《力学单位制》的教学思考

胡均宇 武淑清

摘 要：《力学单位制》的教学是以研究性学习为主体的教学活动，整个教学过程以学生为主体，教师为主导，且在学习过程中着重研究了我国古代时间、长度和质量的单位，使学生从中体会到了我国传统文化的魅力，展现了立德树人的核心素养，同时学生也学会了资料收集和检索信息的研究方法，并能够用国际单位制处理物理学问题。

关键词：高中物理；力学单位制；中华传统文化；研究性学习

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2018）20/23-0114-04

2017年11月河北省教育科学研究所举办了高中物理青年教师优质课评比活动，其中一节选题为《力学单位制》的引起了教师们的关注和热议。该节课的教学要求一般为了解什么是单位制，知道物理量的基本单位和导出单位等。而这位参赛教师却把该课与人们的生活相关，并将物理量单位的演变与发展和传统文化的传承相联系，从而让学生体会到人文关怀和文化积淀的魅力。

在讲授《力学单位制》一节时，部分教师存在知识替代素养、练习替代能力的现象，更有甚者用与本节教学内容无关的小实验进行“假探究”，因此多数授课教师都没有实现选题者的教学目标。那么这节教学内容究竟应该怎样讲授才能达成教学目标呢？笔者认为本节课应该是一节在学生自主学习的同时又进行团队合作的研究性学习课，即以学生为主体，教师只是学习过程中的一员，对此下面笔者谈谈自己的想法。

《力学单位制》该课的重点是学习时间、长度和质量的基本单位，而这三个物理量的单位是人类历史上确立最早的单位，伴随着人类文明的进步而不断发展，因此在学习过程中应该让学生认识到单位制的形成与发展是人类文明进步的标志。

在授课之前，教师应将学生分成四个不同的探究小组，每组的探究内容分别为我国古代设定的时间与时间单位、长度与长度单位、质量与质量单位以及国外对这三个物理量和单位的确立及变化。然后每个小组根据所选择的内容进行研究，并写出相应的研究报告。在此过程中教师应提供引领性问题和素材，以便使学生的研究性学习有的放矢，我们提供的素材和问题如下。

一、中国古代关于时间及时间单位的变化

时间是人类用来描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数。要想确定时间，应依靠不受外界影响的物质变化周期，例如月球绕地球运行的周期、地球绕太阳运行的周期、地球自转周期、原子震荡周期等，这些都是我们计量时间的方法，且每一种方法都有其对应的时间单位。

我国古代的计时方式有很多，西周以后一般以地球自转一周为基准定义“天”，又采用地支计时法将一天分为12个时辰，并以子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥作為时辰的名称，子时为计时的起点，即现在时间23∶00～1∶00。以顾炎武在《日知录》中记载的时辰划分：“自汉以下，历法渐密，于是以一日分为十二时，盖不知始于何人，而至今遵而不废……”创设情境，提出以下问题。

问题1.日常生活中我们常问“现在几点了？”，回答“八点一刻。”“几点”是怎么来的？“一刻”又是什么含义？古代典籍中常有“午时三刻开斩”指的是什么时间呢？

我们所说的几点是指时间点，时间点就是时刻，属于时间上的某个瞬间，或时间轴上的某个点，作为时间间隔的起点和终点，它也是时间和空间的一个盲点。在时间点上的物体不会改变，同时所有的物体均处于一个静止的状态。

我国古代描述时间的单位也有“点”的概念。古人对白天与黑夜的称呼各不相同，白天称作“点钟”，黑夜称作“更鼓”，故有“晨钟暮鼓”之说。古人把一夜分为五更，按更击鼓报时，同时又把每更分为五点。每更为一个时辰，相当于现在的两个小时，即120分钟，则每点只占24分钟。“更”和“点”的使用在我国有3000多年的历史，在《周礼》和《旧汉仪》中对其均有记载，汉代《旧汉仪》中指出：“夜漏起，宫门之外，卫士击刁斗，以传五夜，城皇之内，击木柝，呼备水火。”由此我们可以看出现在我们所说的“点”和古时的“点”是两个完全不同的概念。

