核心素養背景下高中物理情境化習題設計

劉 彤，李俊儒，郝 睿

寧夏大學物理與電子電氣工程學院，銀川 750021

為加強學生在實際情境中運用物理知識，《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂)》針對學業質量提出：試題的任務情境要與生產生活、科技發展等緊密聯系，要探索設計與現實相關的問題情境，加強對學生應用物理學知識綜合解決實際問題能力的考查；能將較復雜的實際情境問題中的對象和過程轉換成物理模型；能在新的情境中對綜合性物理問題進行分析和推理［1］。創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用。情境化習題通過緊密聯系學生需要掌握的物理知識，使得學生在解決問題的過程中有身臨其境之感，很好地激起了學生的求知欲。其次，可以利用習題中真實而又復雜的情境，來鍛煉學生的理解、分析能力和思維擴展能力［2］，培養學生基于情境建構模型的抽象概括能力。

短道速滑起源于加拿大，在1992年阿爾貝維爾冬奧會被列為正式比賽項目。2022年北京冬奧會短道速滑比賽在首都體育館進行，自2月5日開賽至2月16日結束，在十幾天的比賽中，中國短道速滑隊以2金1銀1銅順利收官。“短道速滑”比賽涉及了很多高中物理動力學知識，本文以此情境為載體進行“動力學”模塊習題設計，不僅可以使學生在同一情境創設中發現知識之間的連貫性，培養學生建構模型的科學思維能力，提升學生的物理素質［3］，也可以讓學生在情境中體會運動員十年如一日刻苦訓練的艱辛和獎牌的來之不易，提高學生的民族自豪感。

1 融合速滑項目情境的習題設計

針對習題的情境設計要兼顧物理學科核心素養和高中學業命題考查的要求，為此，在自編題的情境創設中，將情境命題要求、核心素養和考查內容設計為如圖1所示的框架圖。教師首先向學生介紹短道速滑項目的相關信息（表1）。通過此環節可以加深學生對短道速滑情境信息的認識，為后續習題的模型建構提供充分的準備。

表1 短道速滑項目的相關信息

圖1 情境設計框架圖

1.1 “黃金8步”起步

師：起跑技術在短道速滑運動中至關重要，運動員起跑狀態越好，越容易在后續比賽中占據優勢位置。優秀運動員一般可以8步從起跑線滑到第一個轉彎標志位置（圖2），故稱之為“黃金8步”。在直道階段，運動員需要盡可能地增加蹬冰力量從而獲得更快的滑行速度。

圖2 短道速滑賽道示意圖

自編題1：2018年冬奧會短道速滑500 m世界紀錄保持者武大靖在比賽過程中，從起跑線開始保持勻加速直線運動滑行16 m，進入彎道前測得的瞬時速度v=8 m/s，求運動員在這段過程中的加速度a的大小和到達第一個彎道標志塊的時間 t。

生：根據勻加速直線運動的公式

由于起跑初速度為0，解得

教師補充：由于起步階段對爆發力要求很高，所以運動員在訓練時需要加上一些專項的起步訓練，比如在標準的起步姿勢下反復單腿站立、下蹲訓練腿部肌肉力量。

1.2 “壓道轉彎”

觀看短道速滑比賽中運動員轉彎和直道滑行的圖片（圖3），學生發現運動員在彎道滑行時將身體傾斜很大的角度，不僅沒有摔倒，而且順利通過彎道，在彎道滑行結束后運動員隨即調整自己的身形體態變為直立滑行。

圖3 滑冰示意圖

教師解釋：運動員要克服人體向前做直線運動的慣性，所以身子要向彎道中心傾斜。接著引導學生對運動員滑行的兩種狀態進行受力分析。

學生對這兩種滑行狀態分別進行受力分析（圖 4）。

圖4 運動員受力分析圖

自編題2：冰面對短道速滑運動員的最大摩擦力約為自身重力的0.02倍，在水平冰面上沿半徑為8 m的半圓彎道滑行。若只靠摩擦力來提供向心力，為順利過彎，則運動員的速度v1為多少？圖3中武大靖為提高轉彎速度，身子向左方傾斜約67.8°，在忽略摩擦力的情況下，速度v2又將怎樣變化？ （tan67.8°≈2.45）

