传统文化在物理教学中的应用*

熊万杰 徐初东

(华南农业大学电子工程学院 广东 广州 510640)

宋全胜

(翔宇教育集团监利新教育实验学校 湖北 监利 433300)

中华传统文化源远流长、博大精深.古人不仅在文学创作上华章迭出、精彩纷呈,对自然现象的记录与认识也是卷帙浩繁、哲思泉涌.将传统文化引入物理课堂，用来辅助对物理概念的理解,促进对物理情景的营造,丰富对物理知识的解析以及推动对物理方法的领悟，有助于将物理知识变抽象为形象，将物理学习化兴味索然为兴趣盎然.同时弥合文化与物理之间的隔阂，提升学生的科学素质和文化修养，激发他们的创造潜能，从而优化物理教学,拓展物理课程的教育教学功能[1～4].

1 辅助物理概念的理解

中华传统文化尽管在很长一段时间内领先于世界，但我们的祖先对自然界和自然现象的记录、分析和解释并没有在中华大地进一步催生出系统的物理学.原因在于古人对一些现象的观察和描述没有上升到定量分析的高度，数学作为一种基本工具没有和现象分析很好地结合起来.然而，中华传统文化中的一些直观的、朴素的思辨论述从今天来看，仍闪烁着思想的光芒，有些甚至与现代物理学的核心思想不谋而合.因此引用这些论述来辅助对物理概念的理解具有得天独厚的优势.

1.1 力的概念

春秋战国时期的墨家学派认为,“力，刑之所以奋也.”这里的“刑”是通假字，通“形”，即形体的意思.“奋”这一词有丰富的内涵，在这里指的是自然界中的各种“变化着的运动”，比如小鸟翅膀的来回振动、快马跃起、箭的离弦等等.奋的古字为“奮”，是一个会意字，中间是“隹”(鸟)，外面像鸟振翅欲飞之势，下面是“田”，表示空旷的田野.因此，“奋”的本义指鸟类振羽展翅，后引申为“震动”.《易·豫》中有“雷出地奋”之说，《广雅》则释为“奋，动也”.这并不是普通的“运动”，而是变化着的运动.整句话的意思是说，力是物体运动之产生或者运动状态之变化的原因.尽管这句话是古人对于身边的物理现象进行的形象思维，但其意思与现代物理学中“力”的定义基本一致(即力是物体运动状态改变的原因).了解这些，我们不得不佩服古人深邃的洞察力.

1.2 功的概念

宋代著名建筑学家李诫(公元1035—1110年)在《营造法式》第六十卷中规定“功”这一单位工作量时，写道：

诸舟船般载物(装卸在内)，依下项：一去六十步外般物装船，每一百五十担(如粗重物一件及一百五十斤以上者减半)；一去三十步外掘土兼搬运装船者每一百担(一去一十五步外者加五十担)；溯流拽船每六十担；顺流驾放每一百五十担；右各一功.

此处“般”通“搬”，“担”是量词，相当于50 kg，“溯流”即逆流而上.在这里，李诫规定一个“功”时，不仅规定了距离，而且规定了负荷重量.当荷重增加一倍或距离缩短一半时，相应的距离减少一半或荷重增加一倍，才保持一个单位“功”不变.物理学中对“功”的定义为：物体所受的作用力和在作用力方向上运动距离的乘积.虽然李诫规定的单位工作量“功”和物理学中的“功”不尽相同，但包含了“功”概念中的两个基本因素，即力和距离.有了“功”的规定，古人就可以事先就把工程量以功为单位计算出来，那么工钱怎么算，就按照功的数量计算便可[5].这一计算方法一直沿用至今，当前民间建筑行业计算工钱仍然采用传统“功”的概念.

2 促进物理情境的营造

物理情境是指物理问题经过理性思考后在人脑中形成的关于物理现象、物理过程等的反映，即表象.物理情境不完全等同于物理现象，它有两层含义：一是具象，是人脑对具体物理现象形象化的反映；二是概象，是人脑对某一类物理现象经过抽象概括后形成的模型化的形象.物理情境教学与学生的形象思维培养密不可分，它既是学生学好物理的必要条件，又是思维发展的基础[6].

