開發(fā)課程素材提升高中生科學思維素養(yǎng)

黃鎮(zhèn)宇

摘? ?要：高中物理新教材包含大量課程素材資源，開發(fā)課程素材并結合學生生活創(chuàng)設物理情境、構建物理模型，是培養(yǎng)學生科學思維素養(yǎng)的重要途徑。文章以拔河比賽為例，通過問題引導學生參與物理建模過程，并運用分析綜合、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維揭示比賽中的物理規(guī)律、探究拔河比賽的制勝法則，最終提高學生的科學思維素養(yǎng)。

關鍵詞：拔河;建模;科學思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）3-0064-6

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出：“‘科學思維’是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式;是基于經(jīng)驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格?！盵1]以“原始問題”為背景，創(chuàng)設與學習主題相關的情境，激發(fā)學生探究欲望，促成學生充分參與、體驗科學思維過程。新教材已經(jīng)為我們提供了大量情境類資源，充分利用這些資源，引導學生分析問題、解決問題是提升學生科學思維素養(yǎng)的有效途徑。文章以拔河比賽為例，探究如何利用情境創(chuàng)設開發(fā)課程素材來提升高中生科學思維素養(yǎng)。

1? ? 發(fā)掘教材資源，設置問題情境

國際拔河比賽規(guī)定，每個隊由8名運動員組成，按8名運動員體重的總和，分成若干重量級別，同等級別的兩個隊進行比賽。還規(guī)定，運動員必須穿“拔河鞋”或沒有鞋跟等突出物的平底鞋，不能戴手套。

（1）競賽為什么要做出上述規(guī)定？試從物理學的角度進行說明。

（2）專業(yè)的拔河運動員在拔河時身體向后傾倒，跟地面的夾角很小，為什么要這樣做？[2]

為了激發(fā)學生的學習動機，向學生展示拔河比賽情境圖，如圖1所示。并增設問題：

（1）結合各種拔河比賽分析兩隊比賽中某隊失利時有哪幾種典型情境及滿足的力學條件。

學習任務：請從物理原理上分析說明。

2? ? 利用微元思想，化大為小、化繁為簡

情境再現(xiàn)：為了使學生對問題情境有更具體、形象的認識，組織觀看不同年級學生的比賽、本班學生課前體驗賽、中國男、女專業(yè)選手的比賽等視頻。

任務1：拔河比賽中將標志帶拉過本隊河界的隊為勝方，觀看視頻并從運動形式角度分析失利一方（繩子被對方拉過去）的典型情境有哪些。

隊伍有時會被拉倒，有時會滑倒、滑動，有時會前后徘徊，有時會蛇形運動，個體有時會抓不住繩子而松手，等等。比賽往往都是勢均力敵的膠著狀態(tài)，取勝過程也往往是跌宕起伏。學生觀看視頻激發(fā)了探究的興趣，但拔河過程非常復雜、多樣，學生感到茫然，不知從何入手。教師要抓住學生描述中的一些關鍵詞，如“有時……有時……”（有分段的思想）等，通過問題引導學生進行思想方法的遷移，將研究運動時學到的微元思想遷移到當前的復雜問題解決方案中。

問題1：實際問題總是非常復雜，要找規(guī)律還是有難度的。整個過程顯得很復雜，有什么方法可以化復雜為簡單呢？

問題2：比賽是一個積小勝為大勝的過程。隊伍失利的小過程可以分成哪幾種典型情境？

通過交流、分析比賽的視頻，學生概括出三類導致（個體）隊伍暫時失利的典型情境：

（1）手握不住繩子，即手與繩子間打滑導致繩子被對方拉走。

（2）手不打滑，腳與地面之間打滑，即人和繩子一起被對手拉走。

（3）手、腳都不打滑，但身體向對方傾斜，即被拉倒。

通過微元思想將復雜的大過程分成若干個小過程，實現(xiàn)了復雜問題的簡單化，讓學生真正體驗到科學思維的強大力量。視頻里國家隊頑強拼搏的表現(xiàn)為學生樹立榜樣，激發(fā)榮譽感。使學生感悟學習、生活和比賽一樣不會一帆風順，成功只能靠一點一滴的積累，厚積薄發(fā)。

