唐代陳廷章在《水輪賦》中寫道：“水能利物，輪乃曲成”，其在說明筒車運用了圓周運動原理。我們一起來觀看一個筒車汲水的視頻，并思考如何描述筒車的運動快慢？

學生：觀看視頻的同時思考該使用什么方法或者什么物理量描述筒車運動快慢，并發(fā)表自己想法。

教師：教師針對學生發(fā)言做出總結，描述筒車運動快慢可以根據(jù)河水流速間接判斷，河水流速快筒車運動快，河水流速小筒車運動慢。那是否可以用使用某些物理量進行直接判斷呢？

學生：仔細思考并對比直線運動，提出速度這一物理量。

教師：給出第一個判斷圓周運動快慢的物理量——線速度，并對筒車運動做以下分析得出線速度大小。

教師：選取筒車上的某一點為研究點，該點沿圓弧由M向N運動，在某時刻t經(jīng)過A點（如圖2所示）。為了描述研究點經(jīng)過A點附近時的運動快慢，可以取一段很短的時間Δt，研究點在這段時間內(nèi)由A運動到B，通過的弧長為Δs?；￠LΔs與時間Δt之比反映了研究點在A點附近運動的快慢，如果Δt非常小， 就可以表示研究點在A點時運動的快慢，通常把它稱為線速度的大小[ 3 ]，用符號v表示，則有：v=?，線速度的方向為物體做圓周運動時該點的切線方向。

教師：繼續(xù)提問，還可以使用什么方法描述圓周運動快慢？

學生：仔細思考，并提出自己的想法，可以比較研究點通過相同圓心角所需時間。

教師：提出第二個描述圓周運動快慢的物理量——角速度，并對筒車運動做以下分析得出角速度大小。

教師：選取筒車上的某一點為研究點，研究點在Δt時間內(nèi)由A運動到B（如圖3所示）。半徑OA在這段時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角Δθ與所用時間之比叫做角速度。用符號ω表示

教師：總結已經(jīng)得到的兩個描述圓周運動快慢的物理量，繼續(xù)提問，筒車在汲水過程中的運動有什么特點？

學生：仔細回想筒車汲水情境，并做思考交流。

教師：筒車汲水運動是一直持續(xù)不斷的，如果選取筒車上的某點為研究點，可以發(fā)現(xiàn)筒車運動一周后，該研究點又回到了原來的位置。為了描述圓周運動的這種周期性，我們引入了一個物理量——周期，即做圓周運動的物體勻速轉(zhuǎn)動一圈所需的時間，用符號T表示，筒車勻速轉(zhuǎn)動一圈的時間就是一個周期。

教師：繼續(xù)總結，并提出還有最后一個描述圓周運動快慢的物理量——轉(zhuǎn)速。筒車在Δt時間轉(zhuǎn)過x圈，即筒車轉(zhuǎn)過的圈數(shù)與時間之比就是轉(zhuǎn)速，用符號n表示。

設計意圖：通過筒車汲水的運動過程研究，得出了描述圓周運動的四個基本物理量。以水利工具之筒車作為研究對象，向?qū)W生們展示了古代人民的智慧。并對比當下科學技術的革新，能使學生感受社會的不斷變革與進步，同時也培養(yǎng)了學生傳承傳統(tǒng)文化的社會責任，進而實現(xiàn)物理學科的核心素養(yǎng)目標。

2.2 ?古代生產(chǎn)工具——圓周運動之深探究

生產(chǎn)工具是一種文化載體和文化現(xiàn)象，是整個古代文明的重要內(nèi)涵，它身上包含著中國古代人類文明的智慧，人類的技術，成為人類物質(zhì)文明的重要組成部分。我國古代人民的生產(chǎn)主要以農(nóng)業(yè)和手工業(yè)為主，因此生產(chǎn)和創(chuàng)造了許多生產(chǎn)工具，每一個都凝聚著人們的一種思想觀念，都被打上了人類精神文化的烙印?！短旃ら_物》一書中記載了很多古代農(nóng)業(yè)、手工業(yè)相關生產(chǎn)工具，其很多工具運用了圓周運動的原理，其資源及其融入教學中的具體過程整理如表2。

教師引入：從宋代到明代，棉紡織品逐漸成為人們衣著的主要原料，棉紡織業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位僅次于農(nóng)業(yè)?！短旃ら_物》一書中也有關于紡棉的記載（如圖4所示），我們一起來觀看一段紡棉紗的過程，思考其中圓周運動的相關知識點。

學生：仔細觀察并做思考。

教師：織機在紡紗的過程中做圓周運動，選取織機上的兩點A、B為研究點，同學們思考這兩個研究點的角速度、線速度大小有什么關系？

學生：回憶線速度、角速度的大小表達式并做出比較。

教師講述：織機在紡棉紗的過程中，若其運動為勻速圓周運動（如圖5所示）。 在Δt時間內(nèi)，A、B兩個研究點所走過弧長對應圓心角相等（即Δθ相等），結合角速度的表達式ω=，可以得到在A、B兩點的角速度大小相等。

學生：總結并自己做驗證，繼續(xù)思考A、B兩點線速度大小關系。

教師講述：織機紡棉運轉(zhuǎn)過程中A、B兩點的角速度大小相等（ωA=ωB），即可判斷A點周期與B點周期相等（TA=TB），再根據(jù)線速度與角速度的關系式v=ωr，且rA＜rB，所以A點的線速度小于B點的線速度。再仔細觀察織機的構造，發(fā)現(xiàn)研究點A、B所處的兩個輪圈都是繞同一個軸轉(zhuǎn)動，將這樣的裝置稱為“同軸轉(zhuǎn)動”模型。

