傳統文化在物理教學中的應用*

熊萬杰 徐初東

(華南農業大學電子工程學院 廣東 廣州 510640)

宋全勝

(翔宇教育集團監利新教育實驗學校 湖北 監利 433300)

中華傳統文化源遠流長、博大精深.古人不僅在文學創作上華章迭出、精彩紛呈,對自然現象的記錄與認識也是卷帙浩繁、哲思泉涌.將傳統文化引入物理課堂，用來輔助對物理概念的理解,促進對物理情景的營造,豐富對物理知識的解析以及推動對物理方法的領悟，有助于將物理知識變抽象為形象，將物理學習化興味索然為興趣盎然.同時彌合文化與物理之間的隔閡，提升學生的科學素質和文化修養，激發他們的創造潛能，從而優化物理教學,拓展物理課程的教育教學功能[1～4].

1 輔助物理概念的理解

中華傳統文化盡管在很長一段時間內領先于世界，但我們的祖先對自然界和自然現象的記錄、分析和解釋并沒有在中華大地進一步催生出系統的物理學.原因在于古人對一些現象的觀察和描述沒有上升到定量分析的高度，數學作為一種基本工具沒有和現象分析很好地結合起來.然而，中華傳統文化中的一些直觀的、樸素的思辨論述從今天來看，仍閃爍著思想的光芒，有些甚至與現代物理學的核心思想不謀而合.因此引用這些論述來輔助對物理概念的理解具有得天獨厚的優勢.

1.1 力的概念

春秋戰國時期的墨家學派認為,“力，刑之所以奮也.”這里的“刑”是通假字，通“形”，即形體的意思.“奮”這一詞有豐富的內涵，在這里指的是自然界中的各種“變化著的運動”，比如小鳥翅膀的來回振動、快馬躍起、箭的離弦等等.奮的古字為“奮”，是一個會意字，中間是“隹”(鳥)，外面像鳥振翅欲飛之勢，下面是“田”，表示空曠的田野.因此，“奮”的本義指鳥類振羽展翅，后引申為“震動”.《易·豫》中有“雷出地奮”之說，《廣雅》則釋為“奮，動也”.這并不是普通的“運動”，而是變化著的運動.整句話的意思是說，力是物體運動之產生或者運動狀態之變化的原因.盡管這句話是古人對于身邊的物理現象進行的形象思維，但其意思與現代物理學中“力”的定義基本一致(即力是物體運動狀態改變的原因).了解這些，我們不得不佩服古人深邃的洞察力.

1.2 功的概念

宋代著名建筑學家李誡(公元1035—1110年)在《營造法式》第六十卷中規定“功”這一單位工作量時，寫道：

諸舟船般載物(裝卸在內)，依下項：一去六十步外般物裝船，每一百五十擔(如粗重物一件及一百五十斤以上者減半)；一去三十步外掘土兼搬運裝船者每一百擔(一去一十五步外者加五十擔)；溯流拽船每六十擔；順流駕放每一百五十擔；右各一功.

此處“般”通“搬”，“擔”是量詞，相當于50 kg，“溯流”即逆流而上.在這里，李誡規定一個“功”時，不僅規定了距離，而且規定了負荷重量.當荷重增加一倍或距離縮短一半時，相應的距離減少一半或荷重增加一倍，才保持一個單位“功”不變.物理學中對“功”的定義為：物體所受的作用力和在作用力方向上運動距離的乘積.雖然李誡規定的單位工作量“功”和物理學中的“功”不盡相同，但包含了“功”概念中的兩個基本因素，即力和距離.有了“功”的規定，古人就可以事先就把工程量以功為單位計算出來，那么工錢怎么算，就按照功的數量計算便可[5].這一計算方法一直沿用至今，當前民間建筑行業計算工錢仍然采用傳統“功”的概念.

2 促進物理情境的營造

物理情境是指物理問題經過理性思考后在人腦中形成的關于物理現象、物理過程等的反映，即表象.物理情境不完全等同于物理現象，它有兩層含義：一是具象，是人腦對具體物理現象形象化的反映；二是概象，是人腦對某一類物理現象經過抽象概括后形成的模型化的形象.物理情境教學與學生的形象思維培養密不可分，它既是學生學好物理的必要條件，又是思維發展的基礎[6].

