立足地域民族文化的物理跨學科實踐

劉煜蓉 董振邦 湯金波

摘 要：《義務教育物理課程標準（2022年版）》提倡在教學中既立足物理學科的課程內容，又跨出物理學科，引導學生學會用多學科知識去解決問題。“大理白族民居”跨學科實踐著眼于大理白族民居，主要從物理學科的視角，融合歷史、地理、美術等學科知識，讓學生充分體會白族民居的建筑之美和白族人民的智慧，掌握并應用力學、熱學、聲學、光學、電磁學等知識，提升綜合素養。

關鍵詞：初中物理；跨學科實踐；白族民居；民族文化

* ?“跨學科實踐”案例系列之三。

“跨學科實踐”是《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的新增內容，具有跨學科性和實踐性的鮮明特點，可以看成對核心素養的愿景性表達。^［1］新課標給出了“結合當地特點，圍繞現實生活和社會發展的熱點問題，從多學科角度觀察、思考和分析問題，挖掘、選取有教育意義的素材，將其改造成跨學科實踐的問題或任務”^［2］的教學策略建議。云南建筑蔚然大觀，類型眾多，多民族的交流融合、多元的地域風情、獨特的地理位置，造就其與眾不同的建筑風格。“大理白族民居”跨學科實踐就著眼于大理白族民居，主要從物理學科的視角，融合歷史、地理、美術等學科知識，讓學生充分體會白族民居的建筑之美和白族人民的智慧，取得了良好的效果。以下分享實踐的主要教學過程。

一、 史話白族民居

師

云南大理白族歷史悠久，白族民居是大理白族歷史的記錄者，是用土、石、木寫成的史書。戰國時期，楚人莊蹻起義失敗后帶兵進入云南，同時也帶去了中原地區先進的生產和建筑技術。漢武帝時期，洱海地區開始使用磚瓦，房屋構造得以升級和完善。南詔時期，干欄式建筑逐漸發展成磚瓦建筑。王公貴族大興土木，建造宮殿，建筑水平得以充分提升。宋朝時期，大理地區建筑技藝日臻成熟，建造了許多規模宏大的宮殿和城池，給后人留下了多處古遺址。

生

我的家鄉是大理，聽村里的老人說，著名的崇圣寺千尋塔就是唐朝派匠師指導修建的。

師

對，云南大理白族是我國最早向其他民族開放和學習的民族之一。崇圣寺三塔是漢族建筑技術對大理地區產生深遠影響的實證，也是少數民族文化和中原文化融合的例證。白族人民以包容開放的態度，不斷吸收漢族的先進文化，高度發展了作為中華民族文化組成部分的白族文化。這就是中華民族共同體意識，56個民族像石榴籽一樣緊緊地抱在一起。

導入環節，通過安排學生觀察日常生活中的物理現象，引出研究對象白族民居，引導學生去了解大理白族民居的發展歷史。白族民居處處體現著人與自然和諧相處的理念。學生在學習的過程中，能夠增強對中華文化的認同感，培育和筑牢中華民族共同體意識。

二、 走進白族民居

（教師播放大理鶴慶縣典型的白族民居六合同春院落——旦墨書院的介紹視頻。然后，教師出示圖片、播放音頻，介紹“三坊一照壁”“四合五天井”等特色建筑，帶領學生對比、總結，得到表1。）

師

在白族村寨中，大部分的民居都是“三坊一照壁”的形式，“四合五天井”和“六合同春”比較少見。建筑布局基本都是正房坐西朝東，入口開在院角。結構形式也都是土木或者土石結構。

師 （出示圖1）照壁是白族民居特有的結構。照壁大多集“風水墻”“文化墻”“采光墻”等特性于一體，是白族獨特的文化現象之一。壁頂以青瓦覆蓋，四角微翹。照壁正中，或鑲上一塊圓形的彩花或黑白花大理石，上面一般有題字，黑白分明，神采飛揚，使庭院大為增色。