3? ? 體驗建模過程，提高建模能力

學生在解決實際問題時常常會機械地套用已有的模型，而不會根據(jù)問題的情境來建構模型。具體表現(xiàn)為：不會分析主要因素、次要因素，從而抓不住事物的本質(zhì)，無法抽象出反映事物本質(zhì)的關鍵特征;不能區(qū)分實際情境和物理情境。拔河比賽的問題情境在人教版高中物理必修第一冊第三章單元練習中。高一新生物理建模意識和能力有待提高。為此，在課堂中需要細化建構過程，讓學生分階段參與建模過程，具體模型建構思路如表1、2、3所示。

教師不能讓學生機械地記住幾個模型，而是要他們體驗建模過程，感悟建模思想：事物的發(fā)展總是受內(nèi)因和外因的影響，只有全面分析各種因素，抓住主要因素、忽略次要因素，才能幫我們找到本質(zhì)規(guī)律，并解決問題。在建模過程中，教師要引導學生在相互比較、評價、反思和質(zhì)疑中檢驗、修正模型，不斷提升建模能力。

4? ? 推理論證、分析綜合，揭示情境規(guī)律

問題1：實際比賽中雙方有多名隊員，每位隊員的情況有所差異，是否可以簡化研究對象的選取，達到復雜問題簡單化的目的？

教師引導：根據(jù)大家的分析，先將比賽簡化為隊員A、B之間單人賽的情境，并假設B隊員失利。討論中均近似認為最大靜摩擦力和滑動摩擦力相等;繩子始終處于水平。

任務1：根據(jù)力的作用點畫出A、B的受力情況，如圖2所示。

任務2：運用運動和相互作用觀，揭示典型情境中的物理規(guī)律。

4.1? ? 分析手與繩子間打滑的原因，尋找解決對策

情境1：B隊員的手握不住繩子，即手與繩子間打滑導致繩子被對方拉走。

問題2：此時B的腳與地面間不打滑的力學條件是什么？

問題3：B的手與繩子間打滑的力學條件是什么？

問題4：B不發(fā)生翻轉的力學條件是什么？

學生經(jīng)過分析、推理、綜合，揭示情境1中的物理規(guī)律。

腳不打滑的力學條件： fB2=fB1<fB2max（fB2max為腳和地面之間的最大靜摩擦力）。

手打滑的力學條件：手和繩子間不滑動所需要的靜摩擦力fB10大于它們之間的最大靜摩擦力fB1max，即fB1max<fB10。由于打滑，此時手和繩子之間由靜摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮Α?/p>

不發(fā)生翻轉的力學條件：以地面對B的作用力的等效作用點為支點，重力GB和摩擦力fB1滿足杠桿平衡（由于學生沒有學過力矩平衡的知識，所以用杠桿平衡進行分析）。

任務3：請大家為B提出實現(xiàn)逆轉的對策。

學生：增大fB1max，即增大握繩力的同時增大手和繩子間接觸面的粗糙程度?？梢再惽霸谑稚夏ㄒ恍┓阑?，但要增大握力則需要長期的力量訓練。

通過任務驅動和問題引導，學生利用杠桿平衡、力的平衡知識，通過分析、推理、綜合等科學思維找到情境1的力學條件，既鍛煉了思維也為后續(xù)探究提供啟發(fā)。

4.2? ? 分析腳與地面之間打滑的原因，尋找解決對策

情境2：隊員B的手不打滑，但腳與地面之間打滑，即隊員B和繩子一起被A拖走。

問題5：情境2中B要滿足的力學條件是什么？

任務4：請大家為B提出改變局面的對策。

學生：隊員B要滿足3個條件，條件1是手不打滑，即fB1<fB1max;條件2是腳和地面間打滑，即fB1>fB2=fB2max;條件3是不發(fā)生翻轉，即重力GB和摩擦力fB1滿足杠桿平衡。逆轉對策是增大fB2max，即增大腳與地面間接觸面的粗糙程度或者地面對人的支持力。

4.3? &nbsp; 分析身體被往前拉倒的原因，尋找解決對策

情境3：隊員B手、腳都不打滑，但整個身體向對方傾斜，即B被往前拉倒。

探究活動：如圖3所示，利用學校健身房的器材組織學生體驗（在課前進行）。

器材說明：器材中的繩子相當于拔河比賽中的長繩，繩子的拉力大小可以通過拉起砝碼的重力衡量。人體和水平方向的傾角θ可以通過靠背后面的插銷進行調(diào)節(jié)。

