来都江堰，解密一堂“最杰出的应用物理课”

○成都理工大学数理学院 陈妙珂

家庭实验室全国协作学校共同体联盟总部 陈 耀

外江排洪，内江流入成都平原引水灌溉

前言

都江堰，位于四川省都江堰市城西，坐落在成都平原西部的岷江上，是由渠首枢纽（鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口灌区）、各级引水渠道、各类工程建筑物、大中小型水库和塘堰等构成的一个庞大的工程系统。它担负着四川盆地1130 余万亩农田的灌溉、城市生活供水等功能。

秦昭王后期（约公元前276年—公元前251年），蜀郡守李冰总结了前人治水的经验，组织岷江两岸人民，修建都江堰。其中妙绝天下的飞沙堰工程修建于唐代。

都江堰是当今世界年代久远、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。它充分利用当地西北高、东南低的地理条件进行建造。经过历代整修，两千多年来，一直发挥着巨大的作用。

如果给孩子们设计一个古代的工程遗址科考线路，都江堰无疑应该是排在前面的。都江堰实在是太杰出，以至于我们完成都江堰的科考活动6 年了都不敢写下来。

为什么不敢写？因为里面的科学原理，在今天看来都仍然令人拍案叫绝。我们的老祖先在几千年前居然就会对物理学原理进行运用。那个时候应该还没有热胀冷缩的概念，但是却把热胀冷缩的原理运用到巧夺天工；到了唐代再次修缮时，应该还没有离心力的说法，但是却把离心力的原理运用到天衣无缝！

这样的工程是我们后来人必须要“顶礼膜拜”的！

其实，我们团队在十多年前就多次去踩点都江堰。刚开始连我们自己都一头雾水，去了好几次后终于摸清楚了门道。这期间，我们还发现一个很奇怪的现象，就是游人们游玩的时间都很短，基本上就是去拍拍照，完成打卡就出来，所以导游们会说基本上半个小时到一个小时之间就可以完成游览！

冲着都江堰世界文化遗产、世界自然遗产、世界灌溉工程遗产三大世界级遗产的金名片，来到都江堰，怎么能一知半解地游览、一知半解地拍照就完了呢？我们觉得应该要设计一个高质量的融合科考课程。

NO.1 如何设计高质量的都江堰课程

对于我们这些成人，看了都江堰都觉得很烧脑，要是孩子们进入都江堰景区，估计只能是莫名其妙了，因此，如何设计都江堰高质量科考课程，成了我们攻坚的任务，以至于我们在科考前做了很多准备，数次来到这里实地探访。

随着探访次数的增加，我们对都江堰的理解，从最初的欣赏，到了最终的敬畏。所以我们在设计课程时，从探究名字开始。

都江堰最初的名字并不叫都江堰，秦蜀郡太守李冰建堰初期，都江堰名叫“湔堋”。这是因为都江堰旁的玉垒山，秦汉以前叫湔山，而那时都江堰周围的主要居住民族是氐羌人，他们把堰叫做“堋”，于是都江堰就有了“湔堋”之名。

三国蜀汉时期，都江堰地区设置都安县，因县得名，都江堰又称“都安堰”。至唐代，改称为“楗尾堰”。直至宋代，在宋史中，才第一次提到都江堰。

“堰”这个字，也有名堂——堰指的是较低的挡水构筑物，作用是提高上游水位，便利灌溉和航运。

在我们的初步设想中，首先是探究名字的来历，通过名字弄清楚历史和对后世的影响。这些任务在出发前让大家进行研究，通过演讲会形式进行交流。

在都江堰科考过程中，重点放在飞沙堰和宝瓶口，在现场进行科学实验，结合现场实验，探究古人的科学思想。特别是都江堰背后的契合于“因势利导”的哲学思想。

NO.2 科学老师们设计的历史课

经过几年的准备，我们的科考都江堰团队终于出发了。

进了景区，首先安排大朋友小朋友们给李冰等建造者们的雕像三鞠躬，之后大家找地方召开演讲会。我们发现，孩子们的演讲水平不比导游差，一个个引经据典，娓娓道来。

第一组演讲主题：为什么要建造都江堰？

公元前280年，大将司马错集齐10万人马，率领一万艘战船从岷江上游出发，南下攻打楚国，在夺取了楚国的商於（今重庆涪陵）之后，军队却因为粮草和兵马不能及时补充，在商於陷入了瘫痪，无法继续深入楚国。因为当时训练士兵，打造兵器，征集军需物资，主要是在成都，可是造船和起运却要在岷江上游的汶山进行，兵马从成都到岷江运输码头至少要经过50多公里的陆路行进，这样一来就很难在作战中及时地补充兵源和物资。所以需要把岷江改道，引水经过成都，使其真正成为一条战争补给线……

