初一物理活動課的探討
——以“欹器的秘密”教學設計為例

康 靜

(北京市東直門中學 北京 100007)

張盛博

(首都師范大學 北京 100048)

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初一物理活動課的探討
——以“欹器的秘密”教學設計為例

康 靜

(北京市東直門中學 北京 100007)

張盛博

(首都師范大學 北京 100048)

本文以“高空獨輪車表演”的演示實驗為引入，讓學生認識到物體重心的位置會影響物體的穩定性．中國古人已經發現這一規律并利用這項規律制作出計量的器具——欹器．接下來在教師的指導下進行實驗，讓學生逐步了解欹器的工作原理．實驗中，學生會經歷實驗失敗、尋找原因、再次實驗、實驗成功等完整的物理探究過程，這種教學方式有效地培養了學生發現問題、解決問題的能力．在本課的教學中，學生不僅能了解中國古人的智慧，同時還能讓學生體會到滿則覆、謙受益的人生啟示．

物理活動課 欹器 重心

2015年9月，北京市所有的新初一學生都會增加物理活動課，每周一節，以小制作、科學演示的方式增加學生對物理知識的感性認識，為初二物理課程的學習做好興趣和知識上的鋪墊．由于初一物理活動課是一門新型的課程，對于如何講解相關的物理知識、講解到何種程度還是有待探討的問題．

本文以“欹器的秘密”為例，希望能夠對物理教師有所啟發．

1 創設情境 引入新課

師：APEC假期中，老師看了一場非常精彩的高空獨輪車表演，這場表演不僅精彩，而且十分驚險．有沒有同學看過獨輪車表演？沒看過的也無所謂，老師給大家準備了這樣一個獨輪車，讓你們一飽眼福．只不過今天表演的不是人，而是這個小玩偶．(如圖1)實驗裝置：直徑為30 cm的輪子，下墜質量為2 kg的重物．

圖1 獨輪車

師：獨輪車演員在高空表演已經很危險了，下面還掛一個花籃，我們把這個花籃取下來，幫他減輕點負擔吧．

當把花籃摘下時，車子立刻翻倒，十分震撼．

設問：為什么獨輪車下面墜重物穩定，想給它減輕點負擔反倒不穩定了?

師：這個現象現在看來都很有趣，其實在中國古代人們已經見過類似的現象，并且利用其中的道理制作了一件非常神奇的器具，它就是本節課我們要學習的——欹器．

變化需從內因和外因兩個方面入手，綜合剛才的分析，內因只有質量、而外因只有力，所以物體運動狀態的改變只與力、質量這兩個因素有關，即加速度只與力和質量有關．

1 中國社會科學院語言研究所詞典編輯室編．現代漢語詞典(第5版)．北京：商務印書館，2005．122

2 張憲魁．李曉林．陰瑞華主編．物理學方法論．杭州：浙江教育出版社，2007．179

3 閻金鐸．田世昆主編．中學物理教學概論(第2版)．北京：高等教育出版社，2003．5

2 觀察實驗 收獲新知

師：欹，顧名思義是傾斜之意，欹器指的就是自由放置時處于傾斜狀態的器具．

設問：同學們，你們知道它是做什么用的嗎？

(讓學生大膽猜測)

師：欹器是中國古代的一種計量器皿，早在春秋戰國之前就已經開始使用．那么它又是如何計量的呢？老師制作了一個欹器的模型，請觀察下面的實驗．

這是一個可以繞固定軸轉動的盛水杯，當通電以后，水泵將水源源不斷地注入盛水杯內，觀察它的變化．

提問：你們看到了什么實驗現象？

學生：水多到一定程度就翻倒了．

追問：是不是水足夠多盛水杯就會翻倒呢？下面我們就來動手制作這樣一個盛水杯，嘗試讓它翻倒．

圖2 盛水杯

2.1 實驗制作欹器

實驗器材：礦泉水瓶、吸管、螺絲、盛水杯支架.

制作方法：利用小螺絲打孔，大螺絲擴孔；在此孔對稱的另一個位置利用同樣方法打孔，將吸管穿過；將制作完成的盛水杯放在支撐架上，倒水觀察能夠翻倒．

實踐一：制作一個盛水杯，放在架子上，試試能否翻倒？

學生制作完畢，將他們的作品進行展示．大部分學生都能觀察到由于孔打得過高，盛水杯不能翻倒．

設問：如何能讓盛水杯翻倒呢？

學生意識到，應該將孔打得低一些．

實踐二：根據實踐一總結的經驗，再制作一個盛水杯，觀察使盛水杯翻倒的水量．

實驗完畢．大部分學生的盛水杯都能翻倒．但是有的同學的盛水杯盛一點水就翻倒，而有的同學的盛水杯能夠盛更多的水才翻倒．

提問：兩種盛水杯，哪種更實用呢？

按照我們計量的目的，肯定是盛多點水再翻倒更好．

總結：通過第一個實驗了解到，孔應該打低一些盛水杯才能翻倒．通過第二個實驗了解到，為了達到計量的目的，孔不能打得太低．由此我們發現，孔的位置決定了盛水杯是否能翻倒．以圖3為例.

