中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2025）6-0075-5

力學(xué)作為高中物理課程中的重要組成部分，因其概念抽象、邏輯嚴(yán)密而成為學(xué)生普遍感到困難的知識(shí)模塊。要深入理解和掌握力學(xué)知識(shí)，不僅需要學(xué)生具備扎實(shí)的物理基礎(chǔ)，還要求他們具有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力。然而，中西部縣域高中的學(xué)生大多來(lái)自農(nóng)村地區(qū)，受限于基礎(chǔ)教育資源的相對(duì)匱乏，他們的物理基礎(chǔ)較為薄弱，自主學(xué)習(xí)能力有待提升，在力學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中面臨較大困難。中華傳統(tǒng)文化中蘊(yùn)含著豐富的力學(xué)思想和實(shí)踐智慧，這些資源為高中物理教學(xué)提供了獨(dú)特的文化視角和教學(xué)素材[1-6]。值得注意的是，中西部縣域高中學(xué)生普遍具有農(nóng)村生活經(jīng)歷，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)具等文化元素較為熟悉?；谶@一特點(diǎn)，物理教師可以深入挖掘傳統(tǒng)農(nóng)耕文化中的力學(xué)教學(xué)資源]，開(kāi)發(fā)具有縣域高中特色的導(dǎo)學(xué)案。導(dǎo)學(xué)案教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和合作探究能力[8]。將導(dǎo)學(xué)案與傳統(tǒng)文化中的力學(xué)問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能有效提升他們的文化自信和創(chuàng)新能力。因此，很有必要分析可供利用的傳統(tǒng)文化資源，將其開(kāi)發(fā)為高中物理教學(xué)資源?；诖?，本文以傳統(tǒng)農(nóng)具“連枷\"為切入點(diǎn)，深入探討基于傳統(tǒng)文化的高中物理力學(xué)導(dǎo)學(xué)案的設(shè)計(jì)原則和實(shí)施路徑，以期為縣域高中物理教師開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)文化資源提供新思路。

1中華傳統(tǒng)文化中的力學(xué)資源

中華傳統(tǒng)文化中，可以作為力學(xué)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用的有古代科技著作、傳統(tǒng)建筑和傳統(tǒng)民俗文化，如圖1所示。例如，古代著作《墨經(jīng)》和《事物紀(jì)原》都涉及杠桿原理、機(jī)械原理等力學(xué)概念；明代宋應(yīng)星所著的《天工開(kāi)物》詳細(xì)記錄了當(dāng)時(shí)的工藝技術(shù)和力學(xué)應(yīng)用；古代關(guān)于工藝和技術(shù)的著作《考工記》也包含了彈力、摩擦力等力學(xué)知識(shí)；農(nóng)業(yè)技術(shù)著作《王禎農(nóng)書(shū)》則包含力學(xué)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用；古代石拱橋趙州橋、回音壁和古代木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)縣木塔等建筑中展示了靜力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)等力學(xué)原理的應(yīng)用；傳統(tǒng)民俗活動(dòng)蕩秋千涉及擺動(dòng)和重心的力學(xué)原理；傳統(tǒng)表演活動(dòng)舞龍舞獅則涉及力的合成與分解、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等力學(xué)知識(shí)4；傳統(tǒng)玩具陀螺展示了角動(dòng)量的力學(xué)原理。

1.1 古代科技著作中的力學(xué)教學(xué)資源

中國(guó)古代科技著作如《墨經(jīng)》《天工開(kāi)物》《考工記》等蘊(yùn)含大量杠桿原理、機(jī)械原理等力學(xué)知識(shí)，如圖2所示。例如，《墨經(jīng)》中“力，形之所以?shī)^也”闡述了力的作用效果，與高中物理中的牛頓第二定律相契合；《天工開(kāi)物》詳細(xì)記錄了中國(guó)古代的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝，如水車、風(fēng)車、紡車、船舵等，這些機(jī)械裝置涉及杠桿、滑輪、齒輪等力學(xué)原理。利用杠桿原理的桔棒提水裝置，利用慣性原理的春米工具，都可以開(kāi)發(fā)為力學(xué)教學(xué)資源。