古人记录了大量实际的、经验的或技术意义上的物理现象，而现象是物理学的根源.运用古人的这些记载来促进对物理情境的营造，能达事半功倍的教学效果.不过，我们对传统文化需要批判的继承，从现代科学的角度来发掘有益、有价值的部分，摒弃封建甚至是迷信的糟粕.因此，只有在对传统文化内容分析、加工之后才能将其运用至物理课堂中.

2.1 尖端放电

东汉著名文学家、史学家班固(公元32—92年)在《汉书·西域记》中记载了汉朝征讨匈奴过程中为开辟通往玉门关的近道，与车师后王国(约在今新疆吉木萨尔县一带)的国王姑句交涉的故事.原文如下：

元始中，车师后王国有新道，出五船北，通玉门关，往来差近，戊己校尉徐普欲开以省道里半，避白龙堆之厄.车师后王姑句以道当为拄置，心不便也.地又颇与匈奴南将军地接，普欲分明其界然后奏之，召姑句使证之，不肯，系之.姑句数以牛羊赇吏，求出不得.姑句家矛端生火，其妻股紫陬谓姑句曰：“矛端生火，此兵气也，利以用兵.前车师前王为都护司马所杀，今久系必死，不如降匈奴.”即驰突出高昌壁，入匈奴.

此处，“元始”为汉平帝年号，共5年(公元1—5年)；“戊己校尉”是汉朝官名，掌管西域屯田事务，为屯田区最高长官；“赇”(念qiú)，贿赂之意；矛、戈、戟等为古代的兵器，都有尖利的锋刃；“车师前王”即车师前王国的国王兜莫；“高昌壁”即戊己校尉驻所，在新疆艾丁湖的北面.整段话是说：汉平帝年间，(汉朝发现)车师后王国有一条新道，从五船以北可通到玉门关，往来较近.戊己校尉徐普想要开此新道，因其可以省一半的路程，又可避开白龙堆的危险地区.车师后国王姑句认为该新道直贯本国，内心不满.新道所在地与匈奴南将军地连接，徐普想划明此界限以报告皇上，就召姑句，让他帮助证明.可是姑句不肯，徐普就把他逮捕了.姑句几次用牛羊贿赂汉官，要求放他出去，都未获准.姑句家的矛头上冒火花，姑句之妻股紫陬(zōu)对姑句说，“矛头上冒火花，这是兵气，有利于打仗.以前车师前王被都护司马杀死，今天你长时间被关押，必定也要死.不如投降匈奴.”于是(姑句)就骑马逃出高昌壁，投降匈奴.

这段古文中所描述的矛头上冒火花的物理情境，属于典型的“尖端放电”现象(图1).即雷电与矛之间发生静电感应，使矛尖带电.尖端处面积很小，电荷面密度大，导致其附近电场很强，该电场将周围的空气电离而产生气体放电，冒出火花.

图1 尖端带电体的电场

2.2 磁针与磁场

南宋民族英雄文天祥(公元1236—1283年)在赣州知州任上时，以家产充军资，起兵抗元，入卫临安，不久任右丞相，赴元军谈判被扣留，拘押北行.后脱险南归，率兵抗击元军.景炎元年(公元1276年)，他在从南通往福州拥立端宗以力图恢复的途中，作《扬子江》一诗以述志：

几日随风北海游，

回从扬子大江头.

臣心一片磁针石，

不指南方不肯休.

诗人用“磁针石指南”这一固有自然现象来比喻他抗元的坚定决心以及忠贞于自己国家的坚韧意志，可谓生动形象、掷地有声.是啊，南方——那里正是自己国家大宋的版图，那里正是自己心灵永远的栖息地，那里正是自己为之魂牵梦绕、朝思暮想的地方！景炎三年(公元1278年)，文天祥因兵败被俘，在狱中坚持斗争，4年后终以不屈而被害.“人生自古谁无死，留取丹心照汗青”，文天祥的爱国主义精神彪炳史册，鼓舞和影响了一代又一代中国人.

