立足地域民族文化的物理跨学科实践

刘煜蓉 董振邦 汤金波

摘 要：《义务教育物理课程标准（2022年版）》提倡在教学中既立足物理学科的课程内容，又跨出物理学科，引导学生学会用多学科知识去解决问题。“大理白族民居”跨学科实践着眼于大理白族民居，主要从物理学科的视角，融合历史、地理、美术等学科知识，让学生充分体会白族民居的建筑之美和白族人民的智慧，掌握并应用力学、热学、声学、光学、电磁学等知识，提升综合素养。

关键词：初中物理；跨学科实践；白族民居；民族文化

*  “跨学科实践”案例系列之三。

“跨学科实践”是《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的新增内容，具有跨学科性和实践性的鲜明特点，可以看成对核心素养的愿景性表达。^［1］新课标给出了“结合当地特点，围绕现实生活和社会发展的热点问题，从多学科角度观察、思考和分析问题，挖掘、选取有教育意义的素材，将其改造成跨学科实践的问题或任务”^［2］的教学策略建议。云南建筑蔚然大观，类型众多，多民族的交流融合、多元的地域风情、独特的地理位置，造就其与众不同的建筑风格。“大理白族民居”跨学科实践就着眼于大理白族民居，主要从物理学科的视角，融合历史、地理、美术等学科知识，让学生充分体会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。以下分享实践的主要教学过程。

一、 史话白族民居

师

云南大理白族历史悠久，白族民居是大理白族历史的记录者，是用土、石、木写成的史书。战国时期，楚人庄蹻起义失败后带兵进入云南，同时也带去了中原地区先进的生产和建筑技术。汉武帝时期，洱海地区开始使用砖瓦，房屋构造得以升级和完善。南诏时期，干栏式建筑逐渐发展成砖瓦建筑。王公贵族大兴土木，建造宫殿，建筑水平得以充分提升。宋朝时期，大理地区建筑技艺日臻成熟，建造了许多规模宏大的宫殿和城池，给后人留下了多处古遗址。

生

我的家乡是大理，听村里的老人说，著名的崇圣寺千寻塔就是唐朝派匠师指导修建的。

师

对，云南大理白族是我国最早向其他民族开放和学习的民族之一。崇圣寺三塔是汉族建筑技术对大理地区产生深远影响的实证，也是少数民族文化和中原文化融合的例证。白族人民以包容开放的态度，不断吸收汉族的先进文化，高度发展了作为中华民族文化组成部分的白族文化。这就是中华民族共同体意识，56个民族像石榴籽一样紧紧地抱在一起。

导入环节，通过安排学生观察日常生活中的物理现象，引出研究对象白族民居，引导学生去了解大理白族民居的发展历史。白族民居处处体现着人与自然和谐相处的理念。学生在学习的过程中，能够增强对中华文化的认同感，培育和筑牢中华民族共同体意识。

二、 走进白族民居

（教师播放大理鹤庆县典型的白族民居六合同春院落——旦墨書院的介绍视频。然后，教师出示图片、播放音频，介绍“三坊一照壁”“四合五天井”等特色建筑，带领学生对比、总结，得到表1。）

师

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”比较少见。建筑布局基本都是正房坐西朝东，入口开在院角。结构形式也都是土木或者土石结构。

师 （出示图1）照壁是白族民居特有的结构。照壁大多集“风水墙”“文化墙”“采光墙”等特性于一体，是白族独特的文化现象之一。壁顶以青瓦覆盖，四角微翘。照壁正中，或镶上一块圆形的彩花或黑白花大理石，上面一般有题字，黑白分明，神采飞扬，使庭院大为增色。

通过展示图片和播放视频、音频等形式，调动学生的视听感官，让学生身临其境地感受白族民居的建筑美。学生结合对白族民居结构的认识，欣赏相关图片，获得美的享受，通过学科的跨越，促进素养的提升。

三、 确定研究分组

师

相比于普通建筑，白族民居有明显的特征，请同学们踊跃发表看法。

生

白族民居的一大特点就是每家都有一面洁白的照壁；照壁一般位于主房的正前方，正对着堂屋。

师

照壁的确是白族民居建筑特有的结构。在大理白族小院住过的同学，请分享一下你的感受。

生

五一期间，我们全家去了大理。晚上，古城人声鼎沸，在小院里明显感觉安静了很多，睡觉时也不会被外面的声音影响。

师

你的经历说明了白族民居隔音效果不错。在不同季节住过白族民居的同学也分享一下感受。

生

我印象最深的是，去年暑假去大理玩，住在洱海边的白族民居里，七月份气温很高，但只要进入堂屋，一下子就凉快了。

生

我们每年过年都要回老家大理鹤庆。鹤庆早晚温差大，晚上外面温度低，在厢房里却感觉不到冷，反而觉得很暖和。

师

大家的分享很精彩！根据同学们找到的特征，老师把同学们分成三个小组，每组确定一个研究主题。小组甲：照壁除了美观之外，还有什么用途？小组乙：白族民居院落很安静，它是如何隔音的？小组丙：白族民居冬暖夏凉，它是如何保温和散热的？请大家在课后查阅资料，从物理学视角找到其中的原因，鼓励采用实验的方式证明自己的观点。