孩子们的讲述，引发了大家对建造都江堰原因的讨论，有些人认为是为了农业生产才建造的都江堰，有些人认为是因为军事原因才建造的。

这种对历史事件的讨论和质疑是非常重要的，加深了大家对都江堰的认识，比听导游人云亦云的讲解强多了。

第二组演讲主题：烧石开山建造宝瓶口。

要把岷江水引入成都平原，需要在玉垒山上开出一个分水口——也就是后来的宝瓶口。宝瓶口修建时，由于那时还未发明炸药，必须采用人工开山的办法，但是人工开凿很难，于是人们想到了“热胀冷缩原理”——用火烧石，利用热胀冷缩的原理加快工程进度，这是一个很了不起的科学方法。

有了宝瓶口，岷江一分为二，可以分一部分江水向东，灌溉成都平原……

这些演讲，让大家对都江堰建立起了初步的认知！

在科学课的教学中，往往忽略了历史课的功能，科学课与历史课的结合，能够给受众产生更大的教育价值。

NO.3 飞沙堰的科学课

如果没有课程的引导，大家来到飞沙堰，应该是不会多看几眼的，因为这里从表面上看，是非常普通的。我们带着小朋友们和家长们来到这里的时候，看到游客们大多也就是拍个照片，就继续向前走了，停留时间不会超过几分钟，但是我们在这里停留了一个多小时。我们让孩子们仔细观察飞沙堰有什么特点，结果居然有人发现飞沙堰是凹槽结构。

这是因为宝瓶口很狭窄，在汛期，内江的水位很高，高出来的水从飞沙堰漫过去，流回到外江，保证了不会淹没成都平原。

接下来，我们就让每个组拿出装了沙子的大饮料瓶，往里面装水，让大家开始摇晃，形成涡流，仔细观察沙子的变化。结果大家发现，涡流出现后，很多沙子就会被带着在涡流中运动。

这个时候，我们抛出了问题——水道中如果有沙子堆积该怎么办？刚开始，有人说，派人下水挖沙子；也有人说，用竹竿带着个铁勺子下去捞沙子。可仔细观察湍急的水流，又觉得这些方法不行。

导师团给每个小组发了一张飞沙堰的示意图。

看图纸，结合自己手中的摇瓶子实验，孩子们豁然开朗。原来古人在宝瓶口前方安装了一个“洗衣机滚筒”，把沙子摇起来进入飞沙堰。“洗衣机滚筒”在哪里呢？就在宝瓶口上游内江东岸的“ S型”结构那儿，大水冲到那里，直接撞到半挡着的玉垒山体岩壁，就会翻滚，下层泥沙翻上来，翻过飞沙堰，翻到外江里，从而合理解决了剩余泥沙的淤积问题。据说几吨重的大石头都会翻滚过去。

用现代的科学原理来说，叫做“悬移质泥沙的紊动扩散理论”：弯曲河道的水流运动冲击凹岸形成漩涡，低水（含沙量大）上堰过飞沙堰，高水（清水）下挫流入宝瓶口，这又在很大程度上解决了泥沙淤积的问题。

在这个过程中，越来越多的游客开始围观我们的科学实验和讨论会，他们也被孩子们精彩的发言吸引了。其实，大众对科学探究本身都是充满好奇的，能够来到都江堰的，都是对这里有期待、有憧憬才过来的。最重要的是，应该有沉浸式的高质量课程给到大众，让大家看到这里的神奇，同时也去传播我们祖先的智慧。

NO.4 再探——宝瓶口的科学课

宝瓶口是都江堰工程中的关键结构，起到“节制阀门”的作用，能自动调节接入内江的水量，这个关键咽喉，形状酷似瓶口，所以叫做宝瓶口。古人在玉垒山开出宝瓶口，留在右边的山丘，因为与玉垒山山体分离，所以叫做离堆。

关于宝瓶口的建造是我们课程设计的重点，因为在景区中不能使用火，所以我们把宝瓶口的探究课程放到了北川。在北川的科学老师宋东的安排下，我们科考了北川，采集了北川当地的岩石。在宋老师的学校里，孩子们跟北川当地的孩子们一起探究岩石热胀冷缩的原因。

孩子们采集了一些大大小小的石头，在酒精灯上烧烤，结果烤了好久一点儿也没变化。

后来，宋老师架起柴火，让大家把这些石头放在里面烤，还是没啥变化。有人提议，用烧火钳将烧热的石头挖出来，泼水，再放回去烧，这样反复来回，结果几个小时后，勉强才让石头裂开细缝。

当时是夏天。虽然北川的夏天不是特别热，但是孩子们夏天烤火还是很难受的。也不需要导师跟他们讲古代劳动人民有多辛苦了，大家就开始发感慨：“我们烧几块小石头，都这么难烧，还这么热，古人要烧一整座山的石头，那该有多难？”

将心比心，也是教育的一种很重要的方法。通过实地科考，再经过体验式烧石头，孩子们更能感受到古人的智慧和辛劳。

在我们烧烤石头的过程中，有几位家长居然利用北川的板岩，做成了一个石板锅，在上面炒出了牛肉、米粉等美味佳肴，也让我们的探究活动，实现了人人参与、人人体验的目标。

都江堰是一本很深厚的书，站在古人思想智慧的面前，我们觉得很渺小，对都江堰课程的开发，还需要挖掘的地方实在太多太多。都江堰课程的应用物理学课程开发，我们会继续去做。