《張衡地動儀》教學反思張衡發明的地動儀是我國東漢時期測量地震的儀器，是人類歷史上第一架科技含量較高的地震預測儀器。但由于種種原因，使這一人類偉大的科研成果在東漢末年到魏晉時期被破壞。為了重現失傳的儀器，滿足地震學研究的需要，后人根據相關史書記載，制作了地動儀復原模型。目前這種復原模型有多達十種之多，而中小學教材中采用的復原模型則是王振鐸先生于1951年設計的。這種復原模型用銅制成，內部豎著一根銅柱，周圍有八組杠桿連接外面，外面鑄有八條龍，分別朝著八個方向，龍的口中各銜一枚小銅球（見圖1、圖2）①。哪個方向發生地震，銅柱就倒向哪個方向，觸動杠桿，使那個方向的龍口張開，吐出銅球，落入下面銅鑄蛤蟆口中，并發出響聲，這樣就能知道哪個方向發生了地震。圖1圖2地動儀這一知識是在人教課標七年級上冊第16課中學習，教材安排學習這一知識點，目的是要讓學生懂得如何識別地震和非地震，初步認識物理現象——地震波的傳播方式。教材中所示的地動儀復原模型不但會誤導學生對地震的識別，而且還會讓學生形成錯誤的知識結構。首先是工作原理錯誤。地面的振動分為地震波動和非地震波動兩大類，二者性質與特征完全不同。地震是巖石的剪切性錯動——斷層兩側的巖體呈反方向剪切錯位，所以地震波的能量以橫波為主，地面的運動以水平向的擺動和搖晃為主；非地震的震源——如人車行走、爆破、敲擊、山體滑坡、礦山塌陷或氣象變化等，都是簡單的膨脹性力源，這些現象激發的波動能量以縱波為主，地面的運動以上下顛動和顫動為主，不產生或僅有微弱的水平向分量。教材中所用地動儀模型的工作原理，把一根細細的直立桿簡單地豎立在底盤中央，錯誤地稱之為“無定向倒立擺”。地震根據“無定向倒立擺”的傾倒來預測，并確定地震方向。然而在實際教學過程中，用手拍打直立桿倒置的底盤所處的平面，直立桿也會傾倒，而且傾倒的方向也很隨意，導致直立桿傾倒的原因是以上下顛動和顫動為主的手拍打平面所產生的震動波，而不是以水平向的擺動和搖晃為主的地震波，這樣的地動儀無異于倒置啤酒瓶的報警器。直立桿結構在物理上屬于穩定平衡，沒有可以產生恢復力矩的彈簧等結構。因此它與懸垂擺和倒立擺等穩定平衡結構完全不同。直立桿因其傾倒方向的隨意性，運動行為的不可重復性等物理屬性，決定了這不是一個正確的驗震器。其次外部形狀不合理。西晉司馬彪《續漢書》記載地動儀“形似酒尊，其蓋穹隆”。教材所示模型的外形頗似體育運動獎杯，與史料記載相悖。此外，龍的造型與歷史相悖，在秦漢時期，龍的造型是立雕龍，而復原模型圖上的龍則呈“倒栽蔥”狀，這種形狀的龍是典型的明清風格的龍形，有悖于中國青銅文化中處理龍首的傳統理念，也不符合史料“外有八方兆，龍首銜銅丸”②的記載。傳統模型的失誤，誤導了教師的教學方向，產生了諸多的負面影響。首先是讓學生不能正確地判斷地震。由于復原模型工作原理的失誤，學生在學習過程中，就把倒置的啤酒瓶作為生活中的驗震器，混淆了報警器和驗震器的基本概念，同時也讓學生不能很好地判斷地震是否即將爆發。其次也給我國地震學的發展帶來一定的負面影響。青少年是祖國未來事業的接班人，由于他們受到地動儀傳統模型的影響，有些觀念在他們的腦海里深深地扎下了根，在今后的研究過程中，他們就會受到現有復原模型的嚴重干擾，導致他們犯下一些不該犯的錯誤，阻礙我國地震學的發展。再次容易導致國人對張衡地動儀的質疑。由于地動儀復原模型工作原理的失誤，許多人誤認為這是張衡地動儀的錯誤，于是否定張衡地動儀的科學性和歷史作用，放棄了對張衡地動儀的研究，使國家的歷史文化遺產失傳，甚至還有認為中國的地動儀只是中國人的向往而不是一個完美現實的觀點已經屢屢見諸于國內外文章。欲改變這些現狀，糾正這些觀點，首先要有科學的復原模型取代舊的復原模型。現在科學的復原模型已經產生并通過國家鑒定，（見圖3、圖4）③該模型有如下特點：④圖3新的復原模型的外型圖4新模型的內部結構1．工作原理是懸垂擺，粗重的“都柱”被懸掛著。2．內部結構有柱、關、道、機、丸五部分，小“關”是由都柱控制的觸發機構。3．儀器的基型像漢代的溫酒尊，龍首為立雕，蟾蜍是器足，設計更加符合史料和漢代特征。4．具有驗震器的功能，可以對地震實現合理的反應，又有很強的抗干擾能力。該模型能識別地震與非地震，非地震的震波是以垂直顫動為主，因垂直作用力與都柱的重力方向一致，都柱上下震動，幾乎無水平向擺動，置于錐形臺上的小球就不會脫落。地震的震波是以水平向震動為主，當有地震波產生時，尊體就會隨之發生左右振動，大質量的都柱則會因其慣性保持靜止狀態，二者間便發生了相對的側向位移，錐形臺上的小球就會脫落，撞擊龍機，實現測震。利用這樣的模型進行教學，就可以讓學生知道，最簡單的驗震器就是生活中的懸掛物，從而達到增強學生識別地震能力的目的。其次，教師在教學過程中也要更新教學觀點。由于長期受傳統模型的影響，教師誤認為倒置的啤酒瓶就是簡單的驗震器，還可以正確地預測地震發生的方向，這樣就會誤導學生。其實在新模型產生以后，通過專家的反復驗證，已經明確地告訴我們，簡單的驗震器就是與新模型中所懸掛的都柱一樣的懸掛物，俗語說“地震沒地震，抬頭看吊燈”，講的就是這個道理。教師在講解地動儀驗震時，不要太強調其對方位的反應。古今中外的所有驗震器，都是原始的或早期階段的測震技術，主要是檢驗地震的發生，不能確定震中，因為地震是自然界中惟一的一種剪切性力源，所以地震波的初始振動會同時出現背離震中和指向震中的空間分布，東邊發生了地震，在東、西兩個方向上的其中任何一個銅丸的掉落都是合理的。但現在對震中的確定，是靠現代地震臺網技術解決的，