有了“磁针石指南”这一物理情境，就可以在此基础上进一步引出地磁场、磁极的概念，甚至可以从电子自旋的角度分析物体磁性的起源.事实上，地球周围有磁场，其外部磁感线的方向是由地理南极指向地理北极.若把地球看成是一个巨大的磁体，它也有地磁南极和地磁北极，只不过地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近(图2).磁针石具有磁性，分为南极(S极)和北极(N极).在地磁场的作用下，按照“同名磁极相斥、异名磁极相吸”原理，小磁针南极的指向与地球外部磁感线方向相反，也就是从地理北极指向地理南极.现代人们用的指南针，一般将N极指针涂红，因而指向地理北极.

图2 地磁场

2.3 伯努利方程

李清照(公元1084—1155年)是宋朝著名女词人.宋徽宗建中靖国元年(公元1101年)，18岁的李清照嫁给太学生赵明诚，婚后不久，丈夫便“负笈远游”，深闺寂寞，她深深思念着远行的丈夫.崇宁二年(公元1103年)，时届重九，人逢佳节倍思亲，便写了《醉花阴》一词寄给赵明诚.作者通过描述重阳节把酒赏菊的情景，烘托了一种凄凉寂寥的氛围，表达了作者思念丈夫的孤独与寂寞的心情：

薄雾浓云愁永昼，瑞脑消金兽.

佳节又重阳，玉枕纱厨，半夜凉初透.

东篱把酒黄昏后，有暗香盈袖.

莫道不销魂，帘卷西风，人比黄花瘦.

这首词上片咏节令，写别愁；下片写赏菊情景.作者在自然景物的描写中，加入自己浓重的感情色彩，使客观环境和人物内心的情绪融和交织.尤其是结尾3句，“莫道不销魂，帘卷西风，人比黄花瘦”，从人文的角度来讲，营造了西风瘦菊、佳节冷落、佳人对花兴叹、顾花自怜的图画，用黄花比喻人的憔悴，以瘦暗示相思之深.从物理的角度来看，是说西风吹拂，掀起了室内的帘子，这是因风起导致的室内外压力差而致：词人的屋子内外由窗户上的窗帘隔开，若其窗户朝南，当西风拂来，屋外空气流速大.根据伯努利方程，流速大的地方压强小，这使得室内压强大于屋外压强，这个压力差将帘子从室内向屋外卷起.

3 丰富物理知识的解析

尽管在我国未能首先产生现代意义的科学技术，但并不意味着没有产生科学技术.源于日常生活和生产实践，古人不仅记载了一些自然现象本身，同时为了解释这些现象还提出了一些科学观念，甚至进行了必要的实验.运用这些科学文化史上的珍宝来丰富对物理知识的解析，能够提升物理教学的趣味性，加深学生对物理知识的印象.

3.1 凹面镜成像

北宋科学家沈括(公元1031—1095年)一生致志于科学研究，在众多学科领域都有很深的造诣和卓越的成就，被誉为“中国整部科学史中最卓越的人物”，其著作《梦溪笔谈》内容丰富，集前代科学成就之大成，在世界文化史上有着重要的地位.其中，沈括对凹面镜成像进行了深入和精确的阐述，他在《梦溪笔谈·阳燧照物》中指出：

阳燧照物皆倒，中间有碍故也，算家谓之“格术”.如人摇橹，臬为之碍故也.若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违：鸢东则影西，鸢西则影东.又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂，与阳燧一也.阳燧面洼，以一指迫而照之则正；渐远则无所见；过此遂倒.其无所见处，正如窗隙.橹臬腰鼓碍之，本末相格，遂成摇橹之势，故举手则影愈下，下手则影愈上此其可见.阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内.离镜一二寸，光聚为一点，大如麻菽，著物则火发，此则腰鼓最细处也.

