用中國古代物理學史助力物理教學*

夏 歡 姚 蕊 榮爭輝 保永亮 蔡武德

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》中提出“堅持育人為本, 德育為先”[1].不論是人文科學還是自然科學，教育的根本都是立德樹人.物理學科也應是德育教育的主陣地，中國古代物理學史在物理教學的育德教育中恰好能起到得天獨厚的效果.

“欲知大道，必先為史.”“讀史以明智，知古以鑒今.”科學史是人類文明進程中最能體現智慧的歷史，追尋其在歷史長河中的發展歷程，可深入挖掘它的歷史功能和教學價值.但在物理教學中，引起教師關注更多的是西方的物理學史，毋庸置疑，西方物理學史在教學中是經典且必不可少的，但若長期只提及西方物理學史，學生對本國的物理學發展一無所知，則可能認為“中國物理學十分落后，中國古代無物理”的認識[2].實則不然，中國古代物理學的發展是輝煌而璀璨的.近代物理學的開端是伽利略的科學研究及其發現，所對應的是中國明清時期，但是在明清之前的夏商周、春秋戰國時期，中國便有豐富的文字記載和科技發明，都涉及到大量的物理知識.這些都是物理教學的優秀資源，可將其挖掘并有效利用，發揮其最大的價值.

1 中國古代物理學史

中國古代物理學知識雖然豐富，但記錄零散、不成系統.早期的物理學發展與哲學有密切聯系，所以除了科技著作，在各類文學作品中也能發現其身影.

1.1 詞源分析“物理學”

“物理學”一詞有兩個來源，西方和中國本土.一是源出自希臘文，是古希臘哲學家亞里士多德(公元前384-322)所寫，最早屬于哲學領域，本意是探討自然和自然現象；二是源自我國戰國時期(公元前369-286)莊子的一句話“析萬物之理”，泛指一切事物的道理，其意義并非近代所謂的“物理學”，但由于其無所不包的涵義，近代物理意義下的自然知識也就包含其中[3].

盡管“物理”一詞在古代被普遍運用，但它卻并未在近代中國成為物理學一詞的直接起源.明清時期，西方科學開始傳入中國，“力藝”(譯自西文“力學”)一詞出現，“重學”(即今“力學”)是中國近代最早定名的西方科學名稱.而后，西方科學又一次傳入中國，人們將其翻譯成“格物學”“格致學”.19世紀60年代，在方以智《物理小識》書名的啟發和翻譯西學名稱準則的影響下，日本學者于19世紀70年代將physics譯成“物理學”.1900年，江南制造局刊行日本飯盛挺造編著的大學教科書《物理學》的中譯本，此后，“物理學”一詞得到中國知識界的認同和采用.

1.2 思維導圖說“發展史”

為方便閱讀，按照時代順序，以思維導圖這種可視化的方式將中國物理學史進行梳理，由夏、商、周的萌芽時期到明清時期以“物理學”正式命名的教科書出版，對整個中國古代物理學發展都做了簡略介紹，如圖1所示.可總結中國古代物理學的特點：(1)對物理現象的記錄；(2)與自然界相處的過程中所獲得的經驗；(3)對物理原理的實踐和運用；(4)物理知識豐富，但記載零散；(5)偏重于對經驗的總結和應用，而較少有對其背后的物理原理的剖析.

在物理入門學習的第一節課，簡要對中國古代物理學史進行介紹，讓學生了解物理學在自己國家的發展歷程和特點，對物理這門課也會產生別樣的崇敬之情.

圖1 中國古代物理學發展歷程

1.3 中國古代力學知識

力學在物理學史上具有極為重要的地位，中國古代典籍中雖有“力學”一詞，但不含有科學意義[4].直到19世紀30年代，才有近代含義的“力學”一詞.但古代人記載的力學知識以及應用力學知識制作的器物不勝枚舉，如圖2所示.不僅在力學，中國古代人在熱、聲、光、電與磁等物理學領域也有一定的見解和廣泛的器材制作，但這里不做過多介紹.

圖2 中國古代力學知識

2 中國古代物理學史在物理教學中的應用

有趣的古代科技制作、詩詞文學中的物理知識、情景故事中的物理原理等對學生來說具有很強的吸引力，能讓學生產生強烈的學習興趣，是物理教學過程中的優秀資源.可選取其中與課程內容相關的素材，加工后將其融入課堂教學的不同環節，助力物理教學的實施.

2.1 課前

查閱文獻、資料收集與教學內容相關的古代科技制作，為課堂學習做好前提準備.

古代人創制了很多具有力學意義的簡單機械，如杠桿、桔槔、滑輪、斜面、轆轤等，當學習杠桿時，可提前讓學生查閱“杠桿”在古代的運用，課前簡單匯報，作為課堂引入.當學習路程這個概念時，可讓學生下去查找關于中國古代是如何計算馬車行駛路程的資料，學生查閱之后，也不由驚嘆這中國最早的“計程車”——“記里鼓車”的發明創造，發出“先人們的智慧真是讓人嘆為觀止”的感嘆，對于物理知識的學習便更加渴求.