古人記錄了大量實際的、經驗的或技術意義上的物理現象，而現象是物理學的根源.運用古人的這些記載來促進對物理情境的營造，能達事半功倍的教學效果.不過，我們對傳統文化需要批判的繼承，從現代科學的角度來發掘有益、有價值的部分，摒棄封建甚至是迷信的糟粕.因此，只有在對傳統文化內容分析、加工之后才能將其運用至物理課堂中.

2.1 尖端放電

東漢著名文學家、史學家班固(公元32—92年)在《漢書·西域記》中記載了漢朝征討匈奴過程中為開辟通往玉門關的近道，與車師后王國(約在今新疆吉木薩爾縣一帶)的國王姑句交涉的故事.原文如下：

元始中，車師后王國有新道，出五船北，通玉門關，往來差近，戊己校尉徐普欲開以省道里半，避白龍堆之厄.車師后王姑句以道當為拄置，心不便也.地又頗與匈奴南將軍地接，普欲分明其界然后奏之，召姑句使證之，不肯，系之.姑句數以牛羊賕吏，求出不得.姑句家矛端生火，其妻股紫陬謂姑句曰：“矛端生火，此兵氣也，利以用兵.前車師前王為都護司馬所殺，今久系必死，不如降匈奴.”即馳突出高昌壁，入匈奴.

此處，“元始”為漢平帝年號，共5年(公元1—5年)；“戊己校尉”是漢朝官名，掌管西域屯田事務，為屯田區最高長官；“賕”(念qiú)，賄賂之意；矛、戈、戟等為古代的兵器，都有尖利的鋒刃；“車師前王”即車師前王國的國王兜莫；“高昌壁”即戊己校尉駐所，在新疆艾丁湖的北面.整段話是說：漢平帝年間，(漢朝發現)車師后王國有一條新道，從五船以北可通到玉門關，往來較近.戊己校尉徐普想要開此新道，因其可以省一半的路程，又可避開白龍堆的危險地區.車師后國王姑句認為該新道直貫本國，內心不滿.新道所在地與匈奴南將軍地連接，徐普想劃明此界限以報告皇上，就召姑句，讓他幫助證明.可是姑句不肯，徐普就把他逮捕了.姑句幾次用牛羊賄賂漢官，要求放他出去，都未獲準.姑句家的矛頭上冒火花，姑句之妻股紫陬(zōu)對姑句說，“矛頭上冒火花，這是兵氣，有利于打仗.以前車師前王被都護司馬殺死，今天你長時間被關押，必定也要死.不如投降匈奴.”于是(姑句)就騎馬逃出高昌壁，投降匈奴.

這段古文中所描述的矛頭上冒火花的物理情境，屬于典型的“尖端放電”現象(圖1).即雷電與矛之間發生靜電感應，使矛尖帶電.尖端處面積很小，電荷面密度大，導致其附近電場很強，該電場將周圍的空氣電離而產生氣體放電，冒出火花.

圖1 尖端帶電體的電場

2.2 磁針與磁場

南宋民族英雄文天祥(公元1236—1283年)在贛州知州任上時，以家產充軍資，起兵抗元，入衛臨安，不久任右丞相，赴元軍談判被扣留，拘押北行.后脫險南歸，率兵抗擊元軍.景炎元年(公元1276年)，他在從南通往福州擁立端宗以力圖恢復的途中，作《揚子江》一詩以述志：

幾日隨風北海游，

回從揚子大江頭.

臣心一片磁針石，

不指南方不肯休.

詩人用“磁針石指南”這一固有自然現象來比喻他抗元的堅定決心以及忠貞于自己國家的堅韌意志，可謂生動形象、擲地有聲.是啊，南方——那里正是自己國家大宋的版圖，那里正是自己心靈永遠的棲息地，那里正是自己為之魂牽夢繞、朝思暮想的地方！景炎三年(公元1278年)，文天祥因兵敗被俘，在獄中堅持斗爭，4年后終以不屈而被害.“人生自古誰無死，留取丹心照汗青”，文天祥的愛國主義精神彪炳史冊，鼓舞和影響了一代又一代中國人.

