探索學科融合徑助推教學新突破
——由2020年北京普通高中學業(yè)水平等級性考試第14題所悟

2021-03-29 01:11:00應發(fā)寶

物理教師 2021年1期

應發(fā)寶

(北京市中關村中學，北京 100086)

圖1

真題.在無風的環(huán)境,某人在高處釋放靜止的籃球,籃球豎直下落;如果先讓籃球以一定的角速度繞過球心的水平軸轉動(如圖1)再釋放,則籃球在向下掉落的過程中偏離豎直方向做曲線運動．其原因是,轉動的籃球在運動過程中除受重力外,還受到空氣施加的阻力f1和偏轉力f2．這兩個力與籃球速度v的關系大致為:f1=k1v2,方向與籃球運動方向相反;f2=k2v,方向與籃球運動方向垂直．下列說法正確的是

(A)k1、k2是與籃球轉動角速度無關的常量.

(B) 籃球可回到原高度且角速度與釋放時的角速度相同.

(D) 釋放條件合適,籃球有可能在空中持續(xù)一段水平直線運動.

學校傳授的知識總是被分成獨立的學科學習,不是被統一的,而在實際生活中遭遇的問題總是呈現為超學科、總是需要學科融合才能解決,但令人尷尬的是我們的教育并未授予學科融合的本領．下面就以新課程背景下2020年北京普通高中學業(yè)水平等級性考試第14題為契點,管窺一下物理與體育學科的理性融合途徑．

1 新編教材中物理與體育學科融合點的統計(見表1)

物理學范疇的體育運動主要由田徑、體操、游泳和球類構成,其中田徑中的田賽項目(田徑運動中跳類運動包括跳高、跳遠、跳繩、跳水、跳傘、撐竿跳高、三級跳遠等運動以及鉛球、鐵餅等投擲運動),最終特征是高度和遠度,而徑賽項目(短跑、長跑和競走)的最終特征則為速度．游泳可理解為水中徑賽,最終特征仍是速度．體操雖無法用單一速度、高度和遠度來標識,但各種技術動作和環(huán)節(jié)主要由“旋轉”構成．球類則是綜合活動,既有田徑中的一切運動形式和運動態(tài),也有體操中的旋轉環(huán)節(jié),其特征是以命中目標的多少來決定勝負．雖然體育運動項目繁多,但若從物理受力角度分析,卻有可能是大同小異．下面就以球類運動和跳傘運動為例．

表1

續(xù)表

【融合欄目】必修1第一章第1節(jié)“質點參考系”中“思考與討論”(如圖2)

圖2

大部分球類運動(足球、臺球、籃球、排球、網球及乒乓球等)都能產生香蕉球,原因是“美麗的弧線”受力情況都一樣——馬格努斯力和壓差阻力,產生要領都相同——旋轉．

圖3

圖4

【融合欄目】必修1第一章第4節(jié)正文“從v-t圖像看加速度”及章末“復習與提高”A組題2;必修1第二章章末“復習與提高”A組題5——跳傘運動(圖4)．

圖5

若跳傘者以半蹲式姿勢著陸,最大加速度約為20 g,緩沖時間內的平均加速度(著陸速度除以緩沖時間)約為20-30 m/s2;若降落在草地、沙灘等松軟的地方,緩沖時間會更長,平均加速度更小,著陸時間內的平均加速度約為3.5-7.5 m/s2;在跳傘表演或滑翔傘定點跳傘時大多采用雀降方式,加速度會接近于零．第2章“復習與提高”A組題5中“低空跳傘表演”著陸加速度就給了12 m/s2,而新教材在必修1第一章第4節(jié)“速度變化快慢的描述——加速度”從v-t圖像看加速度卻給出25 m/s2這樣一個準確的數值(見表2),是不可取的．

表2 一些運動物體的加速度(近似值)

物理學范疇的體育運動態(tài)充滿了各色物理學概念與數量的關系,如訓練過程中所用的運動量、強度、密度、負荷等和運動員技術練習中出現的頻率、速率、節(jié)奏、幅度、力量、彈性等．從物理發(fā)展的角度看,可以通過調節(jié)這些物理指標(如增加力量、改進技術),使運動員跑的更快,投的更遠,舉的更多,旋轉的難度更大…,進而使人體在運動中處于激化狀態(tài),實現對生命的展現．

2 物理與體育學科融合的有效途徑

2.1 創(chuàng)設教與學的課堂情境,進行物理知識與體育項目的滲透融合

為了豐富教學素材,可以從器械裝備、訓練技巧、競技現象等角度創(chuàng)設教學情境．

對于以速度為特征的徑賽項目一般用于直線運動教學情境創(chuàng)設;以高度和遠度為特征的田賽項目一般用于拋體運動教學情境創(chuàng)設;以旋轉為特征的藝術體操類則一般用于圓周運動教學情境的創(chuàng)設;而對于具有綜合特性的球類運動,在表1統計中各章節(jié)出現率占11/25≈44%,可用于運動的描述、牛頓運動定律、曲線運動、平拋運動、機械能守恒、動量守恒定律(碰撞)等教學情境的創(chuàng)設,其是用于教學情境創(chuàng)設較寬的體育素材之一．對于其它體育運動項目,如結合飛鏢講述平拋運動、結合引體向上講述力的合成與分解、結合拔河講述摩擦力的應用;利用射箭、蹦床、撐竿跳高(撐竿斷裂)創(chuàng)設“彈性形變、彈性勢能”的教學情境等,都能為對應的物理知識應用創(chuàng)設高效的教學情境．

