傳承與創新：探索拉哨的研究性學習

摘" "要：在研究性學習活動中融入優秀傳統文化，以 “拉哨”為載體，對拉哨的旋轉過程和發光原理進行深入分析，并進一步引導學生動手制作簡易離心機，使學生能夠從實踐中獲得對力矩、圓周運動、離心運動等概念的理解，并認識到傳統文化與現代技術之間的潛在關聯，對促進文化的傳承與創新具有重要的教育意義。

關鍵詞：傳統文化；拉哨；力矩；圓周運動；離心運動

中華優秀的傳統文化承載著民族的智慧與精神，深化中華優秀傳統文化教育，不僅能為學生注入新時代的精神動力，更是培育新時代社會主義建設者的關鍵之舉[ 1 ]。研究性學習符合新課標對學生現階段核心素養培養的要求，從學生的直接經驗和生活實踐中找出問題、分析問題、解決問題、得出結論，強調學生作為學習的主體，有助于激發學生學習的積極性[ 2 ]。為使中華優秀傳統文化發揮立德樹人，啟智潤心的積極作用，教師在教學過程通過合理開發優秀傳統文化資源，展開研究性學習活動，激發學生獨特的文化自信，發展學生的創造性思維，搭建物理知識、傳統文化和現代應用的橋梁[ 3 ]。文章以我國民間傳統玩具“拉哨”為切入點，探討如何巧妙地將中華優秀傳統文化融入研究性學習之中，具體的教學流程和實施步驟，詳見圖1。

1" 引入拉哨，激發興趣

在開展研究性學習的最初階段，教師向學生展示拉哨玩具，講解其深厚的歷史淵源及其應用。拉哨的構造非常簡單，將繩子穿過竹片上的兩孔，繩子末端系牢即可，如圖2所示。其歷史可以追溯到數千年前，在中國的考古發現中，牛河梁紅山文化遺址出土了許多形似拉哨的穿孔玉器[ 4 ]，有專家推測這些為先民的拉哨制品。另有研究發現，北美地區的克里人早期使用蜂鳴器玩具[ 5 ]，這進一步證實了古代拉哨的存在。

接下來教師示范如何使拉哨旋轉起來。首先將繩子拉直，在垂直于紙面的方向甩動盤片，觀察到繩子纏繞縮短，緊接著將兩手柄向外拉，如此反復，竹片便持續旋轉起來，如圖3。伴隨著轉動發出的呼呼聲，拉哨完全吸引了學生的注意力，學生心中自然而然地涌現出疑問：拉哨是怎樣保持高速旋轉？

2" 明確目標，剖析原理

2.1" 探究傳統拉哨的旋轉原理

為了解開學生心中的疑惑，教師為學生介紹一個重要的物理概念：力矩（Moment），它描述一個力在物體上產生的旋轉效果，即力對點的矩矢等于矩心到該力作用點的矢徑與該力的矢量積，公式表達為：

盤片的旋轉動力源于繩子與盤片之間的作用力，當相互纏繞的繩子被拉伸時，接觸點產生的支持力的力矩作用于盤片，從而使盤片旋轉起來。對施加拉力之后繩索被拉伸瞬間進行分析，如圖4。在靠近盤片的左側小孔處，繩子①的作用力偏向于小孔側上方，在接觸點對盤片的支持力是斜向上的，如圖4中F1；繩子②對盤片的力是對右側小孔偏向斜下方的，如圖4中F2；當繩子兩端受到拉力時，繩索對盤片壓力的力矩會使得盤片順時針旋轉起來。

在學生掌握拉哨旋轉的力學原理之后，教師嘗試引導學生分析拉哨的旋轉過程，圖5說明了拉哨的周期性旋轉：

（1）纏繞繩子，使繩子縮短，盤片靜止，如圖5中狀態①；

（2）接下來將兩側手柄向外拉動，使繩子解繞，并帶動盤片順時針旋轉（從左向右看），如圖5狀態②；

（3）隨著繩子解繞，盤片轉速會越來越快，直至繩子完全解繞，兩繩子恢復平行狀態，此時盤片的轉速達到最大，如圖5狀態③。

（4）接著，由于盤片自身慣性，盤片將繼續順時針旋轉，繼續纏繞繩子，如圖5狀態④；

（5）直至繩子纏繞到最短，如圖5狀態⑤，此時只需再次施加拉力，盤片便能持續地旋轉。

教師可向學生拋出問題：要使盤片持續旋轉，為什么必須得不斷施加拉力？學生根據已掌握的能量相關理論知識可以做出解釋：系統輸入的能量是由人施加的力做功轉化而來，在旋轉時會通過摩擦在系統中耗散，若不施加拉力，系統無外力做功，隨著能量的耗散，盤片便會停下來，這一過程體現了能量守恒的思想。

2.2" 探究現代拉哨的發光原理

探究拉哨的旋轉原理之后，教師繼續向學生展示由塑料飛輪、拉環以及尼龍繩制成的發光拉哨，如圖6（a）。拉哨的側邊設有小孔，如圖6（b），在旋轉的時候，氣流通過側邊小孔進入拉哨的內部通道，由于內部空氣柱振動發出類似于口哨的聲音，隨著轉動速度的加快，發出的哨聲就越響亮。拉哨中還加入了發光元件，在玩耍時還會出現絢麗的光效，進一步激發學生求知的欲望，學生可能產生疑惑：為何拉哨不旋轉時不會發光，而在旋轉時卻能發光？