1.2 傳統(tǒng)建筑與力學(xué)原理

中國(guó)古代建筑展現(xiàn)了卓越的力學(xué)設(shè)計(jì)智慧（如趙州橋和應(yīng)縣木塔等）。趙州橋的拱形結(jié)構(gòu)有效利用了力的分解與傳遞原理，分析其受力特點(diǎn)可作為靜力學(xué)應(yīng)用的經(jīng)典案例。趙州橋采用敞肩拱結(jié)構(gòu)，巧妙地將壓力分散到橋基，從而減小洪水沖擊力，體現(xiàn)了力學(xué)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原理；而應(yīng)縣木塔則采用全木結(jié)構(gòu)，未使用一顆鐵釘，通過(guò)榫卯連接，各構(gòu)件相互支撐、協(xié)同受力，展示了獨(dú)特的力學(xué)構(gòu)造和抗震原理，為靜力學(xué)和材料力學(xué)的研究提供了寶貴的素材。

1.3 傳統(tǒng)民俗文化中的力學(xué)智慧

傳統(tǒng)民俗文化包括傳統(tǒng)詩(shī)詞、諺語(yǔ)、傳統(tǒng)故事、民間活動(dòng)（如蕩秋千、舞龍舞獅等）以及傳統(tǒng)工藝（如風(fēng)箏、陀螺、弓箭等），它們蘊(yùn)含了豐富的力學(xué)原理，如表1所示。其中，風(fēng)箏的飛行原理與空氣動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，弓箭的設(shè)計(jì)則涉及彈性勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。通過(guò)分析弓箭的設(shè)計(jì)，可探討彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程，并驗(yàn)證能量守恒定律；通過(guò)研究傳統(tǒng)玩具（如陀螺），可以深入理解圓周運(yùn)動(dòng)中的向心力和角動(dòng)量守恒原理。

2 四階遞進(jìn)式“連枷與碰撞定律”導(dǎo)學(xué)案設(shè)計(jì)

2.1 “情境錨定\"階段

情境導(dǎo)人：播放“連枷脫粒技藝\"實(shí)錄視頻（2分鐘），重點(diǎn)展示連枷敲桿與手柄的鉸接結(jié)構(gòu)、勞動(dòng)者揮動(dòng)連枷的連貫動(dòng)作以及谷物脫粒時(shí)的碰撞過(guò)程，如圖3所示。視頻中，南宋詩(shī)人范大成在詩(shī)中寫(xiě)道：“新筑場(chǎng)泥鏡面平，家家打稻趁霜晴，笑歌聲里輕雷動(dòng)，一夜連枷響到明。\"生動(dòng)形象地描述了連枷脫粒的生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)景[9]。

的鉸接結(jié)構(gòu)？子問(wèn)題：

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如何改變力的傳導(dǎo)路徑？（2）這種設(shè)計(jì)是否有助于降低勞動(dòng)強(qiáng)度？（3）能否通過(guò)物理定律解釋其增效原理？

2.2 認(rèn)知支架搭建

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，將連枷視作由敲桿和長(zhǎng)手柄構(gòu)成的二連桿系統(tǒng)，敲桿繞著長(zhǎng)手柄的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)敲桿質(zhì)量為 ?_m ，長(zhǎng)度為1，忽略連枷軸心的速度，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

教師隨后展示《王禎農(nóng)書(shū)》中的連枷詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖（圖4）[10-I1]，并通過(guò)構(gòu)建驅(qū)動(dòng)問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生探討力學(xué)中的沖量定理

主問(wèn)題：為什么連枷的敲桿要設(shè)計(jì)成可轉(zhuǎn)動(dòng)

通過(guò)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，激活力學(xué)的核心概念，包括牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量定理（沖量定理）和動(dòng)能定理等。從力的角度來(lái)看，敲桿的運(yùn)動(dòng)可以視作桿質(zhì)心的平動(dòng)，質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)量定理。根據(jù)牛頓第三定律，打擊力會(huì)反作用于勞動(dòng)者的手臂，這一過(guò)程可以通過(guò)動(dòng)量定理和控制變量法進(jìn)行定性分析。從能量傳遞的角度來(lái)看，敲桿在擺動(dòng)過(guò)程中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。

2.3 “數(shù)學(xué)建?！彪A段

在搭建認(rèn)知支架之后，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題：建立數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型解釋2.1部分設(shè)定的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題鏈。首先，將敲桿的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為圖6所示的幾何模型。圖中的實(shí)線表示連枷敲桿剛接觸地面時(shí)（ t=0 的位置，虛線表示連枷敲桿完成敲擊時(shí) （t=Δt ）的位置。單次敲擊過(guò)程的總時(shí)間為Δt 。每次敲擊動(dòng)作中，敲桿繞軸心定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為 θ=ωΔt 。