有了“磁針石指南”這一物理情境，就可以在此基礎上進一步引出地磁場、磁極的概念，甚至可以從電子自旋的角度分析物體磁性的起源.事實上，地球周圍有磁場，其外部磁感線的方向是由地理南極指向地理北極.若把地球看成是一個巨大的磁體，它也有地磁南極和地磁北極，只不過地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近(圖2).磁針石具有磁性，分為南極(S極)和北極(N極).在地磁場的作用下，按照“同名磁極相斥、異名磁極相吸”原理，小磁針南極的指向與地球外部磁感線方向相反，也就是從地理北極指向地理南極.現代人們用的指南針，一般將N極指針涂紅，因而指向地理北極.

圖2 地磁場

2.3 伯努利方程

李清照(公元1084—1155年)是宋朝著名女詞人.宋徽宗建中靖國元年(公元1101年)，18歲的李清照嫁給太學生趙明誠，婚后不久，丈夫便“負笈遠游”，深閨寂寞，她深深思念著遠行的丈夫.崇寧二年(公元1103年)，時屆重九，人逢佳節倍思親，便寫了《醉花陰》一詞寄給趙明誠.作者通過描述重陽節把酒賞菊的情景，烘托了一種凄涼寂寥的氛圍，表達了作者思念丈夫的孤獨與寂寞的心情：

薄霧濃云愁永晝，瑞腦消金獸.

佳節又重陽，玉枕紗廚，半夜涼初透.

東籬把酒黃昏后，有暗香盈袖.

莫道不銷魂，簾卷西風，人比黃花瘦.

這首詞上片詠節令，寫別愁；下片寫賞菊情景.作者在自然景物的描寫中，加入自己濃重的感情色彩，使客觀環境和人物內心的情緒融和交織.尤其是結尾3句，“莫道不銷魂，簾卷西風，人比黃花瘦”，從人文的角度來講，營造了西風瘦菊、佳節冷落、佳人對花興嘆、顧花自憐的圖畫，用黃花比喻人的憔悴，以瘦暗示相思之深.從物理的角度來看，是說西風吹拂，掀起了室內的簾子，這是因風起導致的室內外壓力差而致：詞人的屋子內外由窗戶上的窗簾隔開，若其窗戶朝南，當西風拂來，屋外空氣流速大.根據伯努利方程，流速大的地方壓強小，這使得室內壓強大于屋外壓強，這個壓力差將簾子從室內向屋外卷起.

3 豐富物理知識的解析

盡管在我國未能首先產生現代意義的科學技術，但并不意味著沒有產生科學技術.源于日常生活和生產實踐，古人不僅記載了一些自然現象本身，同時為了解釋這些現象還提出了一些科學觀念，甚至進行了必要的實驗.運用這些科學文化史上的珍寶來豐富對物理知識的解析，能夠提升物理教學的趣味性，加深學生對物理知識的印象.

3.1 凹面鏡成像

北宋科學家沈括(公元1031—1095年)一生致志于科學研究，在眾多學科領域都有很深的造詣和卓越的成就，被譽為“中國整部科學史中最卓越的人物”，其著作《夢溪筆談》內容豐富，集前代科學成就之大成，在世界文化史上有著重要的地位.其中，沈括對凹面鏡成像進行了深入和精確的闡述，他在《夢溪筆談·陽燧照物》中指出：

陽燧照物皆倒，中間有礙故也，算家謂之“格術”.如人搖櫓，臬為之礙故也.若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗隙所束，則影與鳶遂相違：鳶東則影西，鳶西則影東.又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂，與陽燧一也.陽燧面洼，以一指迫而照之則正；漸遠則無所見；過此遂倒.其無所見處，正如窗隙.櫓臬腰鼓礙之，本末相格，遂成搖櫓之勢，故舉手則影愈下，下手則影愈上此其可見.陽燧面洼，向日照之，光皆聚向內.離鏡一二寸，光聚為一點，大如麻菽，著物則火發，此則腰鼓最細處也.