初步了解了“更”的概念之后，那我们所说的“半夜三更”又是什么意思呢？古人把一夜分为五更，规定戌时为一更，亥时为二更，子时为三更，丑时为四更，寅时为五更，与现在时间对应如下：一更天为戌时即19∶00～21∶00；二更天为亥时即21∶00～23∶00；三更天为子时即23∶00 ～01∶00；四更天为丑时即01∶00～03∶00；五更天为寅时即03∶00～05∶00。子时恰好是半夜，所以三更与半夜为同一时间。

我国古代有一种计时器叫刻漏，漏指漏壶，刻指箭刻，也就是标有时间刻度的标尺，它是根据漏壶中的水量变化来度量时间的。大约西周之前，古人就把一昼夜均分为100刻，在漏壶箭杆上刻100格，每格称为一刻，一刻折合成现代时间约等于14分24秒，这俗称“百刻制”。“ 百刻制”是中国最古老、使用时间最长的计时方式，但十二个时辰不能被百刻制整除，因此为了方便计算先后改为96刻、108刻和120刻。直到清代才正式规定一昼夜为96刻，每刻15分钟，每个时辰为八刻。中国古典小说常有“午时三刻开斩”的说法，午时三刻即午时正三刻，不是午时初三刻，按照每刻15分钟计算，午时三刻为当日的12点45分。

问题2.人们常说“一寸光阴一寸金”，怎么用长度单位表示时间呢？

到了西汉以后，在使用“百刻制”的同时，又采用了以圭表测量太阳照射物的物影长短判断时间的“太阳方位计时”法计时。圭表由两部分组成：一是直立于平地上的测日影的标杆或石柱，叫做表；另一个是在正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。有了圭表就可以用日影长度计量时间，由于用日影长度计量时间，所以生活中有“一寸光阴一寸金”的俗语。

问题3.我们现在有一种时间单位叫小时，为什么叫“小时”而不叫“时”呢？

北宋时期，人们将每个时辰分为“初”“正”两个部分，即“初时”和“正时”，也就是把一天十二个时辰分为二十四部分，每一部分称为“时”，民间为了与“时辰”区分，因此将其俗称“小时”。后来西方国家的钟表传入我国，其将一天分成二十四份，故每一份的名称也就沿用小时了。

二、中国古代长度及长度单位的确立

我们在长度的学习中要了解长度是如何确立的？长度单位确立的依据是什么？各朝代确立的长度单位的共同特点是什么？古代长度单位的大小与现代生活中长度单位的比较关系等。

问题1.我国古代最早的长度基准是什么？这个基准是怎样定义的？

黍是一年生草本植物，种子形小，子实饱满，在很久以前就已有栽培。西周之前，基于黍子实饱满的特点，古人常以黍为基准丈量物体的长度，即取子实饱满的黍，一粒黍为一分，一百黍为一尺。由此可知我们研究长度单位时必须要选择一个基准，并以此为标准确定其他的长度。在明朝魏学洢（约1596～约1625）《核舟记》中提到：“舟首尾长约八分有奇，高可二黍许”说明到明朝时，我国还用黍作为长度单位，由此进一步说明我国历史上各种长度单位同时使用。

问题2.在文学作品中也大量使用长度单位，“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”中“寻常”的本意是什么？“太行，王屋二山，方七百里，高万仞”中“里”和“仞”的含义你知道吗？“咫尺之书”“咫尺天涯”与物理有关吗？

“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”中寻常的本意是长度的单位，一般选择八尺为一寻，古人定义寻为度广曰寻，即人伸开两臂与肩平行，两手指尖间的水平距离为一寻；古人定义常为倍寻为常，1常为2寻，取一丈六尺为常。由于寻和常度量单位比较小，所以后引申为平常的意思。

