李顯林

玉溪市第一中學(xué)，云南 玉溪 653100

張茂昌老師指出，教師走出物理教學(xué)難的誤區(qū)有“三要訣”：手中有“物”，胸中有“理”和目中有“人”[1]。 源于生活的“物”，更易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生見“物”思“理”，幫助學(xué)生理解物理概念的建立過程，掌握科學(xué)探究的方法，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)和科學(xué)探究能力。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：學(xué)生實(shí)驗(yàn)是其他任何方式都無法替代的物理學(xué)習(xí)方式，要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)[2]。人教版高中物理必修第一冊第一章第3節(jié)《位置變化快慢的描述——速度》是一節(jié)概念課，主要內(nèi)容是講解速度、平均速度和瞬時(shí)速度三個(gè)物理概念。筆者利用生活實(shí)例把這節(jié)概念課改成了實(shí)驗(yàn)課，以下是這節(jié)課的課堂設(shè)計(jì)。

1 課程資源的準(zhǔn)備

生活中，百米短跑視頻通常采取近距離跟拍的方式展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員比賽中力量和速度的美。為了能更準(zhǔn)確地描述運(yùn)動(dòng)的快慢，筆者和同事合作，用大疆牌“御”Mavic 2型無人機(jī)（圖1）從高空拍攝了學(xué)生百米短跑的視頻。為了獲取運(yùn)動(dòng)員的位置和時(shí)間信息，我們在視頻中加上了坐標(biāo)和秒表計(jì)時(shí)器，如圖2所示。學(xué)生上課時(shí)分組進(jìn)行探究，每個(gè)小組使用一臺(tái)電腦。

圖1 拍攝視頻使用的大疆牌“御”Mavic 2型無人機(jī)

圖2 加上坐標(biāo)和秒表計(jì)時(shí)器的視頻截圖

2 教學(xué)過程

（1）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師首先播放博爾特打破百米世界紀(jì)錄的視頻（視頻截圖如圖3），然后提出問題：如何描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢？

圖3 2009年8月16日博爾特沖刺瞬間

（2）合作交流，明確問題

通過引導(dǎo)學(xué)生交流討論，讓學(xué)生意識(shí)到：總位移和總時(shí)間的比值是平均速度，只能粗略描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢。請同學(xué)們設(shè)計(jì)方案，更精確地實(shí)時(shí)描述運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)情況。

（3）提出方案，解決問題

教師引導(dǎo)學(xué)生用“化整為零”的思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：將100 m等分成10份，分別測量運(yùn)動(dòng)員跑完每個(gè)10 m所需要的時(shí)間。

方案二：測量每一秒時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)動(dòng)員的位移。

根據(jù)方案一，學(xué)生先讀取視頻中某位運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，算出10個(gè)平均速度，如表1所示。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，可以把100 m短跑分成三個(gè)階段：起跑后的加速階段（速度快速增加）、途中勻速跑階段（維持最大速度運(yùn)動(dòng)）和沖刺階段（竭盡全力，速度會(huì)略有降低）。

表1 第六跑道運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

如果用全程的平均速度表示運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過90 m處的速度，誤差會(huì)很大；而用90 m到100 m的平均速度來近似表示90 m處的速度，誤差就會(huì)減小很多。選取的時(shí)間間隔Δt越小，用這段時(shí)間間隔內(nèi)的平均速度表示90 m處的速度就越精確。如果時(shí)間間隔Δt非常短，可以近似認(rèn)為Δx/Δt表示的就是物體在這個(gè)時(shí)刻經(jīng)過90 m處的速度，這個(gè)速度叫作瞬時(shí)速度。

接下來，請同學(xué)們閱讀教材以下內(nèi)容：用由時(shí)刻t到t＋Δt一小段時(shí)間內(nèi)的平均速度來代替時(shí)刻t物體的速度，如果Δt取得小一些，物體在Δt這樣一個(gè)較小的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)快慢的差異就不會(huì)太大。當(dāng)Δt非常非常小時(shí)，運(yùn)動(dòng)快慢的差異可以忽略不計(jì)，此時(shí)，我們就把Δx/Δt叫作物體在時(shí)刻 t的瞬時(shí)速度[3]。然后，教師介紹并演示利用遮光片和光電門測量物體的瞬時(shí)速度。

教材用語科學(xué)、準(zhǔn)確、精練，但有時(shí)對學(xué)生而言卻難以理解。通過讓學(xué)生自己分析處理測試數(shù)據(jù)，讓學(xué)生觀看光電門測速度的演示實(shí)驗(yàn)，有助于加深學(xué)生對瞬時(shí)速度概念的理解。