為引導學生探尋問題的答案，教師向學生展示現代拉哨的內部結構，如圖7所示。拉哨包含兩個紐扣電池，一個LED燈（燈的左引腳為鐵絲，右引腳為彈簧）以及一個“冂”形線框等元件。

學生觀察電路結構可以發現，在轉動之前，各元件依次排布在凹槽中，由于彈簧引腳不與“冂”形線框右端接觸，電路處于斷開狀態， LED燈不發光，如圖7（a）；

當拉哨旋轉時，各元件繞中心做圓周運動所需要的向心力應滿足：

F_n=mω²r ②

m是物體的質量，ω是物體轉動的角速度，r是物體到旋轉中心的距離。隨著角速度的增大，提供的向心力不足以維持彈簧做圓周運動，彈簧引腳將做遠離圓心的運動，逐漸向“冂”形線框的右端靠近，當達到一定的角速度時，彈簧引腳將與“冂”形線框的右端相接[ 6 ]，形成閉合回路，則LED燈發光，如圖7（b）。

在人教版高中物理必修二的第六章“圓周運動”中，課程標準要求學生了解生產、生活中的離心現象及其產生原因，強調通過物理知識與現實情境相結合的教學方式，以實現知識的可視化，提高學生的理解和應用能力[ 7 ]。在探究拉哨發光原理的教學活動中，學生能夠將抽象的物理概念與具體現象相結合，體現了知識的可視化，從而加深對圓周運動與離心運動的理解，并為接下來設計離心機的實踐活動打下堅實的知識基礎。

3" 實踐演練，制作“簡易離心機”

至此，教師便可順勢提出新的目標：物體在旋轉過程中可能會做離心運動，能不能利用此特點設計出離心機呢？據文獻表明，斯坦福大學的研究人員利用拉哨旋轉時的離心力制成紙質離心機，每分鐘能達到125，000轉的速度，產生高達30，000 g的離心力。不僅成功地分離了血漿與紅細胞，還分離出含有瘧原蟲的血細胞進行瘧疾診斷，為全球衛生事業帶來了巨大的裨益[ 8 ]。有成功的實踐在前，學生必定信心十足。通過查閱資料，收集信息，得知離心機在旋轉過程中，由于離心作用，質量較大物質會向外側運動，質量較小的留在靠近中心的位置，從而實現物質分離[ 9 ]。學生嘗試設計簡易離心機的模型，教師為學生準備好可能需要的材料，制作步驟如下：

（1）根據離心管的形狀和大小將木質盤片進行切割，并將離心管固定在凹槽上，為方便離心多種物質，可以用強力膠帶將離心管固定，如圖8。

（2）選取長度，硬度適中的尼龍繩，將尼龍繩穿過盤片中心兩個小孔，系在拉環上，方便快速拉動繩子，簡易離心機的成品如圖9。

離心機制作完成后，進入驗收成果環節，教師組織學生進行分離淀粉懸濁液的實驗，學生將待分離的淀粉懸濁液轉移到離心管中，并拉動簡易離心機，離心管中淀粉顆粒會在試管底部沉淀，水則留在頂部，從而實現淀粉和水的分離，學生實驗分離效果如圖10。在驗收成果時，部分學生遇到離心機“轉動失衡”和“轉速過慢”等問題，導致離心效果不顯著。面對這些挑戰，教師巧妙地引導學生深入分析可能影響離心效果的各個因素，并逐一排查解決。這一過程不僅鍛煉了學生的實踐技能，更是培養了學生的創新思維和問題解決能力。

4" "評價與反思

本次研究性學習以傳統民間玩具“拉哨”為載體，巧妙地將中華優秀傳統文化與現代物理知識相融合，從觀察拉哨旋轉的現象，到分析其蘊含的物理原理，再到親身制作簡易離心機，學生們不僅深入理解了力矩、圓周運動、離心運動等物理概念，更在實踐中體會到其應用價值。研究性學習的教學方式使教師在教學設計上更具靈活性和可操作性，在增強學習趣味性的同時，實現理論知識向實踐技能的轉化，讓學生們真切地感受到物理知識服務于社會的宗旨。中華優秀的文化資源承載著中華民族的智慧與創造力，在研究性學習活動融入中國傳統文化元素，有助于激發學生對中華優秀傳統文化的認同，并促進其對中華傳統文化的傳承，為中華優秀傳統文化的延續注入了新的活力。

參考文獻：

［1］ 姚邁新.以中華優秀傳統文化助推中國式現代化[J].探求，2023（2）：27-33，120.

［2］ 朱敏佳，潘以鋒.淺析研究性學習的過程指導與評價模式[J].教育現代化，2019，6（77）：124-127.

［3］ 張惠玲.在高中物理教學中開展有效研究性學習的實踐研究[J].物理教師，2016，37（10）：10-12.

［4］ 范杰.牛河梁遺址出土玉貝的考古學研究[J].黃河·黃土·黃種人，2020（16）：23-29，33.

［5］ Skinner， Alanson. Notes on the eastern Cree and northern Saulteaux[M].New York ： Published by order of the Trustees [of the American Museum of Natural History]， 1911：140.

［6］ 郭可馨， 程敏熙， 梁平， 等.核心素養導向下“離心現象及其應用”教學的創新設計[J].物理教學，2017，39（7）：6-9，12.

［7］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

［8］ Bhamla S.， Benson B.， Chai C.， et al. Paperfuge： An ultra-low cost， hand-powered centrifuge inspired by the mechanics of a whirligig toy[J].Molecular Biology of the Cell，2016（27）：1-17.

［9］ 傅哲源.拉哨離心機[J].發明與創新（高中生），2023（11）：18-23.