教師總結：“同軸轉(zhuǎn)動”這一物理原理，在今天的生產(chǎn)和生活中都在廣泛被使用。古代勞動人民的智慧結晶源遠流長，在《天工開物》一書中還有很多生產(chǎn)工具使用“同軸轉(zhuǎn)動”原理，同學們可在課后繼續(xù)開發(fā)其所蘊含的物理知識。

設計意圖：教師選用古代“織機”為研究對象，輔助學生推導“同軸轉(zhuǎn)動”模型的特點。教學過程中教師還使用了啟發(fā)式教學方法，體現(xiàn)了教師為主導，學生為主體的教學原則。課后鼓勵學生繼續(xù)探究《天工開物》中“同軸轉(zhuǎn)動”模型，培養(yǎng)學生繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)文化的精神。

2.3 ?古代交通工具——圓周運動之綜合運用

宋子曰：“四海之內(nèi)，南資舟而北資車。梯航萬國，能使帝京元氣充然。”[ 4 ]交通工具出現(xiàn)及發(fā)展代表著社會的進步，交通工具能夠?qū)⒆鳛樯鐣B結的載體?！短旃ら_物》一書中關于車記載主要有三種：合掛大車、雙繾獨輪車、南方獨輪車，它們都蘊含著許多物理原理，適合用作物理教學資源，其圓周運動的資源及融入到教學中的具體過程，整理如表3。

教師引入：學習知識的目的在于應用知識，我們已經(jīng)學習了圓周運動的基本物理量及一些簡單的圓周運動模型，接下來一起完成一個關于圓周運動的習題。

習題 ? 《天工開物》一書中記載：“又北方獨轅車，人推其后，驢曳其前，行人不耐騎坐者，則雇覓之?！盵 4 ]其大意為：北方還有獨輪車，由人在后面推，驢在前面拉，不耐長期騎馬的人，常租用這種車（如圖6所示）。雙繾獨輪車的車輪繞中心軸運動可以看做是勻速圓周運動（如圖7所示），其車輪半徑rA約為50 cm，rB約為10 cm，選取車輪A點為研究點，A點轉(zhuǎn)動五周所用時間約為1 min。

（1）計算車輪上A、B兩點的角速度和線速度的大小，并求其比值；

（2）車輪上A點在1 min內(nèi)通過的路程為多少；

（3）車輪上A點在做圓周運動的向心加速度為多少？

教師繼續(xù)引導提問：我們之前已經(jīng)學習了求解直線運動的路程，圓周運動路程如何求解？

學生：研究點在1 min內(nèi)能完整轉(zhuǎn)動5圈，一圈的路程對應為車輪的周長，即1 min內(nèi)通過的路程為s=n·2πr=5πm。

教師總結：同學們第（1）（2）問都完成很好，那能使用前兩問所求物理量繼續(xù)完成第三問嗎？

教師總結：該題是圓周運動基礎物理量計算的一個綜合題目，題目中所呈現(xiàn)的物理量比較少，所以問題中所需求解的物理量需要通過間接求解才能得到，第一問中比值問題也可以根據(jù)所學“同軸轉(zhuǎn)動”模型的結論得到。

設計意圖：習題在中學物理教學中占有很重要的位置，課后習題主要用于幫助學生鞏固課堂知識、檢驗學生學習效果。同時也能夠鍛煉學生對于知識的應用能力，能夠培養(yǎng)學生的思維能力。將傳統(tǒng)文化有效地和學生學習相互結合，開發(fā)學生思維的同時，讓學生掌握更多的物理知識內(nèi)容，了解傳統(tǒng)文化知識內(nèi)容，增加學生民族自豪感[ 5 ]。目前傳統(tǒng)文化與物理融合的題目考察形式較為單一，考察內(nèi)容也較簡單，但隨著對于文化素養(yǎng)教育重視的不斷提高，其考察難度也會隨之慢慢加深，考察形式也會越來越多樣。

3 ?總結與反思

本文以《天工開物》作為素材背景，將其農(nóng)業(yè)水利工具、生產(chǎn)工具、交通工具三方面的傳統(tǒng)文化資源應用于物理情境創(chuàng)設、公式推導、習題講解等物理教學環(huán)節(jié)中，體現(xiàn)了將中華傳統(tǒng)文化元素融入到高中物理各教學階段的優(yōu)越性的基礎上，全面提升學生的核心素養(yǎng)。將傳統(tǒng)文化融入中學物理教學，可用于課前創(chuàng)設情境導入新課、新課內(nèi)容教學、習題或試題編制、課程內(nèi)容復習、教學評價、教學實踐活動等。引入富有歷史底蘊的傳統(tǒng)文化元素，增添了課堂的趣味性，也拉近了物理和學生的距離，學生在學習時增加了其對國家文化和歷史的了解，使得物理課堂更加具有人文性，同時，也將教育的“育人”任務潛移默化地滲透到日常教學中[ 6 ]。

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］ 羅曉艷，彭朝陽. 傳統(tǒng)文化融入物理教學的探索：以《天工開物》為例 [J]湖南中學物理，2022（8）.

［3］ 人民教育出版，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中物理教科書 物理必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

［4］ 潘吉星．天工開物[M]．北京：中國國際廣播出版 社，2011.

［5］ 林聲朝.中學物理教學滲透中華傳統(tǒng)文化的研究[J].當代家庭教育，2021.

［6］ 王雪，楊瑛，邵明輝，等.中華傳統(tǒng)文化元素融入中學物理教學探索：以“光學”專題教學為例[J].物理教師，2023（2）33-37.