学生利用课余时间展开多渠道、多形式的研究。在约定的时间内，小组组员发表看法，组间交流、分享、补充，确定汇报内容，并向教师提交实践报告（文字、图片或课件等形式）。教师优选和修改后，确认展示顺序，组织全班汇报展示。

四、 小组成果汇报

生 （甲小组代表）照壁除了美观外，主要还有两个作用。一是起到阻挡的作用，防止气流直冲厅堂，使房屋能保暖。二是起到调节亮度并节能的作用。由于房屋是坐西朝东的，若没有照壁，早晨太阳出来时，太阳光会直射在正楼上；下午太阳逐渐往西后，由于整个楼房是木质结构，外墙无窗户，堂屋里的光线会比较暗。而有了照壁后，光发生漫反射，反射光线是向着四面八方的，使整个院落和堂屋保持一定的亮度。

师

分析得很好！根据房屋的朝向和结构、材料，结合地理学知识，解释了太阳西移以后，利用照壁发生光的漫反射来增加院落和堂屋亮度。我们可以尝试用光学实验模拟照壁的作用，用照度仪来监测光照强度，这样更有说服力。如果要让院落一直保持明亮，有什么办法？

生

如果照壁可以旋转，根据太阳的位置，照壁旋转到不同的角度，就能让院落一直保持明亮。

师

思维很活跃！期待你能实现你的设想。

生

我们还发现了照壁中隐藏的文化内涵。照壁上题写的字可以看出这户人家的姓氏，如“清白传家”表示杨姓，“琴鹤家声”表示赵姓。

师

照壁不仅有物理学用途，还有深厚的文化内涵。你们小组课后可以再探究。

生 （乙小组代表）在白族民居院落里，会感觉很安静。通过查阅资料，发现它主要是利用墙体和门窗隔声。我们小组进行了墙体隔音模拟实验，选择的实验器材有：GM1351数字式噪音计（精度为±1.5dB）、亚克力盒子3个（1号盒25cm×10cm×15cm、2号盒30cm×15cm×15cm、3号盒35cm×20cm×15cm）、稳定的白噪声、蓝牙音箱、计时器、刻度尺、钢卷尺、建筑工地取的细砂、沙土、石子。我们推测：隔音效果与墙体厚度和墙体材质有关。于是，我们分别做了两个探究实验。

生

第一个实验，探究墙体厚度与隔音效果是否有关。实验步骤如下：如图2所示，把1号盒放入3号盒中，使前后左右间距都为5cm，调整蓝牙音箱与1号盒、噪音计的距离分别为15cm和22cm；在1号盒和3号盒间隔处填入10cm高的沙土，盖上盖子；手机连接蓝牙音箱播放白噪声，记录噪音计1分钟的数据；把1号盒放入2号盒中，使前后左右间距都为2.5cm，重复以上操作并记录数据。

生 （展示实验数据，见表2）从实验数据可以看出，沙土厚度增大一倍时，隔声量增加大约3dB，由此可推测墙越厚实隔声量越大。而白族民居多是高墙无窗，所以隔音效果较好。

生 第二个实验，探究不同材料的墙体与隔声效果是否有关。实验步骤如下：把1号盒放入3号盒中，使前后左右间距都为5cm，调整蓝牙音箱与1号盒、噪音计的距离分别为15cm和22cm；如图3所示，在1号盒和3号盒间隔处分别填入高为10cm的细砂、沙土和石子，盖上盖子；手机连接蓝牙音箱播放白噪声，记录噪音计1分钟的数据。

生 （展示实验数据，见表3）从实验数据可以看出，不同材料的墙体隔声量不同，细砂隔声量最好，沙土次之，石子最差。考虑工程实际等因素，沙土作为外墙最为合适。

师

通过实验，探究了不同墙体厚度和不同材料的隔音效果。同学们没有依靠书本上已有的数据，而是通过实验进行客观解释。虽是定性的实验，实验步骤和数据精度都有待进一步完善，但是，在这样的过程中，同学的动手能力得到了提高，体会到了小组合作的力量和探究的乐趣，进而感知到了物理就在我们的身边。该实验对环境要求高，加之GM1351数字式噪音计测量精度波动范围大，实验得出的数据比较粗糙，你们小组后续可以继续完善一下实验操作过程，让数据更准确。

生 （丙小组代表）能源使用方面，白族民居通常利用风能来通风、降温、排气，利用太阳能来取暖，实现了不依靠主动供能就达到冬暖夏凉、四季恒温的效果。而建筑外围主要由外墙、屋面和外窗组成，其中面积最大的就是墙体，通过墙体散失的热量十分巨大。墙体的保温能力在很大程度上决定了房屋整体的保温效果。

