在“圆周运动”一节中融入中国传统文化的教学探究

罗晓艳 彭朝阳

摘   要：随着课程教育改革的进一步推进，中国灿烂的古代文明也逐渐渗透于各个学科之中。文章以《天工开物》为传统文化素材背景，分别从古代水利、生产工具、交通工具三方面提取相关素材创设物理情境，并将其融入到“圆周运动”部分的教学中。旨在培养学生文化自信的同时，实现新课程的核心素养教学目标。

关键词：传统文化；圆周运动；核心素养

1 研究背景与意义

随着文化自信的提出及一系列新课程教育改革政策的出台，中国传统文化在中学的教育教学领域受到了高度重视，并逐渐渗透于各学科。《普通高中物理课程标准 （2017 年版 2020 年修订 》修订的基本原则中明确指出“结合学生的年龄特点和学科特征，课程内容落实习近平新时代中国特色社会主义思想，有机融入社会主义核心价值观，中华传统优秀文化、革命文化和社会主义先进文化教育内容，努力呈现经济、政治、文化、科技、社会、生态等发展的新成就、新成果，充实丰富培养学生社会责任感、创新精神、实践能力相关内容。”[ 1 ]此外，高中物理学科核心素养目标之一“科学态度与责任”中强调教师要培养学生的社会责任，实现该目标的途径很多，在这些途径中，将传统文化渗透于物理课堂中不但落实了新课程改革要求，同时也能很好地培养学生的社会责任，从而实现核心素养目标。

2  可应用于“圆周运动”教学的中国传统文化资源提炼

我国关于圆周运动的研究可以追溯到2000多年前的《周髀算经》，当时由于轮子等生产用具的广泛应用，人们自然想到了圆的周长与直径的关系，但由于受研究条件的限制，古人只是对圆周率做了一个简单的研究。《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，也是中国古代一部科技性的著作，由宋应星初刊于1637年（明代末期），共３卷18篇。如今生活中许多以物理为原理的科技产品、农用产品等的雏形都来源于此书[ 2 ]。该书中也记载了许多关于圆周运动在古代水利、生产工具、交通工具等方面的应用。圆周运动是曲线运动的一种特殊运动，在高中物理中占据一个很重要的地位，还是高考的一个高频考点。所以开发该书中的一些素材作为物理资源渗透到课堂教学中，不但能提高课堂教学效率，也能让学生感受中国祖先智慧的结晶，领略中国传统文化的博大精深。

2.1  古代水利——圆周运动之初体验

我国人口众多，因而自古重农，举凡“水利灌溉、河防疏泛”历代无不列为首要工作。农业在国民经济发展中具有决定性意义，而水利是农业的命脉。在我国几千年文明历史发展中，人们修建了无数大大小小的水利工程，有力地促进了农业生产。《天工开物》对古代水利的记载主要以田堤灌溉为主，其中很多使用了圆周运动的原理，与圆周运动相关的物理资源整理如表1。

表 1  圆周运动之古代水利工具

以圆周运动概念及基础知识为例，将筒车这一传统文化资源融入到教学中的具体使用过程如下：

教师：同学们筒车（其结构如图1所示）是我国古代利用水利驱动的灌溉工具，唐代陈廷章在《水轮赋》中写道：“水能利物，轮乃曲成”，其在说明筒车运用了圆周运动原理。我们一起来观看一个筒车汲水的视频，并思考如何描述筒车的运动快慢？

学生：观看视频的同时思考该使用什么方法或者什么物理量描述筒车运动快慢，并发表自己想法。

教师：教师针对学生发言做出总结，描述筒车运动快慢可以根据河水流速间接判断，河水流速快筒车运动快，河水流速小筒车运动慢。那是否可以用使用某些物理量进行直接判断呢？

学生：仔细思考并对比直线运动，提出速度这一物理量。

教师：给出第一个判断圆周运动快慢的物理量——线速度，并对筒车运动做以下分析得出线速度大小。

教师：选取筒车上的某一点为研究点，该点沿圆弧由M向N运动，在某时刻t经过A点（如图2所示）。为了描述研究点经过A点附近时的运动快慢，可以取一段很短的时间Δt，研究点在这段时间内由A运动到B，通过的弧长为Δs。弧长Δs与时间Δt之比反映了研究点在A点附近运动的快慢，如果Δt非常小， 就可以表示研究点在A点时运动的快慢，通常把它称为线速度的大小[ 3 ]，用符号v表示，则有：v= ，线速度的方向为物体做圆周运动时该点的切线方向。

