“冬奧”素材轉(zhuǎn)化為物理教學資源的價值追尋與實踐探微

王宇琪 荊 鵬 于海波

（東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

2022年北京冬奧會成功向世界呈現(xiàn)了一場冰雪運動盛宴，吸引了廣大青少年的關(guān)注.冬奧會賽場內(nèi)外的冰雪項目、前沿科技、傳統(tǒng)文化和疫情防控中都蘊含著諸多物理現(xiàn)象和物理規(guī)律，深入發(fā)掘并將其有機轉(zhuǎn)化為教學素材引入物理課堂教學，既能讓學生在新穎情境中利用所學知識解決真實問題，發(fā)展其核心素養(yǎng)，又能引導學生體悟冬奧會順利舉辦的背后彰顯的是大國擔當和大國力量，激發(fā)其民族自豪感.本文將從發(fā)掘“冬奧”資源，整合轉(zhuǎn)化為教學素材的現(xiàn)實意義和實施路徑進行探微，并給出了素材轉(zhuǎn)化案例，以期為挖掘“冬奧”素材轉(zhuǎn)化為物理教學資源帶來啟發(fā).

1 “冬奧”素材轉(zhuǎn)化的價值追尋

1.1 創(chuàng)新素材呈現(xiàn)方式，實現(xiàn)冰雪競技與物理教學的跨育融合

中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《中國教育現(xiàn)代化2035》提出“更加注重學生全面發(fā)展，大力發(fā)展素質(zhì)教育，促進德育、智育、體育、美育和勞動教育的有機融合”，［1］在物理學科的知識視域下去追問探析冰雪運動背后隱蔽的物理元素，在冰雪競技的視覺盛宴中激趣引致回應(yīng)“三億人上冰雪”的體育號召.五育融合的育人理念，需要學科間的跨育融合，跨育融合是最接近真實情境的育人模式，它以問題解決為核心，完全打破學科知識壁壘，在實踐中整體融合“五育”要素.［2］北京冬奧會運動項目繁多，為物理教學素材提供了更多優(yōu)質(zhì)的選擇，也為實現(xiàn)冰雪競技與物理教學的跨育融合創(chuàng)造了舞臺，這對于促進學生基于真實情境下學科和跨學科問題解決能力的發(fā)展，促進學生素養(yǎng)的發(fā)展［3］具有重要推動作用.

1.2 突出情境真實稟性，指向必備知識和關(guān)鍵能力的落實培養(yǎng)

核心素養(yǎng)作為情境性的知識運用能力，蘊含著強烈的情境屬性.［4］《中國高考評價體系說明》指出“情境”即“問題情境”，指的是真實的問題背景，是以問題或任務(wù)為中心構(gòu)成的活動場域.［5］教師結(jié)合教學內(nèi)容融通轉(zhuǎn)化“冬奧”素材，將賽場內(nèi)外的“冬奧+物理”融入教學實踐，呈現(xiàn)學生所關(guān)注、教學相關(guān)聯(lián)、內(nèi)容有啟發(fā)的真實問題情境，引導學生將所學知識學習遷移到新場域中運用新方法、解決新問題、獲得新結(jié)論，在真實問題解決中掌握必備知識、培養(yǎng)關(guān)鍵能力、激活科學思維、提高科學探究意識.

1.3 厚植學生家國情懷，嵌入思政元素促成物理學科育人價值

中國向世界奉獻了一屆簡約、安全、精彩的奧運盛會，為奧林匹克運動寫下嶄新篇章.［6］數(shù)萬名志愿者在賽場內(nèi)外傳遞愛和溫暖，選手間相互切磋交流留下了許多動人時刻.正如奧組委主席巴赫所言：“奧林匹克精神之所以如此閃耀，得益于中國人民出色地搭建了安全的奧運舞臺.本屆冬奧會奧運村獨具匠心，場館令人嘆為觀止，組織工作非凡卓越.”搭建安全奧運舞臺的背后是大國擔當?shù)捏w現(xiàn)，組織工作細致和場地設(shè)施完備是大國力量的彰顯，“冬奧”素材轉(zhuǎn)化為物理教學資源，創(chuàng)設(shè)情境優(yōu)化教學，具有現(xiàn)實意義和價值引領(lǐng)作用，不應(yīng)局限于讓學生學以致用與融會貫通，通過教師的價值引導，可使其可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粓觥胞}溶于水”式的愛國主義教育，是融合物理學科特色的思政育人.