通過展示圖片和播放視頻、音頻等形式，調動學生的視聽感官，讓學生身臨其境地感受白族民居的建筑美。學生結合對白族民居結構的認識，欣賞相關圖片，獲得美的享受，通過學科的跨越，促進素養的提升。

三、 確定研究分組

師

相比于普通建筑，白族民居有明顯的特征，請同學們踴躍發表看法。

生

白族民居的一大特點就是每家都有一面潔白的照壁；照壁一般位于主房的正前方，正對著堂屋。

師

照壁的確是白族民居建筑特有的結構。在大理白族小院住過的同學，請分享一下你的感受。

生

五一期間，我們全家去了大理。晚上，古城人聲鼎沸，在小院里明顯感覺安靜了很多，睡覺時也不會被外面的聲音影響。

師

你的經歷說明了白族民居隔音效果不錯。在不同季節住過白族民居的同學也分享一下感受。

生

我印象最深的是，去年暑假去大理玩，住在洱海邊的白族民居里，七月份氣溫很高，但只要進入堂屋，一下子就涼快了。

生

我們每年過年都要回老家大理鶴慶。鶴慶早晚溫差大，晚上外面溫度低，在廂房里卻感覺不到冷，反而覺得很暖和。

師

大家的分享很精彩！根據同學們找到的特征，老師把同學們分成三個小組，每組確定一個研究主題。小組甲：照壁除了美觀之外，還有什么用途？小組乙：白族民居院落很安靜，它是如何隔音的？小組丙：白族民居冬暖夏涼，它是如何保溫和散熱的？請大家在課后查閱資料，從物理學視角找到其中的原因，鼓勵采用實驗的方式證明自己的觀點。

學生利用課余時間展開多渠道、多形式的研究。在約定的時間內，小組組員發表看法，組間交流、分享、補充，確定匯報內容，并向教師提交實踐報告（文字、圖片或課件等形式）。教師優選和修改后，確認展示順序，組織全班匯報展示。

四、 小組成果匯報

生 （甲小組代表）照壁除了美觀外，主要還有兩個作用。一是起到阻擋的作用，防止氣流直沖廳堂，使房屋能保暖。二是起到調節亮度并節能的作用。由于房屋是坐西朝東的，若沒有照壁，早晨太陽出來時，太陽光會直射在正樓上；下午太陽逐漸往西后，由于整個樓房是木質結構，外墻無窗戶，堂屋里的光線會比較暗。而有了照壁后，光發生漫反射，反射光線是向著四面八方的，使整個院落和堂屋保持一定的亮度。

師

分析得很好！根據房屋的朝向和結構、材料，結合地理學知識，解釋了太陽西移以后，利用照壁發生光的漫反射來增加院落和堂屋亮度。我們可以嘗試用光學實驗模擬照壁的作用，用照度儀來監測光照強度，這樣更有說服力。如果要讓院落一直保持明亮，有什么辦法？

生

如果照壁可以旋轉，根據太陽的位置，照壁旋轉到不同的角度，就能讓院落一直保持明亮。

師

思維很活躍！期待你能實現你的設想。

生

我們還發現了照壁中隱藏的文化內涵。照壁上題寫的字可以看出這戶人家的姓氏，如“清白傳家”表示楊姓，“琴鶴家聲”表示趙姓。

師

照壁不僅有物理學用途，還有深厚的文化內涵。你們小組課后可以再探究。

生 （乙小組代表）在白族民居院落里，會感覺很安靜。通過查閱資料，發現它主要是利用墻體和門窗隔聲。我們小組進行了墻體隔音模擬實驗，選擇的實驗器材有：GM1351數字式噪音計（精度為±1.5dB）、亞克力盒子3個（1號盒25cm×10cm×15cm、2號盒30cm×15cm×15cm、3號盒35cm×20cm×15cm）、穩定的白噪聲、藍牙音箱、計時器、刻度尺、鋼卷尺、建筑工地取的細砂、沙土、石子。我們推測：隔音效果與墻體厚度和墻體材質有關。于是，我們分別做了兩個探究實驗。