教师：继续提问，还可以使用什么方法描述圆周运动快慢？

学生：仔细思考，并提出自己的想法，可以比较研究点通过相同圆心角所需时间。

教师：提出第二个描述圆周运动快慢的物理量——角速度，并对筒车运动做以下分析得出角速度大小。

教师：选取筒车上的某一点为研究点，研究点在Δt时间内由A运动到B（如图3所示）。半径OA在这段时间内转过的角Δθ与所用时间之比叫做角速度。用符号ω表示

教师：总结已经得到的两个描述圆周运动快慢的物理量，继续提问，筒车在汲水过程中的运动有什么特点？

学生：仔细回想筒车汲水情境，并做思考交流。

教师：筒车汲水运动是一直持续不断的，如果选取筒车上的某点为研究点，可以发现筒车运动一周后，该研究点又回到了原来的位置。为了描述圆周运动的这种周期性，我们引入了一个物理量——周期，即做圆周运动的物体匀速转动一圈所需的时间，用符号T表示，筒车匀速转动一圈的时间就是一个周期。

教师：继续总结，并提出还有最后一个描述圆周运动快慢的物理量——转速。筒车在Δt时间转过x圈，即筒车转过的圈数与时间之比就是转速，用符号n表示。

设计意图：通过筒车汲水的运动过程研究，得出了描述圆周运动的四个基本物理量。以水利工具之筒车作为研究对象，向学生们展示了古代人民的智慧。并对比当下科学技术的革新，能使学生感受社会的不断变革与进步，同时也培养了学生传承传统文化的社会责任，进而实现物理学科的核心素养目标。

2.2  古代生产工具——圆周运动之深探究

生产工具是一种文化载体和文化现象，是整个古代文明的重要内涵，它身上包含着中国古代人类文明的智慧，人类的技术，成为人类物质文明的重要组成部分。我国古代人民的生产主要以农业和手工业为主，因此生产和创造了许多生产工具，每一个都凝聚着人们的一种思想观念，都被打上了人类精神文化的烙印。《天工开物》一书中记载了很多古代农业、手工业相关生产工具，其很多工具运用了圆周运动的原理，其资源及其融入教学中的具体过程整理如表2。

教师引入：从宋代到明代，棉纺织品逐渐成为人们衣着的主要原料，棉纺织业在国民经济中的地位仅次于农业。《天工开物》一书中也有关于纺棉的记载（如图4所示），我们一起来观看一段纺棉纱的过程，思考其中圆周运动的相关知识点。

学生：仔细观察并做思考。

教师：织机在纺纱的过程中做圆周运动，选取织机上的两点A、B为研究点，同学们思考这两个研究点的角速度、线速度大小有什么关系？

学生：回忆线速度、角速度的大小表达式并做出比较。

教师讲述：织机在纺棉纱的过程中，若其运动为匀速圆周运动（如图5所示）。 在Δt时间内，A、B两个研究点所走过弧长对应圆心角相等（即Δθ相等），结合角速度的表达式ω=，可以得到在A、B两点的角速度大小相等。

学生：总结并自己做验证，继续思考A、B两点线速度大小关系。

教师讲述：织机纺棉运转过程中A、B两点的角速度大小相等（ωA=ωB），即可判断A点周期与B点周期相等（TA=TB），再根据线速度与角速度的关系式v=ωr，且rA＜rB，所以A点的线速度小于B点的线速度。再仔细观察织机的构造，发现研究点A、B所处的两个轮圈都是绕同一个轴转动，将这样的装置称为“同轴转动”模型。

教师总结：“同轴转动”这一物理原理，在今天的生产和生活中都在广泛被使用。古代劳动人民的智慧结晶源远流长，在《天工开物》一书中还有很多生产工具使用“同轴转动”原理，同学们可在课后继续开发其所蕴含的物理知识。