“陽燧”即凹面鏡，“礙”就是凹面鏡的焦點，這是后人研究多年后得出的結論.這段話的意思是說，用凹面鏡照物體都是倒立的影像，是因為中間有焦點的緣故，算學家說這叫做“變革的方法”.譬如人搖櫓，作支撐的小木樁成了櫓的支點，使櫓兩端的運動方向相反；又像老鷹在空中飛行，它的影子隨著鷹飛而移動，如果鷹和影子之間的光線被窗孔所約束，那么影子與鷹飛的方向就相反了：鷹往東飛，則影子向西移動，鷹往西飛，則影子向東移動；又如樓塔透過窗孔成像的現象，中間的光線為窗孔所約束，其影子是倒立的，這與凹面鏡成像情況類似.凹面鏡的鏡面是凹陷的，當一個手指靠近鏡面時，像是正的；當手指漸漸移到焦點時，像就不見了；超過焦點，像就倒過來了.凹面鏡的焦點，正如約束光線的窗孔，改變動力方向的架櫓木樁.木樁架在架櫓的中部，搖櫓時在櫓的一端向后用力，櫓的另一端卻向前運動.與之類似，光線被窗孔約束后，人們可見手舉起時影子向下，手放下時影子向上.太陽光對著凹面鏡照，光都向中間匯聚，在離鏡面一二寸的地方，光線聚結為一點，像芝麻粒、豆子那樣大，放一個東西在那里就會著火，這就是焦點，類似于腰鼓最細的地方.

這里沈括先是用搖櫓的支點比喻了凹面鏡的焦點，后又用老鷹在空中的飛行比喻了凹面鏡成像的倒立情況.然后說明手指從鏡面外移，先見正立虛像；近焦點時，像無所見；過焦點再向外移，則見倒立實像(圖3).他明確區分了凹面鏡在焦點內外的成像情形.不僅如此，他還進一步描寫了焦距長度與焦點大小的情形：焦距大約一、二寸，光會聚于焦點.這大概是中世紀期間對凹面鏡及其成像特點最清晰、最具體的物理描述.

圖3 凹面鏡成像

3.2 浮力定律

中國古代關于浮力的記述最早出現于《墨經·經下》篇：

荊之大，其沈淺也.說在具.

這里的“荊”指荊木，“沈”即沉；“淺”，即少，“具”通舉.意思是說：荊木的體積很大，但沉入水中的部分少，原因在于受到了水的托舉.對此，《墨經·經說下》進一步解釋道：

荊沈，荊之貝也.則沈淺，非荊淺也.若易，五之一.

這里的“貝”，當為“具”之誤，“易”，交換、比較之意.意思是說，荊木沉在水中受到了托舉作用，沒入水中的深度較淺的原因并非荊木自身尺寸小.正如在市場中交換商品一樣，其沉入水中的體積是總體積的五分之一.這里的托舉作用實際上就是浮力，荊木受到的浮力與其重力平衡.荊木有多少比例的體積浸在水中，取決于它與水的密度的比.

4 推動物理方法的領悟

中華傳統文化中蘊含的某些思想，對現代科技的產生具有一定的啟示意義，正如比利時物理學家、1977年諾貝爾物理學獎的得主普里高津(I.Prigogine，1917—2003)在《從混沌到有序》里所說的那樣：“中國的思想對于那些想擴大西方科學的范圍意義的哲學家和科學家來說，始終是個啟迪的源泉.”通過比較中華傳統文化中的某些思想與相應的物理學方法，有助于推動和加深對物理方法的領悟.

4.1 直覺

直覺是一種重要的創造性思維方法，他不同于形式思維方法，也不同于辯證思維方法和形象思維方法.科學家的直覺，是面對各種可能性作出正確選擇的重要能力，是科學研究和創造的最可貴因素，是科學創造中的一個必然環節，具有邏輯思維所不能代替的作用.在談到基本規律的形成時，愛因斯坦曾說：“沒有什么合乎邏輯的方法能導致這些基本定律的發現.有的只是直覺的方法，輔之以對現象背后的規律有一種愛好.” 他一再重申：“從特殊到一般的道路是直覺性的”.直覺就是一種非邏輯的思維能力，直覺產生是人類理智活動的一種飛躍現象.在創造性活動和建立新概念的過程中，直覺作為一種創造性的心理因素起著重要的作用.物理學史上，阿基米德發現浮力定律、倫琴發現X射線、愛因斯坦發現狹義相對論都是直覺思維的結果[2].

