基于STEMA的课堂教学案例——“令人惊叹的倒流壶”

王俊玲 白建伟

(1.兰州市第十六中学，甘肃 兰州 730020；2.兰州市第十一中学，甘肃 兰州 730000)

一、艺术(Art)情景导入，演示倒流壶

师：中国人的茶文化有两千多年的历史。作为“一带一路”战略中很重要的文化软实力，茶文化作为其中的一环被介绍到世界各地，受到很多人的喜爱。喝茶离不开茶壶，今天，老师也带了一只精美的器物(出示倒流壶)，与一般茶壶从壶顶注水不同，此壶虽然有“盖”，但壶盖与壶身设计制作为一体，根本无法打开。那怎么往里注水呢？看！壶底有一个梅花孔，将水顺着梅花孔注入壶内，水并没有从壶嘴流出来。将壶身正过来以后，水也并没有从壶底的梅花孔泄露出来，将壶身轻轻倾斜，水反而能从壶嘴正常的流出。真是一只“魔壶”啊！(边讲边演示，在学生惊疑的注视下，将倒流壶中的水倒入功夫杯中)。

生：水从壶底注入，怎么倒过来后水流不出来呢？太不可思议了！

师：其实，老师今天带来的是一件国家一级文物，现藏于陕西省历史博物馆的五代耀州窑青釉刻花提梁倒流壶，当然，是仿品了(笑)。同学们一定想知道这样神奇的一只茶壶，有什么样的历史故事吧？那就让我们一起走进今天的《国宝档案》。

(视频播放《国宝档案之青釉刻花提梁倒流壶》)

师：据史料记载，倒流壶在我国的唐宋时期就已出现。随着时间的推移，还被做成具有多个内胆的，即可以从一只壶内倒出不同液体的形式。当然，这就要求陶瓷工匠必须掌握先进技术。根据考古分析，在唐代，耀州窑的烧窑温度就已经达到了1310℃。

二、科学(Science)

师：为什么明明底部有孔，水却流不出来，在这只神秘的壶中到底藏有什么样“暗道机关”呢?

人们用现代科技手段，对魔壶进行了X光“透视”。(出示倒流壶剖面图)可以看到，壶里面有两个导管，以此可以判断出，魔壶实际上是一只倒流壶。倒流壶是一种可以把液体从壶底注入，并从壶嘴正常倒出的壶。

原来，倒流壶运用了物理原理，即“连通器液面等高”的原理做成的。什么是连通器呢？

我们说：上部开口、底部连通的容器叫做连通器。

(展示实物U型管)

连通器的特点是：当连通器中只有一种液体，且液体不流动时，各容器中的液面总保持相平。

(图片展示并在U型管中倒入清水，以不同方向放置U型管)

师：倒流壶应用了连通器液面等高的原理，那么，这个原理在生活中还有哪些应用呢？(学生交流讨论)

生：锅炉水位计、水塔、回水管。(同时教师出示图片)

师：大家说的很好，这些都是生活中常见的，那你知道最大的连通器是什么吗？(学生交流讨论)

师：是的，是船闸。船闸又是怎样应用连通器原理的呢？请两位同学在讲台上演示。

生：(两人配合演示手动船闸模型。讲述船闸的构造，介绍船闸的组成部分。引导学生将船闸工作过程进行拆分，并对其逐步进行分析、解释。)

(一)船从上游到下游

1.打开上游阀门，使上游和闸室形成连通器，闸室内水位上升；

2.闸室内水位与上游水位等高时，开启上游闸门，关闭上游阀门，船驶入闸室内，关闭上游闸门；

3.打开下游阀门，使下游和闸室形成连通器，闸室内水位下降；

4.闸室内水位与下游水位等高时，开启下游闸门，关闭下游阀门，船驶出闸室，通过船闸。

(二)船从下游到上游

1.打开下游阀门，使下游和闸室形成连通器，闸室内水位下降；

2.闸室内水位与下游水位等高时，开启下游闸门，关闭下游阀门，船驶入闸室内，关闭下游闸门；

3.打开上游阀门，使上游和闸室形成连通器，闸室内水位上升；

4.闸室内水位与上游水位等高时，开启上游闸门，关闭上游阀门，船驶出闸室，通过船闸。

师：解释的非常清楚，下面，就请同学们观看《三峡船闸》记录短片。(播放《三峡船闸》视频)

师：可见很多年前，我们的老祖先们就已经了解和会运用这个液面等高的原理了。(笑)

设计意图：看到令人迷惑不解的现象，随之想要进行进一步的探索，从而揭示谜底，符合青少年心理发展的规律，设置悬念，集中学生的注意力，抓好时机，通过激发学生的学习动机，使学生产生主动建构知识的兴趣。观看记录短片，意在培养学生的爱国主义情感。

三、数学(Mathematics)

生：为什么连通器各部分的液面是相平的？

师：要解决这个问题，我们就必须借助数学工具和物理方法，我们引出一个假想模型：假想液片。

对假想液片进行受力分析，并进行推导

F1 = F2

p1 S = p2 S

ρg h1 S =ρg h2 S

h1 = h2

由此可以从理论上得出，当连通器中只有一种液体，且液体不流动时，各容器中的液面总保持相平。

设计意图：数学是物理学习的基础，离开数学，物理无法进行论证和研究。学生必须学会用数学工具研究物理。因此，应用假想液片法，解释连通器的原理。从理论上加深对原理的理解，激发学生对解释身边物理学现象的欲望。

四、技术(Technology)

师：看到古人做出的精美的倒流壶，同学们有没有想要自己制作一个倒流壶的意愿呢？今天，我们就应用陶泥来制作一个属于你自己的倒流壶吧！

这是为同学们准备好的各色陶泥、制陶工具、烤箱、粗吸管等材料，请同学们根据陶泥老师的要求按步骤制作吧！

主要步骤：

1.取一块黄色粘土，搓揉成圆球，在顶部捏个圆形扁平的壶盖儿，捏出长壶嘴，壶嘴高度与壶盖儿齐平；

2.在壶嘴末端与壶盖中心按压出浅浅的凹孔，在水壶两侧偏上靠近壶盖处添加两块圆儿片，圆片与壶嘴成一条线，在两片圆片上各捏三个铆钉；

3.搓出长条形的把手将把手安装上茶壶；

4.将粗吸管周围缠绕上一层薄泥胚，慢慢抽出吸管，制成中空的陶泥管子；

5.茶壶底部掏空，轻轻安好陶泥空管；

6.给茶壶做上你喜欢的装饰；

7.将茶壶放入烤箱，高火十分钟后取出，属于你的倒流壶做好了！

师：倒流壶的现代叫法有好几种，实际上它叫什么名字并不重要，重要的是倒流壶在利用了一个科学原理制成后，同时还说明了一个生活哲理。这就是：倒既正，正是倒，倒的终点为正，正的终点为倒。这样一个看起来匪夷所思的道理，其实就是告诉众人：做任何事情都是不要超越限度。

设计意图：在刚刚学完倒流壶的科学原理后，能亲手制作一只倒流壶是学生非常期待的。做软陶手工既能锻炼学生的动手动脑能力、协调能力，团队协作能力，也可提高学生对事物色彩的认识和搭配能力，培养其耐心、细心的性格，学生在制作中体会自己动手的乐趣，体验成就感。软陶制作其中又蕴含了从观察到思维、从认识到操作、从想象到创造等多种教育契机。最后的人生启迪将科学课堂上升到哲学高度，意欲告诉学生，自然世界，“道”无处不在。