（4）整合知識(shí)，學(xué)以致用

根據(jù)方案二，通過分析視頻數(shù)據(jù)，可以算出運(yùn)動(dòng)員每一秒的平均速度，用這個(gè)平均速度可以近似表示中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度。讓學(xué)生在坐標(biāo)紙上畫出v-t圖（圖4），了解速度隨時(shí)間的變化情況。

圖4 學(xué)生根據(jù)讀取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的v-t圖

（5）合理簡化，建立模型

抓住主要因素，忽略次要因素，將100 m短跑簡化為加速跑和途中跑兩個(gè)階段。如圖5所示，運(yùn)動(dòng)員甲在加速階段加速度大，最大速度?。贿\(yùn)動(dòng)員乙在加速階段加速度小，最大速度大。在兩者速度相等以前，運(yùn)動(dòng)員甲領(lǐng)先，但是甲的耐力不好，最終被運(yùn)動(dòng)員乙反超。后續(xù)課程中教師還可以利用這個(gè)圖像讓學(xué)生學(xué)習(xí)加速度的概念，推導(dǎo)位移公式，研究追擊和相遇問題等。

圖5 簡化后的100 m短跑運(yùn)動(dòng)員的v-t圖像

（6）誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因如下：

①如圖6所示，當(dāng)把運(yùn)動(dòng)員看成質(zhì)點(diǎn)讀取位置數(shù)據(jù)時(shí)，通常取運(yùn)動(dòng)員頭部這個(gè)點(diǎn)的位置。但是由于拍攝角度的問題，有時(shí)運(yùn)動(dòng)員的頭部已過線，但身體還未過線，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生測量誤差。

圖6 將視頻中的運(yùn)動(dòng)員近似看作質(zhì)點(diǎn)

②計(jì)時(shí)的秒表是數(shù)字式的，最小間隔是0.1 s，存在計(jì)時(shí)誤差。

③描繪v-t圖時(shí)，描點(diǎn)不準(zhǔn)，畫線不準(zhǔn)造成的誤差。

3 教后感

筆者把這節(jié)概念課改為實(shí)驗(yàn)課后，突出了學(xué)生的主體地位，取得了較好的教學(xué)效果，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）開發(fā)生活實(shí)例，突破教學(xué)難點(diǎn)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：物理教學(xué)要積極利用已有的數(shù)字媒體，主動(dòng)開發(fā)適合教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的信息產(chǎn)品；拓寬物理學(xué)習(xí)的途徑；促進(jìn)物理教學(xué)方式改革[2]。

俯視角度拍攝的視頻讓學(xué)生從一個(gè)全新的角度來欣賞100 m短跑比賽，讓他們體會(huì)到“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)理想模型的實(shí)際應(yīng)用；不僅可以幫助學(xué)生理解時(shí)間和時(shí)刻、位移與位置、平均速度與瞬時(shí)速度等物理概念的區(qū)別和聯(lián)系，還為學(xué)生提供了豐富、便利的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在整堂課中都保持著極高的興趣和參與度。這個(gè)教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)了從生活場景到物理情境的過渡，生活語言到物理科學(xué)表述的轉(zhuǎn)變，大大豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的體驗(yàn)。

（2）促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展

通過對短跑視頻的研究，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在100 m短跑中，運(yùn)動(dòng)員經(jīng)歷了加速、勻速和沖刺等運(yùn)動(dòng)階段，讓學(xué)生形成正確的運(yùn)動(dòng)觀。通過這個(gè)研究過程，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，學(xué)生在化整為零、近似表示、極限和數(shù)形結(jié)合等方面的思維能力都得到了提高。

在科學(xué)探究過程中，學(xué)生從確定研究對象開始，依次經(jīng)歷了將研究對象抽象為質(zhì)點(diǎn)、建立坐標(biāo)軸、讀數(shù)、數(shù)據(jù)處理、畫圖和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等一系列研究過程，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力、小組合作的能力、數(shù)據(jù)處理的能力和分析誤差的能力。

在科學(xué)態(tài)度和責(zé)任方面，培養(yǎng)了學(xué)生仔細(xì)認(rèn)真研究、科學(xué)規(guī)范記錄數(shù)據(jù)的科學(xué)習(xí)慣；讓學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，樹立實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。本文的研究方法還可以應(yīng)用于體育老師選拔和訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員的過程，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究可以為社會(huì)服務(wù)的應(yīng)用意義。

（3）這種教學(xué)方法值得推廣

教師可以利用錄像設(shè)備錄制自由落體運(yùn)動(dòng)、豎直上拋運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)視頻，加上坐標(biāo)刻度和計(jì)時(shí)器后，形成課程視頻資源，幫助學(xué)生更直觀地掌握物理知識(shí)，提升核心素養(yǎng)能力，改變物理難教難學(xué)的局面。