物理中的直覺思維與中國古人治學中強調的“靈感”作用類似.如近代大學者王國維(公元1877—1927年)在《人間詞話》中所言：古今之成大事業、大學問者，必經過三種之境界：“昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路.”此第一境也.“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴.”此第二境也.“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處.”此第三境也.這第三境界既可解釋為從量變到質變的飛躍，又可認為是“驀然回首之靈感或直覺”，只不過這種靈感是根植于“望盡天涯路”第一境界的登高望遠、明確目標與方向、了解事物概貌，以及“為伊消得人憔悴”第二境界中對學問的堅定不移、廢寢忘食與孜孜以求.

4.2 極限推導法

如果兩個量在某一空間的變化關系為單調上升或單調下降的函數關系(如因變量與自變量成正比的關系等)，那么，連續地改變其中一個量總可以使其變化在該區間達到極點或極限.在這種情況下，把所思考的問題及其條件進行理想化假設，當假設被一步步地推到極端時，問題的實質就會水落石出.或者說由已知的實驗(或過程)根據連續性原理，把研究對象或過程外推到理想的極限值加以考慮，即把連續的變化推想到極大或極小的情形，使主要因素或問題的本質暴露出來，從而得出規律性的認識或正確的判斷[7].極限推導法是一個很重要的物理方法.近代物理學的先驅、意大利物理學家伽利略(G.Galileo，1564—1642)就是運用了這種科學方法, 設計出了基于傾斜度變化的斜面、并忽略阻力的理想實驗，推翻了“力是維持物體運動原因”的錯誤觀點[4].

中華傳統文化中關于極限思維的描述與應用屢見不鮮.例如初唐四杰之一的王勃在《滕王閣序》里寫道“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”.這兩句詩以落霞、孤鶩、秋水和長天四個景象描繪了一幅色彩協調、動靜搭配的彩色圖畫.而這里面的極限思維是非常明顯的，否則，怎會有孤鶩和落霞一起飛？無非是把孤鶩所在的地方向著極限推演，那里正有落霞.否則，怎會有秋水和長天共一色？無非是把秋水延伸的長度向著極限推演，那里正是天空.當然，實際情況不是如此，作者所描述的是視覺效果.本來遼闊而浩渺的景色背景下，孤鶩和秋水看起來都比較遠，這里把“遠”的概念發揮到了極致，這就將兩類看似沒有關系的孤鶩與落霞、秋水和長天融合在了一起，有相輔相成、相得益彰之妙.

5 總結

科學與人文密不可分，相異互補，人文中含有科學的基礎與珍璞，科學中蘊藏人文的精神與內涵.科學和人文是社會發展進步的兩大支柱，缺一不可.物理學是自然科學的基礎學科，將中華傳統文化引入物理教學，開展融合傳統文化與物理學的教育，有助于培養學生的學習能力、語言表達能力和分析解決問題的能力，并幫助學生們在認識上跨越人文科學與自然科學的知識鴻溝，開闊視野，實現全面發展.

參 考 文 獻

1 熊萬杰．將中華傳統文化思想融入大學物理教學之初探．物理與工程，2009(2)：37～40

2 熊萬杰，袁鳳芳，溫景立．中華傳統文化中有關物理學以及方法論的知識．物理通報，2011(2)：85～88

3 熊萬杰，戴占海，郭子政．關于古文名句融入物理教學的思考．物理通報，2012(10)：117～120

4 熊萬杰．物理學與傳統文化．北京：科學出版社，2017.8

5 戴念祖，劉樹勇．中國物理學史·古代卷．南寧：廣西教育出版社，2006

6 邊良．物理課應重視物理情景教學.中國民族教育，2007(1)：33～35

7 趙斌．物理思維十七法．物理教學，2016，38(9)：51～56