“阳燧”即凹面镜，“碍”就是凹面镜的焦点，这是后人研究多年后得出的结论.这段话的意思是说，用凹面镜照物体都是倒立的影像，是因为中间有焦点的缘故，算学家说这叫做“变革的方法”.譬如人摇橹，作支撑的小木桩成了橹的支点，使橹两端的运动方向相反；又像老鹰在空中飞行，它的影子随着鹰飞而移动，如果鹰和影子之间的光线被窗孔所约束，那么影子与鹰飞的方向就相反了：鹰往东飞，则影子向西移动，鹰往西飞，则影子向东移动；又如楼塔透过窗孔成像的现象，中间的光线为窗孔所约束，其影子是倒立的，这与凹面镜成像情况类似.凹面镜的镜面是凹陷的，当一个手指靠近镜面时，像是正的；当手指渐渐移到焦点时，像就不见了；超过焦点，像就倒过来了.凹面镜的焦点，正如约束光线的窗孔，改变动力方向的架橹木桩.木桩架在架橹的中部，摇橹时在橹的一端向后用力，橹的另一端却向前运动.与之类似，光线被窗孔约束后，人们可见手举起时影子向下，手放下时影子向上.太阳光对着凹面镜照，光都向中间汇聚，在离镜面一二寸的地方，光线聚结为一点，像芝麻粒、豆子那样大，放一个东西在那里就会着火，这就是焦点，类似于腰鼓最细的地方.

这里沈括先是用摇橹的支点比喻了凹面镜的焦点，后又用老鹰在空中的飞行比喻了凹面镜成像的倒立情况.然后说明手指从镜面外移，先见正立虚像；近焦点时，像无所见；过焦点再向外移，则见倒立实像(图3).他明确区分了凹面镜在焦点内外的成像情形.不仅如此，他还进一步描写了焦距长度与焦点大小的情形：焦距大约一、二寸，光会聚于焦点.这大概是中世纪期间对凹面镜及其成像特点最清晰、最具体的物理描述.

图3 凹面镜成像

3.2 浮力定律

中国古代关于浮力的记述最早出现于《墨经·经下》篇：

荆之大，其沈浅也.说在具.

这里的“荆”指荆木，“沈”即沉；“浅”，即少，“具”通举.意思是说：荆木的体积很大，但沉入水中的部分少，原因在于受到了水的托举.对此，《墨经·经说下》进一步解释道：

荆沈，荆之贝也.则沈浅，非荆浅也.若易，五之一.

这里的“贝”，当为“具”之误，“易”，交换、比较之意.意思是说，荆木沉在水中受到了托举作用，没入水中的深度较浅的原因并非荆木自身尺寸小.正如在市场中交换商品一样，其沉入水中的体积是总体积的五分之一.这里的托举作用实际上就是浮力，荆木受到的浮力与其重力平衡.荆木有多少比例的体积浸在水中，取决于它与水的密度的比.

4 推动物理方法的领悟

中华传统文化中蕴含的某些思想，对现代科技的产生具有一定的启示意义，正如比利时物理学家、1977年诺贝尔物理学奖的得主普里高津(I.Prigogine，1917—2003)在《从混沌到有序》里所说的那样：“中国的思想对于那些想扩大西方科学的范围意义的哲学家和科学家来说，始终是个启迪的源泉.”通过比较中华传统文化中的某些思想与相应的物理学方法，有助于推动和加深对物理方法的领悟.

4.1 直觉

直觉是一种重要的创造性思维方法，他不同于形式思维方法，也不同于辩证思维方法和形象思维方法.科学家的直觉，是面对各种可能性作出正确选择的重要能力，是科学研究和创造的最可贵因素，是科学创造中的一个必然环节，具有逻辑思维所不能代替的作用.在谈到基本规律的形成时，爱因斯坦曾说：“没有什么合乎逻辑的方法能导致这些基本定律的发现.有的只是直觉的方法，辅之以对现象背后的规律有一种爱好.” 他一再重申：“从特殊到一般的道路是直觉性的”.直觉就是一种非逻辑的思维能力，直觉产生是人类理智活动的一种飞跃现象.在创造性活动和建立新概念的过程中，直觉作为一种创造性的心理因素起着重要的作用.物理学史上，阿基米德发现浮力定律、伦琴发现X射线、爱因斯坦发现狭义相对论都是直觉思维的结果[2].

