中国古代科技成就的物理教学转化研究

一、问题提出：科技遗产的教学价值与转化困境

《义务教育物理课程标准（2022 年版）》明确要求“通过古代机械案例理解能量转化”，但实施中存在两大矛盾：1. 认知脱节：学生熟知牛顿定律，却不知榫卯的弹性形变原理（前测仅 12% 学生了解）；2. 教学浅表化：教材对“水磨机械”仅作图片展示，未挖掘其能量转化逻辑（李，2024）。研究显示，融入科技遗产的 STEM 项目可使学习动机提升 40% （王，2025）。因此，亟需开发深度转化模型，实现“文物活起来，原理用起来”。

二、教学转化路径设计

（一）榫卯结构：从建筑智慧到力学探究

1. 核心原理转化：物理内核：凸榫凹卯的弹性咬合→接触面应力分布；抗震机制：节点摩擦耗能→动能转化为内能。2.STEM 项目设计——承重极限挑战：任务：用桐木制作燕尾榫模型（尺寸 10cm×5cm， ），测试竖向承重极限并计算理论值。学科融合：物理：测量榫头截面积A，施加压力F 至结构失效，计算破坏压强；数学：建立承重F 与榫头倾角θ 的函数关系（最优 ）；工程：优化榫头数量（单榫承重 2kgvs 三榫承重 8kg⟩ ）。文化解析：对比故宫柱础榫卯（抗震）与现代混凝土结构（抗压）的设计哲学差异。

（二）水磨机械：从农业工具到能量转化模型

1. 核心原理转化：能量流分析：水流重力势能→水轮动能→磨盘内能（摩擦生热） + 声能（噪音）。2.STEM 项目设计——能效优化实验：任务：制作简化水磨模型（高度差 ），测量输入 / 输出能量，计算转化效率。学科融合：物理：用流量计测水流质量m，光电门测水轮角速度ω ；技术：用温度传感器记录磨盘温升（计算摩擦内能）；工程：优化水轮叶片倾角（ 35^∘ 时效率达 48% ）。文化解析：剖析《天工开物》中“激水转磨，省力十倍”的定量描述（效率约40% 到 50% ）。

三、教学实施流程

（一）双循环探究模式，文化溯源→原理探究→设计制作→测试优化→文化反思。

1. 文化溯源阶段（1 课时）：

分析应县木塔榫卯抗震案例（历经 7 次地震未倒）；解读《王祯农书》水磨插图中的能量传递路径。

2. 设计制作阶段（2 课时）：

榫卯组：用CAD 设计榫头倾角，激光切割桐木拼装（安全规范：禁用刀具）；水磨组：3D 打印水轮叶片，调节导槽高度控制水流势能。

3. 测试优化阶段（2 课时）：

榫卯承重测试：逐级加载砝码至结构失效；水磨能效测量：对比有用功（研磨谷物量）与输入势能。

（二）差异化任务设计

基础层：复现直榫结构（承重 ⩾1kg ）或单级水磨（效率 ⩾30% ）；进阶层：设计减震榫卯（加装阻尼材料）或多级水磨（效率提升至 55% ）；挑战层：开发抗震建筑模型或水力发电装置（能量二次转化）。

四、实证效果分析

（一）量化数据

在 XX 中学初二年级实施6 周后：科学原理掌握：能量守恒计算正确率实验班达 78%（对照班 43% ）；榫卯承重理论值误差 ⩽10% 的小组占比 65% （对照班22% ）。创新能力表现：实验班提出榫卯创新方案 12 种（如可拆卸隼头），对照

班仅5 种；水磨效率优化提案实验班9 项（如叶片曲面化），对照班3 项。文化认同提升： 92% 实验班学生认同“古人智慧蕴含科学”（前测 35% ）。

（二）质性证据

1. 跨学科迁移案例：学生G3 在榫卯报告中分析：“应县木塔的斗拱层如同弹簧振子，地震时通过往复形变耗能，这正是课本讲的阻尼振动原理。”2. 工程思维进阶：水磨组 B 初版效率 32% →发现水流飞溅损失→增加导流罩→效率提升至41% →优化叶片角度→达 48% 。

（三）典型问题归因

1. 原理应用偏差：30% 小组忽略水磨轴承摩擦能耗（约占总输入 15%） ）；2. 材料局限：桐木榫卯承重低于古建松木（实测强度比0.6：1）。

五、讨论：转化模型的核心价值

（一）破解原理感知障碍

榫卯的“柔性连接”颠覆混凝土“刚性抗震”常识，使学生理解的实践意义。实验班课后访谈显示， 87% 学生认为“耗能抗震比硬抗更科学”。

（二）重构文化传承路径

水磨项目将《天工开物》文字转化为可测量的值，让“省力十倍”从定性描述变为 45% 转化效率的科学验证。学生 S7 感叹：“原来古籍记载经得起物理检验！”

（三）促进低成本实验创新

材料替代成效显著：农村校用竹片替代桐木制榫卯（成本降 80% ），承重达标准值 70% ；用自行车轮毂改装水轮，效率达 40% 。

六、结语

本研究证实：将榫卯结构（力学）与水磨机械（能量）转化为 STEM 项目，通过工程设计驱动原理探究与古籍文献反哺科学验证的双向路径，不仅深化核心素养落地，更培育“以古启今”的创新自信。其成功关键在于：1. 用物理语言解读科技遗产（如将“榫卯柔接”表述为弹性形变耗能）；2. 以定量实验验证古籍记载（如测水磨效率验证“省力十倍”）；3. 设计分层挑战任务（基础制作→能效优化）。未来可拓展： ① 结合 VR 技术复原古代工坊场景； ② 开发跨校科技遗产 STEM 挑战赛。让中华科技智慧成为物理教育的活水源泉，方能在创新中赓续千年文脉。

参考文献：

[1] 教育部 . 义务教育物理课程标准（2022 年版）[S].2022.

[2] 李文明 . 科技遗产在物理教学中的转化模式研究 [J]. 课程教材教法，2024（6）.

[3] 王祯 . 王祯农书（校注本）[M]. 中华书局，2020.