對于體育器械裝備,也可以創(chuàng)設實驗或活動的情境．

如圖6(a),利用一種運動員體能訓練器械——格斗繩來模似演示“波的干涉”中兩列波相遇時互不干擾、穿越而過的現象．利用操場上的海綿墊子、健身器材上包裹的海綿、拳擊手的拳套等各類體育器械和立定跳遠時彎曲下肢、詠春中的 “寸拳”發(fā)力等體育運動為素材講述動量定理,即可體驗對比屈膝和直膝著地感覺,又可促成對規(guī)律更加深刻的認識．又如圖6(b)所示,可以用藍球與乒乓球構成母子球創(chuàng)設探究超彈性碰撞的活動情境．一個乒乓球從高為h處自由落下,受水平地面的碰撞后沿原路返回上升h;若將此乒乓球與一個藍球如圖擺放,整體仍從高為h處自由下落,則乒乓球沿原路彈回上升的高度H與h的數量有什么關系(乒乓球質量遠小于藍球質量)?超彈性碰撞實驗是一個融合體育器械而創(chuàng)設的，即能夠開闊學生思路，又能促進學生對物理原理深入理解的演示實驗．

圖6

2.2 利用體育運動背景原始問題,促使動作思維向物理思維的轉換融合

圖7

【融合欄目】問題:如圖7，在排球比賽中,你是否曾為排球下網或者出界而感到惋惜?

(1) 如果運動員沿水平方向擊球,在不計空氣阻力的情況下,要使排球既能過網,又不出界,需要考慮哪些因素?如何估算球落地時的速度大小?

(2) 扣球時運動員的瞬時功率約為多少?

(3) 排球在雙方運動員的作用下在兩個場地來回運動,其中蘊含著哪些物理原理?

想要對上述問題做出精確求解,就要建立物理模型、賦值計算．如平擊發(fā)球時球在空中的運動軌跡可視為拋物線,排球所做的運動是平拋運動,可以建立平拋運動模型來研究球在什么情況下剛好過網或不出界;求瞬時功率需要知道球的瞬時速度,涉及扣球運動員施加給球的作用力的大小,也可從動量定理的角度,得出球的初速度進而求出瞬時功率;運動員在擊打排球中涉及力的作用效果、動量、沖量、動能等物理知識……，這樣根據相應的物理模型結合具體的賦值,就可以將這些原始物理問題轉化為具體的物理問題進行求解,從而促使學生由動作思維向物理思維的轉換融合．

2.3 通過課后學科融合活動,進行體育知識和物理學科的創(chuàng)新融合

課外學科融合活動的類型包括:雙向選修、課題探究、趣味活動等．

2.3.1 通過開設“雙向”選修,進行體育和物理學科的融合

在傳統體育課堂中,融入物理知識可以增加學生對運動技巧的理解;在物理教學中,融入體育實踐可以增加學生對物理規(guī)律的認識,達到學以致用的目的．開設“雙向”選修課是互融的最佳途徑,既能讓學生強身健體,理解該課程中蘊含的豐富物理知識,又能培養(yǎng)學生科學的思維方法、科學的精神以及能夠全面提升學生的人文情懷．

2.3.2 通過課外課題探究,進行體育和物理學科的融合

圖8

在每一屆現代奧運會上,無論是場館建設、競技比賽還是電視直播,都會涉及大量的科技應用,以此作為探究活動的課題,具有高大上的效果．當然,也可以從身邊微小事物選題,例如圖8,哪只是短跑運動員的跑鞋?與長跑運動員的跑鞋有什么不同?為什么?針對這一問題可以通過課外課題探究,先進行物理思辯,然后再親身實踐對比檢驗,才能達到對“摩擦力”概念的深入理解與把握．知識的理論獲得和實際運用之間,有一條鴻溝,越過它需要巨大的勇氣和智慧,但是,它也會帶給我們許多在課堂上沒有的東西,譬如激情、快樂．

2.3.3 通過物理學原理設計體育趣味活動,進行體育和物理學科的融合

圖9

例如圖9,托乒乓球跑接力賽．在比賽過程中,每組(3-4人)由一名選手用乒乓球拍托著乒乓球以奔跑的形式行進50 m,再將乒乓球與球拍交接給下個選手,多次接力后,到達終點用時少者為勝．選手不能用手接觸乒乓球,比賽途中若乒乓球掉地,則選手要撿起球,從對應位置繼續(xù)開始．

【學科融合】比賽時,將球置于球拍中心,以大小為a的加速度從靜止開始做勻加速運動,當速度達到v0時,再以v0做勻速直線運動跑至終點．賽道為水平直道,比賽距離為s．設整個比賽過程中球一直保持在球拍中心不動．在比賽勻速直線運動階段保持球拍的傾角為θ0,如圖所示．設球在運動過程中受到的空氣阻力與其速度大小成正比,方向與運動方向相反,不計球與球拍之間的摩擦,球的質量為m,重力加速度為g．則

(1) 空氣阻力大小與球速大小的比例系數k;

(2) 求在加速跑階段球拍傾角θ隨速度v變化的關系式;

(3) 整個勻速跑階段,若該同學速率仍為v0,而球拍的傾角比θ0大了β并保持不變,不計球在球拍上的移動引起的空氣阻力的變化,為保證到達終點前球不從球拍上距離中心為r的下邊沿掉落,求β應滿足的條件．