生 外墙面以熟石灰粉刷，一方面可以防止雨水侵蚀，另一方面起到隔热保温的作用。（出示表4）查阅资料发现，石灰粉刷砖墙对太阳辐射热的吸收系数为0.48，在五种常见的墙面中最小，反射太阳光的能力最强。假设太阳辐射功率P=1×10³J/（m²·s），大理地区夏季平均日照时长约为12h，则1m²采光面上石灰粉刷砖墙吸收的热量Q=ρPt=0.48×1×10³J/（m²·s）×1m²×12×3600s=2.0736×10⁷J。石灰粉刷砖墙夏季一天吸收的热量能把大约61.7 kg的水从20℃加热至沸腾（1标准大气压下）。

生 夏季，白色厚实的外墙阻隔了部分传入屋内的热量，避免屋内温度过高。加之白族民居的门窗（窗户多为花样格式）及内部装修都以木质材料為主，通风透气性较好，常年多风的气候特征配以这样的建筑结构具有良好的散热功能。故在炎热的夏季，屋内十分凉爽。冬季，白天，土质墙体接受太阳辐射并蓄热；夜间，当周围环境的温度低于墙体表面温度时，墙体就向外散热，调节室内温度，增加人体的舒适度。另一方面，窗的特点是传热系数大，如单层金属窗的传热系数约为一般砖墙的3倍，窗的保温也就格外重要。在保证天然采光的情况下，应严格控制窗墙比。

师

你们小组从能源利用角度说明白族民居是绿色节能的建筑。通过查阅专业书籍资料，计算得到白石灰砖墙夏季的吸热量，与水的吸热进行类比，带给大家非常直观的感受，解释了夏天凉爽的原因。从热力学的角度分析了冬季保温的原因，用已有的知识去解释新的问题，这是迁移运用知识的能力。你们做得非常好！

五、 拓展延伸

师 在查阅资料过程中，除了上面交流的问题外，同学们会发现新的问题，也欢迎大家踊跃发言。

生 天井一般就地取材做成石头材质，一是为了节省材料；二是为了防止下雨天走路打滑——相比于水泥地板，青石板的摩擦系数更大。

生

天井里放着一大缸水，一是能及时救火，从而防止火灾；二是当天气热时，利用水蒸发吸热，能在一定程度上降低室内的温度，当天气寒冷时，水又会向周围放热，使周围环境温度不至于太低。

生

屋顶做成“人字形”充分体现了古人“天人合一”的观念。一般来说，屋顶的屋面坡度为26°—30°，这个角度非常接近黄赤交角23°26′，体现了古人在天文学上的成就。屋顶的设计还体现出气体压强与流速的关系。

师

大家很善于思考！其实物理就在我们的生活中，我们要学会用物理的眼光观察世界，用物理的思维思考世界，用物理的语言表达世界，用物理的智慧丰富世界。

鼓励学生个性表达、合作创新的跨学科实践，充分尊重学生的想法，让课堂在生生互评、师生互评中得以升华。

六、 课后作业

师

根据今天的学习，完成以下作业：（1） 梳理白族民居与物理有关的知识；（2） 结合新材料的应用等知识，围绕怎样使白族民居更加节能环保，提出改进建议；（3） 白族民居处于喜马拉雅火山地震带上，从物理学角度分析其如何防震。

课后作业直指科学态度与责任这一物理核心素养的培养，让学生在认识科学、技术、社会、环境关系的基础上，逐渐形成探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及保护环境并推动可持续发展的意识。本环节在以物理学视角分析白族民居的基础上，对学生提出了更高的要求——提出改进建议，上升到知识应用层面，实现了物理与生活的深度融合，调动了学生学习的积极性，使学生在德育、智育和美育等方面互相促进、共同提升。

本次跨学科实践以课程整合的形式进行设计，突破了传统教学的封闭性；以生活素材作为教学内容，跳出了传统的以教材为蓝本的窠臼；以学生活动为载体，本着“教、扶、放”的策略，布置挑战性的任务，为学生提供真实的学习场域，激发学生的学习兴趣。在完成任务的过程中，学生自主地探究学习。该主题从物理学视角可拓展的内容还有很多，但由于初中物理知识的局限性，学生未能较好地理解。本次跨学科实践还停留在探究型层面，我们将继续深入研究，将课型从探究型向应用型，乃至促使学生发明创造的升华型转变。

总之，以地域民族文化为主题开展物理跨学科实践，能有效融合物理学科的力学、热学、声学、光学、电磁学等知识，也能与其他学科知识很好地融合，是一个值得深入研究的方向。

参考文献：

［1］ 詹善生，汤金波.“长度的测量”：从生活到应用——物理跨学科实践探索一例［J］. 教育研究与评论（中学教育教学），2023（3）：84.

［2］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京師范大学出版社，2022：37.

［3］ 刘加平.建筑物理（第四版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：74.