2.3.1 牛頓運(yùn)動(dòng)定律視角

從力的角度來(lái)看，敲桿質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)量定理。可轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)使得敲桿在觸地瞬間產(chǎn)生切向加速度a= l，結(jié)合法向加速度 ，形成復(fù)合打擊力

根據(jù)牛頓第三定律，復(fù)合打擊力與作用到勞動(dòng)者手臂上的力大小相等、方向相反。根據(jù)（1）式，要求出復(fù)合打擊力的量值，需要較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)確定角加速度和角速度。

2.3.2 動(dòng)量定理視角

根據(jù)動(dòng)量定理（沖量定理），打擊力的平均值為

結(jié)合控制變量法，在總動(dòng)量變化 Δp 不變的情況下，延長(zhǎng)碰撞時(shí)間 Δt 能有效減小平均沖力。（2）式中的碰撞時(shí)間 Δt 等于敲桿與地面的作用時(shí)間 Δt₁ 和敲桿繞手柄旋轉(zhuǎn)的時(shí)間 Δt₂ 之和，即

Δt=Δt₁+Δt₂

由圖5中的幾何關(guān)系，可得

對(duì)于剛性敲桿，其與地面的作用時(shí)間 0。所以，延長(zhǎng)碰撞時(shí)間 Δt 的主要途徑是增加 Δt₂ 即增加轉(zhuǎn)動(dòng)角度 θ 或者減小角速度 ω 。

教師可以引導(dǎo)學(xué)生：如果連枷沒(méi)有鉸接結(jié)構(gòu)，只有一根剛性的敲桿，則 Δt₁0，Δt₂0 ，導(dǎo)致平均沖力很大，且?guī)缀跛矔r(shí)反作用到勞動(dòng)者手臂上，這會(huì)大大增加勞動(dòng)者的強(qiáng)度。在角速度 ω 不變的情況下，角度 θ 越大， Δt₂ 就越大，從而有效延長(zhǎng)總打擊時(shí)間 Δt ，并減小平均沖擊力。因此，連枷中增加鉸接結(jié)構(gòu)、引入轉(zhuǎn)動(dòng)角度 θ 是非常有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度的方法，也體現(xiàn)了中國(guó)古代勞動(dòng)者的智慧。

2.3.3 能量轉(zhuǎn)換視角

教師可以引導(dǎo)性提問(wèn)：是否可以通過(guò)減小角速度 ω 進(jìn)一步減小平均沖力呢？

揮動(dòng)連枷時(shí)，人體施加的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為敲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能

只有足夠大的打擊動(dòng)能，才能保證谷物的脫粒效果。（5）式中 ，I 為敲桿繞連枷軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

因此，增大敲桿質(zhì)量 ?_m 、長(zhǎng)度 ξ_l 和角速度 ω 是增加轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的三個(gè)途徑。由（5）（6）式，得

盡管敲桿較長(zhǎng)時(shí)，角速度 ω 較低，但其末端線速度 v=ωl 可能因 l 增大而保持或增加。若 E_k 固定，則ωα1 6Ek為常數(shù)。這意味著長(zhǎng)敲桿通過(guò)犧牲角速度 ω 換取更大的打擊范圍和慣性沖擊力。然而，過(guò)大的敲桿長(zhǎng)度和質(zhì)量會(huì)不利于勞動(dòng)者操作連枷，降低角速度 ω 往往得不償失。

至此，已經(jīng)完全回答了2.1部分的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題鏈。連枷的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)允許敲桿在揮動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整受力分布，通過(guò)增加碰撞時(shí)間減少對(duì)勞動(dòng)者手臂的沖擊力，從而有助于降低勞動(dòng)強(qiáng)度，連枷的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ω 會(huì)增加敲桿打擊谷物的速度和動(dòng)能，從而增加脫粒效果。

最后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)際生產(chǎn)中的取舍：短敲桿的角速度大、操作靈活，適合小顆粒作物脫粒（如小米）；長(zhǎng)敲桿的線速度大、動(dòng)能大、打擊力強(qiáng)，適合硬殼作物脫粒（如小麥）。傳統(tǒng)連咖的尺寸設(shè)計(jì)（通常長(zhǎng)1.2～1.5米）遵循物理規(guī)律，在轉(zhuǎn)速、打擊力和操作便捷性之間取得平衡，體現(xiàn)了農(nóng)耕文明對(duì)力學(xué)的樸素認(rèn)知[1]