生

第一個實驗，探究墻體厚度與隔音效果是否有關。實驗步驟如下：如圖2所示，把1號盒放入3號盒中，使前后左右間距都為5cm，調整藍牙音箱與1號盒、噪音計的距離分別為15cm和22cm；在1號盒和3號盒間隔處填入10cm高的沙土，蓋上蓋子；手機連接藍牙音箱播放白噪聲，記錄噪音計1分鐘的數據；把1號盒放入2號盒中，使前后左右間距都為2.5cm，重復以上操作并記錄數據。

生 （展示實驗數據，見表2）從實驗數據可以看出，沙土厚度增大一倍時，隔聲量增加大約3dB，由此可推測墻越厚實隔聲量越大。而白族民居多是高墻無窗，所以隔音效果較好。

生 第二個實驗，探究不同材料的墻體與隔聲效果是否有關。實驗步驟如下：把1號盒放入3號盒中，使前后左右間距都為5cm，調整藍牙音箱與1號盒、噪音計的距離分別為15cm和22cm；如圖3所示，在1號盒和3號盒間隔處分別填入高為10cm的細砂、沙土和石子，蓋上蓋子；手機連接藍牙音箱播放白噪聲，記錄噪音計1分鐘的數據。

生 （展示實驗數據，見表3）從實驗數據可以看出，不同材料的墻體隔聲量不同，細砂隔聲量最好，沙土次之，石子最差。考慮工程實際等因素，沙土作為外墻最為合適。

師

通過實驗，探究了不同墻體厚度和不同材料的隔音效果。同學們沒有依靠書本上已有的數據，而是通過實驗進行客觀解釋。雖是定性的實驗，實驗步驟和數據精度都有待進一步完善，但是，在這樣的過程中，同學的動手能力得到了提高，體會到了小組合作的力量和探究的樂趣，進而感知到了物理就在我們的身邊。該實驗對環境要求高，加之GM1351數字式噪音計測量精度波動范圍大，實驗得出的數據比較粗糙，你們小組后續可以繼續完善一下實驗操作過程，讓數據更準確。

生 （丙小組代表）能源使用方面，白族民居通常利用風能來通風、降溫、排氣，利用太陽能來取暖，實現了不依靠主動供能就達到冬暖夏涼、四季恒溫的效果。而建筑外圍主要由外墻、屋面和外窗組成，其中面積最大的就是墻體，通過墻體散失的熱量十分巨大。墻體的保溫能力在很大程度上決定了房屋整體的保溫效果。

生 外墻面以熟石灰粉刷，一方面可以防止雨水侵蝕，另一方面起到隔熱保溫的作用。（出示表4）查閱資料發現，石灰粉刷磚墻對太陽輻射熱的吸收系數為0.48，在五種常見的墻面中最小，反射太陽光的能力最強。假設太陽輻射功率P=1×10³J/（m²·s），大理地區夏季平均日照時長約為12h，則1m²采光面上石灰粉刷磚墻吸收的熱量Q=ρPt=0.48×1×10³J/（m²·s）×1m²×12×3600s=2.0736×10⁷J。石灰粉刷磚墻夏季一天吸收的熱量能把大約61.7 kg的水從20℃加熱至沸騰（1標準大氣壓下）。

生 夏季，白色厚實的外墻阻隔了部分傳入屋內的熱量，避免屋內溫度過高。加之白族民居的門窗（窗戶多為花樣格式）及內部裝修都以木質材料為主，通風透氣性較好，常年多風的氣候特征配以這樣的建筑結構具有良好的散熱功能。故在炎熱的夏季，屋內十分涼爽。冬季，白天，土質墻體接受太陽輻射并蓄熱；夜間，當周圍環境的溫度低于墻體表面溫度時，墻體就向外散熱，調節室內溫度，增加人體的舒適度。另一方面，窗的特點是傳熱系數大，如單層金屬窗的傳熱系數約為一般磚墻的3倍，窗的保溫也就格外重要。在保證天然采光的情況下，應嚴格控制窗墻比。

