语文版-三年级下-第五单元-17 张衡和他的地动仪

《张衡地动仪》教学反思张衡发明的地动仪是我国东汉时期测量地震的仪器，是人类历史上第一架科技含量较高的地震预测仪器。但由于种种原因，使这一人类伟大的科研成果在东汉末年到魏晋时期被破坏。为了重现失传的仪器，满足地震学研究的需要，后人根据相关史书记载，制作了地动仪复原模型。目前这种复原模型有多达十种之多，而中小学教材中采用的复原模型则是王振铎先生于1951年设计的。这种复原模型用铜制成，内部竖着一根铜柱，周围有八组杠杆连接外面，外面铸有八条龙，分别朝着八个方向，龙的口中各衔一枚小铜球（见图1、图2）①。哪个方向发生地震，铜柱就倒向哪个方向，触动杠杆，使那个方向的龙口张开，吐出铜球，落入下面铜铸蛤蟆口中，并发出响声，这样就能知道哪个方向发生了地震。图1图2地动仪这一知识是在人教课标七年级上册第16课中学习，教材安排学习这一知识点，目的是要让学生懂得如何识别地震和非地震，初步认识物理现象——地震波的传播方式。教材中所示的地动仪复原模型不但会误导学生对地震的识别，而且还会让学生形成错误的知识结构。首先是工作原理错误。地面的振动分为地震波动和非地震波动两大类，二者性质与特征完全不同。地震是岩石的剪切性错动——断层两侧的岩体呈反方向剪切错位，所以地震波的能量以横波为主，地面的运动以水平向的摆动和摇晃为主；非地震的震源——如人车行走、爆破、敲击、山体滑坡、矿山塌陷或气象变化等，都是简单的膨胀性力源，这些现象激发的波动能量以纵波为主，地面的运动以上下颠动和颤动为主，不产生或仅有微弱的水平向分量。教材中所用地动仪模型的工作原理，把一根细细的直立杆简单地竖立在底盘中央，错误地称之为“无定向倒立摆”。地震根据“无定向倒立摆”的倾倒来预测，并确定地震方向。然而在实际教学过程中，用手拍打直立杆倒置的底盘所处的平面，直立杆也会倾倒，而且倾倒的方向也很随意，导致直立杆倾倒的原因是以上下颠动和颤动为主的手拍打平面所产生的震动波，而不是以水平向的摆动和摇晃为主的地震波，这样的地动仪无异于倒置啤酒瓶的报警器。直立杆结构在物理上属于稳定平衡，没有可以产生恢复力矩的弹簧等结构。因此它与悬垂摆和倒立摆等稳定平衡结构完全不同。直立杆因其倾倒方向的随意性，运动行为的不可重复性等物理属性，决定了这不是一个正确的验震器。其次外部形状不合理。西晋司马彪《续汉书》记载地动仪“形似酒尊，其盖穹隆”。教材所示模型的外形颇似体育运动奖杯，与史料记载相悖。此外，龙的造型与历史相悖，在秦汉时期，龙的造型是立雕龙，而复原模型图上的龙则呈“倒栽葱”状，这种形状的龙是典型的明清风格的龙形，有悖于中国青铜文化中处理龙首的传统理念，也不符合史料“外有八方兆，龙首衔铜丸”②的记载。传统模型的失误，误导了教师的教学方向，产生了诸多的负面影响。首先是让学生不能正确地判断地震。由于复原模型工作原理的失误，学生在学习过程中，就把倒置的啤酒瓶作为生活中的验震器，混淆了报警器和验震器的基本概念，同时也让学生不能很好地判断地震是否即将爆发。其次也给我国地震学的发展带来一定的负面影响。青少年是祖国未来事业的接班人，由于他们受到地动仪传统模型的影响，有些观念在他们的脑海里深深地扎下了根，在今后的研究过程中，他们就会受到现有复原模型的严重干扰，导致他们犯下一些不该犯的错误，阻碍我国地震学的发展。再次容易导致国人对张衡地动仪的质疑。由于地动仪复原模型工作原理的失误，许多人误认为这是张衡地动仪的错误，于是否定张衡地动仪的科学性和历史作用，放弃了对张衡地动仪的研究，使国家的历史文化遗产失传，甚至还有认为中国的地动仪只是中国人的向往而不是一个完美现实的观点已经屡屡见诸于国内外文章。欲改变这些现状，纠正这些观点，首先要有科学的复原模型取代旧的复原模型。现在科学的复原模型已经产生并通过国家鉴定，（见图3、图4）③该模型有如下特点：④图3新的复原模型的外型图4新模型的内部结构1．工作原理是悬垂摆，粗重的“都柱”被悬挂着。2．内部结构有柱、关、道、机、丸五部分，小“关”是由都柱控制的触发机构。3．仪器的基型像汉代的温酒尊，龙首为立雕，蟾蜍是器足，设计更加符合史料和汉代特征。4．具有验震器的功能，可以对地震实现合理的反应，又有很强的抗干扰能力。该模型能识别地震与非地震，非地震的震波是以垂直颤动为主，因垂直作用力与都柱的重力方向一致，都柱上下震动，几乎无水平向摆动，置于锥形台上的小球就不会脱落。地震的震波是以水平向震动为主，当有地震波产生时，尊体就会随之发生左右振动，大质量的都柱则会因其惯性保持静止状态，二者间便发生了相对的侧向位移，锥形台上的小球就会脱落，撞击龙机，实现测震。利用这样的模型进行教学，就可以让学生知道，最简单的验震器就是生活中的悬挂物，从而达到增强学生识别地震能力的目的。其次，教师在教学过程中也要更新教学观点。由于长期受传统模型的影响，教师误认为倒置的啤酒瓶就是简单的验震器，还可以正确地预测地震发生的方向，这样就会误导学生。其实在新模型产生以后，通过专家的反复验证，已经明确地告诉我们，简单的验震器就是与新模型中所悬挂的都柱一样的悬挂物，俗语说“地震没地震，抬头看吊灯”，讲的就是这个道理。教师在讲解地动仪验震时，不要太强调其对方位的反应。古今中外的所有验震器，都是原始的或早期阶段的测震技术，主要是检验地震的发生，不能确定震中，因为地震是自然界中惟一的一种剪切性力源，所以地震波的初始振动会同时出现背离震中和指向震中的空间分布，东边发生了地震，在东、西两个方向上的其中任何一个铜丸的掉落都是合理的。但现在对震中的确定，是靠现代地震台网技术解决的，