2.4 “創(chuàng)新賦能”階段

連枷的可轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是古代工匠對(duì)杠桿原理與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的直觀應(yīng)用?！锻醯澽r(nóng)書(shū)》中，人們對(duì)連枷的改良記錄則體現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)具設(shè)計(jì)中“以物理規(guī)律指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新\"的智慧。教師可以引導(dǎo)學(xué)生查閱傳統(tǒng)文化資料，總結(jié)《王禎農(nóng)書(shū)》中古人對(duì)連枷的核心改良措施，這些改良措施主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面[]：

增設(shè)轉(zhuǎn)軸：最初的連枷沒(méi)有轉(zhuǎn)軸，經(jīng)過(guò)人們?cè)谑褂眠^(guò)程中的實(shí)踐，敲桿與長(zhǎng)柄連接處增設(shè)了鐵制轉(zhuǎn)軸（“樞機(jī)\"），使得敲桿能夠繞軸自由旋轉(zhuǎn)，從而形成了現(xiàn)代連枷的結(jié)構(gòu)[]。此部分改進(jìn)的物理原理可通過(guò)2.3部分的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解釋。

尺寸標(biāo)準(zhǔn)化：規(guī)定“柄長(zhǎng)六尺，排長(zhǎng)二尺五寸\"（元代1尺 ≈31.7cm ），優(yōu)化了長(zhǎng)柄與敲桿的長(zhǎng)度比（約2.4：1），使其更加符合人體力學(xué)特征。這個(gè)結(jié)論雖然可以通過(guò)2.3部分的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行部分推導(dǎo)，但更重要的是需要依靠大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證和修正。教師可以引導(dǎo)學(xué)生理解，簡(jiǎn)化的物理模型無(wú)法解決所有問(wèn)題，實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論真理的關(guān)鍵。

材料升級(jí)：采用“柘木為排，桑木為柄”，其中柘木的高密度 （ρ≈0.85g/cm³） 增強(qiáng)了打擊慣性，桑木的輕韌性則有助于緩沖振動(dòng)。在此材料升級(jí)方案中，木柄的彈性變形與敲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)類似，通過(guò)彈性變形延長(zhǎng)了受力時(shí)間，從而減小了沖擊力，進(jìn)一步減輕了勞動(dòng)者的疲勞程度。值得注意的是，2.3部分的數(shù)學(xué)模型假設(shè)為剛體模型，未考慮木柄的彈性，因此需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際材料特性來(lái)理解和優(yōu)化。

3 教學(xué)實(shí)踐建議

3.1 課堂探究活動(dòng)

在物理課堂中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)以下探究活動(dòng)：使用不同長(zhǎng)度的PVC管模擬敲桿，討論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與線速度的關(guān)系，以及打擊相同稻穗所需揮動(dòng)次數(shù)等參數(shù)，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的合理性。

3.2 仿生學(xué)的價(jià)值

連枷敲桿的運(yùn)動(dòng)軌跡與螳螂蝦錘擊捕食的超彈性碰撞機(jī)制高度相似，為沖擊機(jī)械設(shè)計(jì)提供了生物學(xué)的模板[12]。教師可以播放雀尾螳螂蝦利用錘狀附肢捕食的生物視頻（圖7），并引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合連枷的數(shù)學(xué)模型，討論螳螂蝦錘擊的超彈性碰撞機(jī)制：雀尾螳螂蝦的錘狀附肢采用多層螺旋纖維結(jié)構(gòu)，在肌肉預(yù)加載階段儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能，通過(guò)鎖扣機(jī)制實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的能量釋放，錘擊速度可達(dá) 23m/s （水下），動(dòng)能轉(zhuǎn)換效率超過(guò) 90% 。

4結(jié)語(yǔ)

中華傳統(tǒng)文化中的力學(xué)資源為高中物理教學(xué)提供了豐富的素材和獨(dú)特的視角。通過(guò)挖掘這些傳統(tǒng)文化資源，并結(jié)合科學(xué)合理的導(dǎo)學(xué)案設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施策略，不僅能夠豐富物理教學(xué)內(nèi)容，還能促進(jìn)學(xué)生文化自信的培養(yǎng)和跨學(xué)科思維能力的提升。在未來(lái)的教學(xué)中，應(yīng)不斷探索和完善這一教學(xué)模式，為中學(xué)物理教育注人新的活力。

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