“太行，王屋二山，方七百里，高万仞”中“里”和“仞”是不同的单位，其中“仞”是长度单位，而“里”则是面积单位。一仞为周尺八尺或七尺，用于测量深度。史记中记述：“度广曰寻，度深曰仞”。中国长度单位“里”的演变非常有特色，在清朝光绪34年之前，“里”一般是指面积单位，“方七百里”是指700里的面积。

“咫尺之书”“咫尺天涯”中咫和尺均为长度单位。西周以后以人体小臂长度为尺，因此小臂上有一骨骼命名为尺骨，一尺等于十寸。西周规定咫为八寸约合今制市尺六寸二分二厘。由于古代书写用木简，木简长度约一尺，因此“咫尺之书”是指书信。咫和尺的距离都很小，因此“咫尺天涯”比喻距离虽近但很难相见，像在很远的天边一样。

问题3.在《邹忌讽齐王纳谏》中提到：“邹忌修八尺有余”， 按现在市尺計算，邹忌身高应为2.6米多。现代人身高真的变矮了吗？

我们先看一下历史上各朝代尺与现代厘米的换算，换算如表1。

表1 历史上各朝代尺与现代厘米换算表

邹忌为战国时期的齐国谋士，因此生存年代应为战国，根据战国时尺与现代厘米的对应可知，邹忌的实际身高约为1.85米左右，这在当时已经属于非常高的帅哥了。

三、中国古代质量及质量单位的确立

在我国古代没有明确的质量单位，往往以能够测量的重量替代质量，因此重量概念的确立和演变比较复杂混乱，在我国古代重量单位一般包括：铢、两、斤、钧、石。

在确立重量的单位时同样要选择一个标准量作为基准，汉朝刘向在《说苑·辨物》中提到：“十六黍为一豆，六豆为一铢，二十四铢为一两，十六两为一斤。”由此可见古代重量同样以黍作为基准，即十六粒饱满黍子的重量为一豆，豆是古代重量基准的参考物，六豆为一铢，二十四铢等于一两，十六两即为一斤。历史上重量各单位之间的换算关系，1石=4钧，1钧=30斤，1斤=16两，1两=24铢。

问题1.从文学传记中我们可以体会到古人真乃神力，《史记·项羽本纪》中记载项羽“力能扛鼎，才气过人”是真的吗？

考古学发现，秦代最大的鼎应该是秦始皇陵百戏俑陪葬坑中部过洞内出土的秦代青铜大鼎，通高61cm、重212kg，这是目前发现的最大、最重的一件秦鼎。项羽所处的年代是秦末汉初，力能扛鼎也就是举起200多公斤的重物，若以212kg计算相当于秦末时的820多斤（秦末一斤相当于258.24克），当时这可谓神力。与现在相比较，和77公斤级挺举世界纪录210公斤基本相当。

问题2.我国古代重量与现代重量的关系如何？如何理解“半斤八两”？

同一单位在不同年代所代表的重量不同，例如单位斤和两。秦和西汉时期，一斤相当于258.24克，一两等于16.14克；王莽及东汉、魏晋南北朝时期，一斤相当于222.73克，一两等于13.92克；隋朝初年，一斤相当于668.19克，一两等于41.76克；隋末一斤相当于222.73克，一两等于13.92克；唐至清代，一斤相当于596.82克，一两等于37.30克。在1959年，中华人民共和国国务院发布《关于统一计量制度的命令》，改1市斤为10市两，1市两等于50克。我国古时采用1斤等于16两的十六进制，因此“半斤”就是“八两”。

在进行本节课的教学时，在课前应该完成课题研究实施过程即搜集资料、问题研究和整编资料，并形成各组的研究报告。而在课堂教学时应直接进入研究课的最后一个阶段，即进行评价、总结与反思，并通过学生成果展示、分享及交流完成本节课的教学任务，由此让学生了解课题研究的方法和中华五千年的辉煌历史，增强其历史责任感，同时让学生认识到统一单位制的必要性，使学生自觉自愿采用国际单位制，进而提升物理课堂的教学效率。