圖3

以孔的位置為界限，將水分為上下兩部分．當上面比下面輕時，盛水杯穩定．當盛水杯上面比下面重時，盛水杯不穩定，翻倒了．

實踐三：總結實踐一和實踐二的經驗，你能制作出一個裝盡量多的水才翻倒的盛水杯嗎？

學生實驗．

總結：通過剛才3個實驗，相信同學們能看到盛水杯的3個狀態．當沒有盛水時，盛水杯傾斜．盛適量水時，盛水杯端正．當盛有較多水，使上面的水比下面的水重時，盛水杯翻倒．后來，人們根據這3個狀態總結出“虛則欹，中則正，滿則覆”[1]．

設問：你們從中得到哪些體會呢？

學生：做人要謙虛，不能驕傲自滿．

相信同學們已經了解到其中蘊含的“滿招損，謙受益”的人生哲理．

圖4

2.2 座右銘

古代帝王亦將欹器作為警戒之器置于座位的右側，時刻提醒自己要保持謙虛，切勿驕傲自滿．由于帝王的這種舉動，欹器又稱為右坐之器，這正是“座右銘”一詞的由來．早在春秋戰國時期人們就已經使用欹器，欹器的制作工藝并不復雜，但是在相當長的時間內失傳．清光緒年間人們制作了一架銅質鎏金的欹器，現存于故宮博物院，感興趣的同學不妨去參觀一下．

3 拓展提高

欹器的原理不僅在中國古代受到人們的重視，在現代的應用也十分廣泛．

炎熱的夏天，同學們都喜歡去水上樂園游玩，你們見過這樣的大水桶(圖5)嗎？當水桶內水量足夠多時便會翻倒．這時在下面的人們就能體會到飛馳而下的水流給人們帶來的涼爽和刺激．

圖5 大水桶

除了生活中的應用，利用達到固定量就翻倒的道理在生產上的應用也是十分廣泛的，例如翻斗式雨量計量器和油井計量器等．(圖6和圖7)

圖6 翻斗式雨量計量器 圖7 油井計量器

4 課程回顧

師：通過本節課的學習，同學們不僅認識了欹器和欹器的原理，還了解到其中蘊含的道理．最后，我們來回答課程最開始的問題．為什么獨輪車下面要墜一個花籃？

學生：讓下面比上面重，獨輪車在高空穩定．

師：一個普通的花籃能達到讓獨輪車穩定的效果嗎？咱們看看花籃中蘊含的奧秘．原來花籃里面裝了一個大秤砣(圖8)．

圖8 秤砣

5 教學體會

順應教育改革的大潮，初一年級增設了物理活動課程，給初一的孩子們提供了一個良好的動手、探究、帶著樂趣接觸科學知識的平臺．在此背景之下，北京市初一年級的物理活動課開展了起來．在活動課上，孩子們了解了很多新奇的物理知識，活動課的側重點在于動手實踐，而不是理論學習，這無形中減少了學生學習的負擔，從興趣的角度調動學生學習的積極性，在活動過程中讓學生初步了解一些生活中普遍應用的物理概念和知識．

“欹器”是一個歷史悠久、具有豐富教育價值的器皿．欹，原本是傾斜之意．欹器之名來源于該器皿自由放置時呈現傾斜狀態．隨著欹器內部水量的增加，它又出現“中則正，滿則覆”的現象，這正是物理中重心的知識．當欹器作為人們借以遵循的一種道德規范或行為標準時，人們又稱它為“宥坐之器”，或“右坐”器，或勸誡之器[2]．在現代，欹器滿則覆的原理應用到生活的各個角落，從水上樂園的大水桶到雨量計量器，再到油井計量器等．

本節活動課不僅使學生體驗到物理知識的神奇，還能讓學生走進博物館了解中國古代輝煌的科學技術成就．實驗設計符合學生的認知發展規律，讓學生經歷了完整的物理實驗探究過程，培養了學生實驗自主學習的能力．

參 考 文 獻

1 劉樹勇，白欣，著.中國古代物理學史.北京：首都師范大學出版社，2011.34

2 郭書春，李家明，主編.中國科學技術史·辭典卷.北京：科學出版社，2011.423

2015-12-03)