師

你們小組從能源利用角度說明白族民居是綠色節能的建筑。通過查閱專業書籍資料，計算得到白石灰磚墻夏季的吸熱量，與水的吸熱進行類比，帶給大家非常直觀的感受，解釋了夏天涼爽的原因。從熱力學的角度分析了冬季保溫的原因，用已有的知識去解釋新的問題，這是遷移運用知識的能力。你們做得非常好！

五、 拓展延伸

師 在查閱資料過程中，除了上面交流的問題外，同學們會發現新的問題，也歡迎大家踴躍發言。

生 天井一般就地取材做成石頭材質，一是為了節省材料；二是為了防止下雨天走路打滑——相比于水泥地板，青石板的摩擦系數更大。

生

天井里放著一大缸水，一是能及時救火，從而防止火災；二是當天氣熱時，利用水蒸發吸熱，能在一定程度上降低室內的溫度，當天氣寒冷時，水又會向周圍放熱，使周圍環境溫度不至于太低。

生

屋頂做成“人字形”充分體現了古人“天人合一”的觀念。一般來說，屋頂的屋面坡度為26°—30°，這個角度非常接近黃赤交角23°26′，體現了古人在天文學上的成就。屋頂的設計還體現出氣體壓強與流速的關系。

師

大家很善于思考！其實物理就在我們的生活中，我們要學會用物理的眼光觀察世界，用物理的思維思考世界，用物理的語言表達世界，用物理的智慧豐富世界。

鼓勵學生個性表達、合作創新的跨學科實踐，充分尊重學生的想法，讓課堂在生生互評、師生互評中得以升華。

六、 課后作業

師

根據今天的學習，完成以下作業：（1） 梳理白族民居與物理有關的知識；（2） 結合新材料的應用等知識，圍繞怎樣使白族民居更加節能環保，提出改進建議；（3） 白族民居處于喜馬拉雅火山地震帶上，從物理學角度分析其如何防震。

課后作業直指科學態度與責任這一物理核心素養的培養，讓學生在認識科學、技術、社會、環境關系的基礎上，逐漸形成探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，以及保護環境并推動可持續發展的意識。本環節在以物理學視角分析白族民居的基礎上，對學生提出了更高的要求——提出改進建議，上升到知識應用層面，實現了物理與生活的深度融合，調動了學生學習的積極性，使學生在德育、智育和美育等方面互相促進、共同提升。

本次跨學科實踐以課程整合的形式進行設計，突破了傳統教學的封閉性；以生活素材作為教學內容，跳出了傳統的以教材為藍本的窠臼；以學生活動為載體，本著“教、扶、放”的策略，布置挑戰性的任務，為學生提供真實的學習場域，激發學生的學習興趣。在完成任務的過程中，學生自主地探究學習。該主題從物理學視角可拓展的內容還有很多，但由于初中物理知識的局限性，學生未能較好地理解。本次跨學科實踐還停留在探究型層面，我們將繼續深入研究，將課型從探究型向應用型，乃至促使學生發明創造的升華型轉變。

總之，以地域民族文化為主題開展物理跨學科實踐，能有效融合物理學科的力學、熱學、聲學、光學、電磁學等知識，也能與其他學科知識很好地融合，是一個值得深入研究的方向。

參考文獻：

［1］ 詹善生，湯金波.“長度的測量”：從生活到應用——物理跨學科實踐探索一例［J］. 教育研究與評論（中學教育教學），2023（3）：84.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：37.

［3］ 劉加平.建筑物理（第四版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009：74.