生：水平彎道可以近似看成圓周運動，利用圓周運動知識，只靠摩擦力提供向心力時，豎直方向重力和支持力平衡，受力分析如圖5所示。

圖5 受力分析圖

學生計算發現，如果只靠摩擦力來提供向心力的話，彎道速度遠遠不夠。通過圖4受力分析可知，當運動員傾斜身體時，冰面對運動員的支持力FN的豎直分力Fy與重力G二力平衡，水平分力Fx提供向心力，則有

通過數據可知，靠運動員所受支持力的水平分力來提供向心力時的運動速度遠遠高于僅靠摩擦力時的運動速度。由此，學生就可以利用圓周運動的知識解釋為什么在賽道轉彎時身體要向內傾斜而不是直立通過了。

教師補充：在短道速滑的賽道中彎道比直道更容易實現超越，但是也需要更多的技巧。如果在變換路線進行超越時未及時調整身體傾角，會出現提供的向心力與所需向心力大小不匹配，進而導致運動員摔倒。

自編題3：一質量為m的運動員由于壓彎出現問題，在圓弧軌道頂端沿切線方向摔出跑道，與相距s1的彈性泡沫防護墊正撞。已知運動員以速度v摔倒之后與冰面接觸，其動摩擦因數為μ，撞上防護墊后反彈距離為s2，設在碰撞時間內運動員對防護墊的平均作用力為F，求運動員與防護墊接觸的時間t。

教師引導學生發散思維，不拘泥于一種形式解決實際問題。小組結合題干分析、合作討論后發現，若求時間t，一定要用到動量定理，而求速度則成為這道題的解題關鍵。速度可以運用運動學和能量守恒知識兩種方法求得。

①動力學為主的解決方法

首先，學生需要考慮在滑行過程中受到摩擦力，在這個過程中所受摩擦力方向與運動員速度方向相反，故做負功。利用牛頓第二定律求得運動過程的加速度，再套用運動學的方程公式。

運動員剛接觸泡沫防護墊時的速度設為v1，則有

剛離開泡沫防護墊時的速度設為v2，則有

可解得

②能量守恒為主的解決方法

利用能量守恒定律，學生可將整個過程分為三個階段：碰撞前、碰撞時、碰撞后。按照階段分析狀態始末的能量，即可解出碰撞前后的速度v。

在剛接觸泡沫防護墊前

離開泡沫防護墊到運動員停下后

可解得

運用兩種方法解決物理問題，在比較中尋找更合適、簡便的算法，在運算中鞏固所學知識和模型建構的能力，是題目設計意圖所在。

1.3 接力速滑

背景知識：在短道速滑賽場上，除了個人競賽，還有需要團隊配合的接力速滑。在接力賽中，最為重要的是在滑行中運動員之間的交接。從專業角度來說，第二棒必須是線路掌握得好的，而且最好身材小一些、體重輕一些的，而一棒除了要求速度快，一般體格也要求稍微大一點，這樣在一棒絕對速度快的情況下，推體型小的二棒會讓其速度更快。

自編題4：北京冬奧會的混合接力比賽中，根據教練團的戰略部署，我國的陣容搭配是一棒范可新、二棒張雨婷、三棒任子威、四棒武大靖，四人體重分別為 55 kg、45 kg、70 kg、73 kg。 當滑行速度為6 m/s的范可新和速度為3 m/s的張雨婷在直道上進行交接（圖6）時，假設交接時無能量損失，那么交接后的兩人速度分別為多少？如果兩人的交接順序倒過來，在交接速度不變的情況下，交接后的速度有什么變化？

圖6 交接示意圖

如果學生對于題干中的交接過程不能快速抽象出物理模型，教師可以引導學生把運動員想象成物塊之間的碰撞過程，再回歸題干情境中利用碰撞知識點解釋運動員交接問題。該教學環節實現了將接力情境轉為物體碰撞的模型再到用碰撞模型去解釋接力過程的高效轉化，從而提高學生將情境與物理知識相結合的能力。

對比發現：在顛倒順序交接后，二棒速度減小，不利于比賽取得優勢。

2 總結

現階段的物理習題已多偏向于聯系實際生活，但是模塊化的情境設置還比較少。基于同一情境或同一系列情境去設置涵蓋模塊知識的一套習題，既可以將模塊知識由淺入深地串聯起來，又可以讓學生在情境中將知識依次進階，在反復應用中加深對知識的理解和掌握。