物理中的直觉思维与中国古人治学中强调的“灵感”作用类似.如近代大学者王国维(公元1877—1927年)在《人间词话》中所言：古今之成大事业、大学问者，必经过三种之境界：“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路.”此第一境也.“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴.”此第二境也.“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处.”此第三境也.这第三境界既可解释为从量变到质变的飞跃，又可认为是“蓦然回首之灵感或直觉”，只不过这种灵感是根植于“望尽天涯路”第一境界的登高望远、明确目标与方向、了解事物概貌，以及“为伊消得人憔悴”第二境界中对学问的坚定不移、废寝忘食与孜孜以求.

4.2 极限推导法

如果两个量在某一空间的变化关系为单调上升或单调下降的函数关系(如因变量与自变量成正比的关系等)，那么，连续地改变其中一个量总可以使其变化在该区间达到极点或极限.在这种情况下，把所思考的问题及其条件进行理想化假设，当假设被一步步地推到极端时，问题的实质就会水落石出.或者说由已知的实验(或过程)根据连续性原理，把研究对象或过程外推到理想的极限值加以考虑，即把连续的变化推想到极大或极小的情形，使主要因素或问题的本质暴露出来，从而得出规律性的认识或正确的判断[7].极限推导法是一个很重要的物理方法.近代物理学的先驱、意大利物理学家伽利略(G.Galileo，1564—1642)就是运用了这种科学方法, 设计出了基于倾斜度变化的斜面、并忽略阻力的理想实验，推翻了“力是维持物体运动原因”的错误观点[4].

中华传统文化中关于极限思维的描述与应用屡见不鲜.例如初唐四杰之一的王勃在《滕王阁序》里写道“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”.这两句诗以落霞、孤鹜、秋水和长天四个景象描绘了一幅色彩协调、动静搭配的彩色图画.而这里面的极限思维是非常明显的，否则，怎会有孤鹜和落霞一起飞？无非是把孤鹜所在的地方向着极限推演，那里正有落霞.否则，怎会有秋水和长天共一色？无非是把秋水延伸的长度向着极限推演，那里正是天空.当然，实际情况不是如此，作者所描述的是视觉效果.本来辽阔而浩渺的景色背景下，孤鹜和秋水看起来都比较远，这里把“远”的概念发挥到了极致，这就将两类看似没有关系的孤鹜与落霞、秋水和长天融合在了一起，有相辅相成、相得益彰之妙.

5 总结

科学与人文密不可分，相异互补，人文中含有科学的基础与珍璞，科学中蕴藏人文的精神与内涵.科学和人文是社会发展进步的两大支柱，缺一不可.物理学是自然科学的基础学科，将中华传统文化引入物理教学，开展融合传统文化与物理学的教育，有助于培养学生的学习能力、语言表达能力和分析解决问题的能力，并帮助学生们在认识上跨越人文科学与自然科学的知识鸿沟，开阔视野，实现全面发展.

参 考 文 献

1 熊万杰．将中华传统文化思想融入大学物理教学之初探．物理与工程，2009(2)：37～40

2 熊万杰，袁凤芳，温景立．中华传统文化中有关物理学以及方法论的知识．物理通报，2011(2)：85～88

3 熊万杰，戴占海，郭子政．关于古文名句融入物理教学的思考．物理通报，2012(10)：117～120

4 熊万杰．物理学与传统文化．北京：科学出版社，2017.8

5 戴念祖，刘树勇．中国物理学史·古代卷．南宁：广西教育出版社，2006

6 边良．物理课应重视物理情景教学.中国民族教育，2007(1)：33～35

7 赵斌．物理思维十七法．物理教学，2016，38(9)：51～56