2.2 課中

增加中國古代物理學史的“出場率”，讓學生在中國本土文化氛圍中認識物理、思考物理、分析物理、運用物理.

2.2.1 以史激趣，情境引入

在學習聲音的產生與傳播時，可講述故事：沈括在他的《夢溪筆談》中對行兵打仗的兵法要點做了說明，其中提到，在戰爭時期，士兵要枕著牛皮材質的箭筒，同時睡到地上.為什么它們不睡在床上，而是枕著箭筒，睡地上？學生對此也百思不得其解，這時告訴學生，通過本節課的學習，你們便能得知其中原因.

在“氣壓與海拔的關系”教學時，可講述范成大的《峨眉山行紀》中一個有趣的現象：“山頂有泉，煮米不成飯.”他稱峨眉山上的水是“萬古冰雪之汁”，不能熟物.“余前知之”故“自山下攜水一缶來”.范成大認為山上“煮米不成飯”是水的緣故，所以他從山下自己準備了水上山煮飯.同學們覺得他的飯能煮熟嗎，為什么?

2.2.2 幫助學生突破重難點知識

在密度教學中，溫度對密度的影響是一個教學重難點，學生不容易理解，教師可播放走馬燈的視頻，并自制走馬燈教具在課堂上演示，引導學生運用所學知識對走馬燈的原理進行分析，學生在興趣盎然中理解：點燃蠟燭，燈內空氣溫度升高，密度減小，小于周圍冷空氣密度，熱空氣上升，冷空氣補充熱空氣的空位，形成空氣流通，驅動燈旋轉.并告知學生走馬燈早在南宋時期就已經成為節日必備節目，學生不僅突破了溫度對密度的影響這個重難點知識，也深刻體會到了中國古代人對物理知識的運用能力和高超的設計思想以及創造才能.

2.2.3 體會物理思想

曹沖稱象中的轉換思想：曹沖利用水對漂浮在水面上的物體產生的浮力等于該物體的重力，將測量大象體重通過浮力進行等效替代，轉換為測量石頭的重量，一個很難的問題被輕松化解.從學生熟悉的故事介紹“浮力”的概念和計算方式，學生更容易接受，同時滲透了物理學的重要思想——轉換思想，也啟示學生要多角度思考去解決問題.

2.2.4 發揮德育作用

在講解完壓強之后，講述“九龍杯”的故事：明朝時期，朱元璋用九龍杯宴請大臣，結果淺盛的御酒絲毫不少，滿盛的御酒卻全部從杯底漏走了.其中的原理：當杯內裝滿水時，杯內的龍頭與龍尾狀的杯把形成倒U形的連通器，使杯內的水全部溢出.讓學生運用所學知識解釋九龍杯的原理，并告知學生此杯又名“公道杯”的原因,是為了告誡人們做事須公道、不可起貪念.

2.2.5 增強文化自信，激發愛國主義情懷

在學生學習光學時，不得不給學生介紹的一個人——中國古代偉大的科學家“墨子”.2016年8月16日，中國第一顆量子通信衛星“墨子號”發射升空，中國成為首個擁有量子通信能力的太空開發國家.和國外的伽利略衛星和開普勒望遠鏡命名相同，是為了紀念我國古代偉大的科學家——墨子，墨子最早通過小孔成像實驗發現了光是直線傳播的，并對其進行了科學解釋，這在光學發展上極其重要.而且他撰寫的墨經中對諸多物理現象都有記載，是中國古代物理學史坐標性的存在.以我國古代偉大科學先賢的名字作為全球首顆量子衛星的名字，體現了中國的文化自信.讓學生們深切地感受到我國古代物理學的輝煌成就,從而激發他們的民族自豪感[5]，潛移默化地增強學生的愛國主義情懷.

2.3 課后

2.3.1 相關書籍的閱讀

如《中國古代物理學》《中國物理學史大系》《郵票上的科學家》等等關于古代物理學史介紹的書籍，可將其推薦給學生課后閱讀.

2.3.2 舉行物理學家的介紹講座

學生在準備講座的過程中，主動查閱大量資料，不僅對物理學家的生平有了了解，對其研究背后的物理學知識也更加感興趣，增強對物理這門學科的了解和物理知識的學習興趣.

2.3.3 組織古代傳統活動

在學習完光的傳播等相關知識后，教師可以組織學生準備一次皮影戲活動，讓學生既能夠體會到物理知識的趣味性，又能對我國傳統文化有更多的了解、更深的體會.

3 結束語

中國物理學史的教育價值是多方面的，從物理學的萌芽，逐漸發展，到中間的停滯以及后來的崛起，每一段歷程都是我們學習的寶藏，對其進行挖掘加工后都可作為教學的優秀資源用于物理教學，不僅可以輔助教學，促進學生核心素養的培育，同時也契合國家立德樹人的根本任務.