探究任務5：探究手對水平繩子的拉力的力臂一定時，拉力與傾角θ和人體重心高度之間的定性關系。

學生：

對于多變量問題，利用控制變量的思想設計如下探究步驟：

（1）同一位同學身體緊繃狀態(tài)下（重力、重心位置確定），傾角不同時，體驗手通過繩子將砝碼拉起的過程（可以借助水平凳子保護同學安全）。分析傾角與手對繩子拉力的定性關系。

（2）體重相近、身材不同的同學（重力相同，重心不同），傾角相同時（可以用有靠背的凳子保證傾角相同），通過比較拉起砝碼的質(zhì)量，分析拉力與身高的關系。

由于繩子很難保持完全水平，同時人體的重心也很難確定，所以只能做一些定性探究。學生們能體驗到：傾角越小，越容易將砝碼拉起，即人對繩子的拉力越大。學生們還發(fā)現(xiàn)傾角越小時，腿部會承受更大的力而不自覺地發(fā)生彎曲，同時腳底更容易打滑。由于每個人肌肉力量不同，能承受的壓力也不同，特別是傾角越小時探究步驟（2）越困難。在保證身體緊繃的情況下，能定性確定身材高的同學有優(yōu)勢。學生們還發(fā)現(xiàn)，親身體驗實驗探究過程能極大地激發(fā)他們的興趣，對學生掌握技術動作有更大幫助。

任務6：通過體驗活動中的視頻回顧，請大家分析情境3要滿足的力學條件。

學生：滿足3個條件，條件1是手不打滑，即fB1<fB1max，條件2是B的腳和地面間不滑動，即fB1=fB2<fB2max;條件3是B向對手方向翻轉。以地面對B的作用力的等效作用點為支點，重力GB和力臂的乘積小于摩擦力fB1和力臂的乘積，如圖2所示。

任務7：將B隊員視為有質(zhì)量的細桿，重力為GB，如圖4所示。設繩子對手的作用點到O點的距離為LB1，重心到O點的距離為LB，人體（細桿）和地面的夾角為θ。請利用杠桿原理推導人體平衡時，繩子對手的摩擦力大?。ǖ扔诶K子拉力大小）和上述物理量之間的大小關系。

任務8：通過推理，請大家為B提出實現(xiàn)逆轉的對策。

學生：利用杠桿平衡，GBLBcosθ=fB1LB1sinθ。即fB1=cotθ。GB、LB不變時，可以通過減小LB1、θ實現(xiàn)逆轉。

通過實踐體驗，學生對相關量有了定性的理解，再引導學生定量分析提升認知。學生發(fā)現(xiàn)減小LB1、θ時，GB和fB1的合力增大，地面對腳的支持力和摩擦力的合力也增大，人體特別是腿部要承受更大的力。這很好地解釋了學生體驗過程中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，即當θ減小時容易出現(xiàn)腳打滑和“腿軟”的現(xiàn)象。學生發(fā)現(xiàn)增大GB、LB也有利于在拔河比賽中取勝，視頻中運動員身材普遍較高的現(xiàn)象驗證了這一推理，這一發(fā)現(xiàn)可以作為選擇拔河運動員的重要身體參數(shù)標準。學生通過探究發(fā)現(xiàn)物理和體育、生活緊密相關，學以致用，跨學科的融會貫通讓學生體會學習的意義。

5? ? 評價、質(zhì)疑、創(chuàng)新，探尋取勝之道

學生在拔河比賽的探究過程中會產(chǎn)生更多的疑問。教師可以利用這些質(zhì)疑動態(tài)生成并增設任務，從而使探究活動不斷深入。

5.1? ? 從簡化情境回歸實際情境

質(zhì)疑（學生）：實際比賽是多名運動員，此時的要求與單人比賽時一樣嗎？

學生：可以用力的合成知識解釋。實際比賽中往往是多人組隊，要使團隊通過繩子給對手有盡量大的拉力，除了單人比賽一樣的要求之外，還應該要繩子保持在一條直線上，使隊伍的合力最大，所以隊伍中往往有一個錨人;選手的步調(diào)要一致，同時發(fā)力，所以比賽中一定要有人喊口號。