2 “冬奧”素材轉(zhuǎn)化的實踐探微

2.1 冰雪項目的競技賽場，蘊含著物理的“運動美”

《普通高中物理課程標準（2017年版2020 年修訂）》強調(diào)不論是教學設(shè)計、教學實施還是學習評價中都應(yīng)重視情境的創(chuàng)設(shè).［7］以物理習題教學為例，將“冬奧”情境素材進行融通轉(zhuǎn)化，構(gòu)建了“冬奧”素材融入物理習題教學的路徑圖，［7］如圖1所示.學生由冰雪運動情境建構(gòu)相應(yīng)的物理模型生成物理問題，最終轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題推導出結(jié)論.通過冬奧冰雪運動的情境再現(xiàn)激發(fā)學生對物理學習的興趣，引導學生在真實的背景下運用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實際問題，問題解決過程中我國奧運健兒的拼搏精神與取得的成績，也是對學生進行民族自信心的浸染培養(yǎng).

圖1 “冬奧”素材融入物理教學的路徑圖

北京2022年冬奧會共設(shè)7個大項，15個分項和109 個小項，紛繁多樣的運動項目背后蘊藏著多種物理規(guī)律，冰壺是集技巧和智慧于一體的體育運動，同時涉及動量、摩擦力以及物態(tài)變化等多種物理知識，也可將其轉(zhuǎn)化為物理教學資源進行教學.

題目1.第24 屆冬奧會于北京成功舉辦，具有“冰上象棋”之稱的冰壺是比賽項目之一，如圖2所示，藍冰壺靜止在大本營B點，紅冰壺從A點徑直推出，途徑Q點，滑行一段時間之后，運動員在紅冰壺前不斷刷冰，直至兩個冰壺發(fā)生碰撞.已知紅冰壺在Q點的速度v=3 m/s，Q、B兩點之間的距離L為24 m.從冰壺進入刷冰區(qū)域某時刻開始，冰壺碰撞前后的v t圖像如圖3所示.（兩個冰壺均可視為質(zhì)點，假設(shè)未刷冰區(qū)域兩個冰壺與冰面之間的動摩擦因數(shù)恒定且相同，紅冰壺在刷冰區(qū)域與冰面的動摩擦因數(shù)減小且恒定）

圖2

圖3

（1）請計算碰撞后藍冰壺是否會滑出大本營；

（2）求紅冰壺在刷冰區(qū)域滑行的距離.

本題再現(xiàn)了投擲冰壺的情境，在題干中呈現(xiàn)冰壺運動速度、運動距離等信息，據(jù)此設(shè)問，考查學生對動能定理、動量守恒、勻變速直線運動以及滑動摩擦力的理解，在解決習題的過程中，學生首先需要抓取題干信息，再依據(jù)信息分析運動過程，并結(jié)合所學運動學以及力學的知識，進一步運算出答案.既能讓學生了解冰壺運動的相關(guān)知識，也考查了學生在真實情境中應(yīng)用必備知識和關(guān)鍵能力去解決真實問題意識.

2.2 前沿科技的人工智能，凸顯著物理的“技術(shù)范”

精彩的冰雪運動不僅是運動員之間的較量，同樣是國家科技創(chuàng)新硬實力的展示.賽場內(nèi)外的前沿科技應(yīng)用提高了賽事水準，便捷了生活出行，此次北京冬奧會實現(xiàn)了多項技術(shù)首次使用.這些科技的進步離不開物理學的理論支持，教師可通過多元化渠道了解、發(fā)掘、轉(zhuǎn)化奧運科技蘊含的物理元素，凸顯物理學科在推動科技創(chuàng)新方面的獨特價值，例如冰面變化小于0.1mm 的冰壺賽場、百米級氣象預報技術(shù)、場館全覆蓋的5G、-40 ℃不熄滅的冬奧火炬、用航天材料打造的國產(chǎn)高性能雪車、體感-30 ℃仍可正常訓練的冬奧戰(zhàn)服等.

自動駕駛的“冬奧”復興號動車組，在京張高鐵上飛馳而過，強大的控制系統(tǒng)給乘客舒適的乘坐體驗，經(jīng)過一個個橋梁和隧道時，列車需要不斷降速與提速.其中動車行駛過程涉及功率、動能定理和牛頓第二定律等物理知識.由此可見，“冬奧”復興號動車組在運行中暗含著豐富的、可轉(zhuǎn)化的物理教學資源，可將其應(yīng)用在習題教學的情境創(chuàng)設(shè)中.

題目2.新型奧運版復興號智能動車組依托京張高鐵智能“復興號”運營經(jīng)驗和先進技術(shù)，為北京冬奧會量身定制，具有智能、綠色、人文的重要特點.在世界上首次實現(xiàn)350km/h自動駕駛功能，成為我國高鐵自主創(chuàng)新的又一重大標志性成果.一列質(zhì)量為m的動車，初速度為v0，以恒定的功率P在平直軌道上運動，經(jīng)時間t達到該功率下的最大速度vm，設(shè)動車行駛過程中所受到的阻力F不變，動車在時間t內(nèi)

（A）做勻加速直線運動.