设计意图：教师选用古代“织机”为研究对象，辅助学生推导“同轴转动”模型的特点。教学过程中教师还使用了启发式教学方法，体现了教师为主导，学生为主体的教学原则。课后鼓励学生继续探究《天工开物》中“同轴转动”模型，培养学生继承和发扬传统文化的精神。

2.3  古代交通工具——圆周运动之综合运用

宋子曰：“四海之内，南资舟而北资车。梯航万国，能使帝京元气充然。”[ 4 ]交通工具出现及发展代表着社会的进步，交通工具能够将作为社会连结的载体。《天工开物》一书中关于车记载主要有三种：合挂大车、双缱独轮车、南方独轮车，它们都蕴含着许多物理原理，适合用作物理教学资源，其圆周运动的资源及融入到教学中的具体过程，整理如表3。

教师引入：学习知识的目的在于应用知识，我们已经学习了圆周运动的基本物理量及一些简单的圆周运动模型，接下来一起完成一个关于圆周运动的习题。

习题   《天工开物》一书中记载：“又北方独辕车，人推其后，驴曳其前，行人不耐骑坐者，则雇觅之。”[ 4 ]其大意为：北方还有独轮车，由人在后面推，驴在前面拉，不耐长期骑马的人，常租用这种车（如图6所示）。双缱独轮车的车轮绕中心轴运动可以看做是匀速圆周运动（如图7所示），其车轮半径rA约为50 cm，rB约为10 cm，选取车轮A点为研究点，A点转动五周所用时间约为1 min。

（1）计算车轮上A、B两点的角速度和线速度的大小，并求其比值；

（2）车轮上A点在1 min内通过的路程为多少；

（3）车轮上A点在做圆周运动的向心加速度为多少？

教师继续引导提问：我们之前已经学习了求解直线运动的路程，圆周运动路程如何求解？

学生：研究点在1 min内能完整转动5圈，一圈的路程对应为车轮的周长，即1 min内通过的路程为s=n·2πr=5πm。

教师总结：同学们第（1）（2）问都完成很好，那能使用前两问所求物理量继续完成第三问吗？

教师总结：该题是圆周运动基础物理量计算的一个综合题目，题目中所呈现的物理量比较少，所以问题中所需求解的物理量需要通过间接求解才能得到，第一问中比值问题也可以根据所学“同轴转动”模型的结论得到。

设计意图：习题在中学物理教学中占有很重要的位置，课后习题主要用于帮助学生巩固课堂知识、检验学生学习效果。同时也能够锻炼学生对于知识的应用能力，能够培养学生的思维能力。将传统文化有效地和学生学习相互结合，开发学生思维的同时，让学生掌握更多的物理知识内容，了解传统文化知识内容，增加学生民族自豪感[ 5 ]。目前传统文化与物理融合的题目考察形式较为单一，考察内容也较简单，但随着对于文化素养教育重视的不断提高，其考察难度也会随之慢慢加深，考察形式也会越来越多样。

3  总结与反思

本文以《天工开物》作为素材背景，将其农业水利工具、生产工具、交通工具三方面的传统文化资源应用于物理情境创设、公式推导、习题讲解等物理教学环节中，体现了将中华传统文化元素融入到高中物理各教学阶段的优越性的基础上，全面提升学生的核心素养。将传统文化融入中学物理教学，可用于课前创设情境导入新课、新课内容教学、习题或试题编制、课程内容复习、教学评价、教学实践活动等。引入富有历史底蕴的传统文化元素，增添了课堂的趣味性，也拉近了物理和学生的距离，学生在学习时增加了其对国家文化和历史的了解，使得物理课堂更加具有人文性，同时，也将教育的“育人”任务潜移默化地渗透到日常教学中[ 6 ]。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准 （2017 年版 2020 年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 罗晓艳，彭朝阳. 传统文化融入物理教学的探索：以《天工开物》为例 [J]湖南中学物理，2022（8）.

［3］ 人民教育出版，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中物理教科书 物理必修第二册[M].北京：人民教育出版社，2019.

［4］ 潘吉星．天工开物[M]．北京：中国国际广播出版 社，2011.

［5］ 林声朝.中学物理教学渗透中华传统文化的研究[J].当代家庭教育，2021.

［6］ 王雪，杨瑛，邵明辉，等.中华传统文化元素融入中学物理教学探索：以“光学”专题教学为例[J].物理教师，2023（2）33-37.