（B）牽引力的功率P=Fvm.

圖4

2.3 傳統(tǒng)文化的精神內(nèi)涵，宣示著物理的“底蘊深”

橫跨百年的冬奧譜系蘊含著豐厚的人文底蘊，傳統(tǒng)文化與冬奧的融合彰顯了華夏精神內(nèi)涵.奧運會徽、吉祥物、獎牌、火炬以及場館建設(shè)等都無不體現(xiàn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化與奧林匹克精神的完美契合.深入發(fā)掘“冬奧”中文化符號背后的物理元素，繼而轉(zhuǎn)化成物理教學資源既能讓學生在感悟傳統(tǒng)文化的底蘊中應(yīng)用學科知識去解決真實問題提升遷移能力，也是培養(yǎng)學生對傳統(tǒng)文化、傳統(tǒng)思想價值的認同，堅定其文化自信.

2022年北京冬奧會開幕式上每個國家和地區(qū)入場時都有一個雪花引導牌，如圖5所示，雪花的“花瓣”融入了“中國結(jié)”的設(shè)計元素，是中國傳統(tǒng)文化和冬奧精神有機融合，每個代表團就像奧林匹克大家庭的一片小雪花，為了做到晶瑩剔透、精巧不笨重，用LED 燈珠代替雪花和字母部分，其他部分用細鋼絲支撐，利用光學原理來隱藏鋼絲，為預防因斷電導致字母缺失、雪花不亮的情況出現(xiàn)，團隊采用五路供電的方式，即使3、4根電線出現(xiàn)問題，同樣能正常發(fā)光.其中所涉及電路知識、力學規(guī)律與光的反射等內(nèi)容都可以在教學中進行融通轉(zhuǎn)化為素材資源.

圖5 2022年北京冬奧會開幕式上的“雪花引導牌”

2.4 疫情防控的精準高效，依附著物理的“保護傘”

防疫是冬奧會工作的“重中之重”，在疫情嚴峻復雜的全球形勢下，北京冬奧疫情防控的精準高效，是冬奧防疫和城市防疫的全面融合、一體推進，是中國防疫成果向世界的經(jīng)驗分享，更是大國擔當和制度優(yōu)勢的價值肯定.疫情防控采用的新技術(shù)手段和防護原理都與物理學科密切聯(lián)系.如體溫監(jiān)測、環(huán)境消毒、病原體檢測等環(huán)節(jié)，都離不開防疫科技的助力.以“腋下創(chuàng)可貼”體溫監(jiān)測技術(shù)為例，其依托皮膚貼或創(chuàng)可貼，在腋下皮膚上固定智能體溫計，將該設(shè)備綁定到App上，實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)變化在手機頁面的實時測量與后臺上報.“腋下創(chuàng)可貼”的工作原理是基于一種可變量程的溫度傳感器，即通過溫度傳感單元來獲取人體溫度信息，通過數(shù)字換算輸出一個數(shù)字信號來反饋人體的即時溫度，這可以轉(zhuǎn)化為人教版普通高中教科書物理選修2 中傳感器一章中的教學資源.創(chuàng)設(shè)此傳感器為真實情境的物理問題，讓學生利用已有的知識圖景，遷移分析來解決真實問題，更深層次體悟?qū)W科中物質(zhì)觀念和能量觀念的重要意義.在條件允許的情況下，教師還可以引導學生進行簡單傳感器的設(shè)計與制作，讓這一章的學習變成充滿趣味、沒有負擔的物理課堂.

3 總結(jié)與展望

深入挖掘“冬奧”素材轉(zhuǎn)化為物理教學資源，本質(zhì)上是對學生在新情境下對物理知識遷移應(yīng)用能力的探查，旨在培養(yǎng)學生關(guān)鍵能力以促成落實物理學科的核心素養(yǎng).融通轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的物理教學資源是一個需要不斷實踐、反思與改進的過程.在教學實踐中要緊緊圍繞“立德樹人”的根本任務(wù)，指向物理學科育人價值，活用、巧用這些素材，為學生提供學以致用、融會貫通的問題解決情境，促進學生核心素養(yǎng)的提升.本文從“冬奧”會賽場內(nèi)外競技運動、科技人文和疫情防控等多維度進行了轉(zhuǎn)化的價值追問和可行性分析，提供了案例參考，以期為廣大一線教育工作者帶來啟發(fā).