5.2? ? 辯證分析，合理利用技術

質(zhì)疑（學生）：視頻中運動員為什么要不斷調(diào)節(jié)身體與地面的傾角，根據(jù)前面的分析，采用“躺平”策略不是最好的選擇嗎？

學生1：如果身體傾角變小，給對手的力變大。然而如果真“躺平”了，就變成衣服和地面接觸，此時接觸面的最大靜摩擦力會變小。

學生2：傾角減小時，運動員身體承受的力大大增加，后退時容易倒地，不利于將繩子拉向己方。

學生3：“躺平”會導致繩子對自己的拉力斜向上，給對手的拉力斜向下，增大了對手和地面的最大靜摩擦力，而自己和地面的最大靜摩擦力卻減小。

學生4：初中一直認為拔河比賽輸贏只與“最大靜摩擦力”有關，上完這節(jié)課才知道還有這么多“門道”。

實際上，最大靜摩擦力往往大于滑動摩擦力，學生通過討論發(fā)現(xiàn)比賽中要盡量避免因技術失誤進入滑動模式。回看視頻后，學生發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的運動員在比賽中會根據(jù)對手情況不斷調(diào)整傾角，避免腳打滑。

5.3? ? 總結失利原因和對策，從失利走向成功

任務1：歸納隊伍贏得拔河比賽的要求。

學生：（1）隊員增大握繩力的同時要增加手和繩子間接觸面的粗糙程度，從而增大手和繩子之間的最大靜摩擦力;（2）盡可能選用身材高、體重大、肌肉力量好的隊員，同時增大腳和地面間接觸面的粗糙程度，從而增大腳和地面之間的最大靜摩擦力;（3）隊員要降低握繩點、減小人體與地面夾角（盡量后傾），使繩子給對手的拉力增大;（4）隊員要步調(diào)一致，作用在一條直線上，使隊伍的合力最大;（5）要根據(jù)賽場情況隨機應變。

5.4? ? 評價比賽姿勢，選擇最優(yōu)方案

任務2：請結合班級比賽實踐，評價拔河中側向式和后仰式的姿勢特點，并分析取勝之道。

學生1：側向式簡單易學、不易滑倒，但重心偏高，不能充分利用重力作用，手臂彎曲不易發(fā)力。由于隊員對繩子的拉力不能完全沿繩子，拉力垂直于繩子的分力相互抵消。后仰式可以充分利用重力作用，但容易滑倒，后退時容易坐地上。

學生2：這都是體育課上講的背弓（超越器械）動作（學生自覺將體育課堂和物理課堂聯(lián)系在一起），后仰式可以雙手伸直不主動發(fā)力，主要靠雙腿、腰部一齊發(fā)力，讓對方感受“胳膊擰不過大腿”，所以后仰式更好。

學生3：班級比賽中先采用容易發(fā)力的后仰式與對手僵持消耗對手體能，再依情勢在口號聲中一齊發(fā)力，采用側向式進行反攻即可取勝。

學生在學習過程中提出很多有依據(jù)的質(zhì)疑，教師充分利用這些質(zhì)疑，引導學生相互交流、合作學習，比教師講解能更好地提高學生核心素養(yǎng)。學生在學校拔河比賽中，自主討論、設計人員站位，設計比賽戰(zhàn)術安排。根據(jù)班級實際，創(chuàng)造性地將兩種姿勢相結合，最后取得年級前3的好成績。這是他們在體育比賽中唯一獲得的團體前3的成績，更讓他們倍感學習物理的力量，是利用高階思維、深度學習的典型案例。

6? ? 結? ? 語

運動員比賽過程中有許多復雜、多變、不可預測的情境，它使體育比賽結果難以預測，顯然不能用一個模型全部概括。但是，建?？梢匝芯堪魏颖荣愔兄饕摹⒌湫偷那榫?，揭示其本質(zhì)規(guī)律，這正是物理建模的意義所在。因此，結合學情，開發(fā)新教材資源，合理創(chuàng)設實際情境，使學生相互質(zhì)疑、釋疑，通過合作交流學到知識，可以作為提升高中生科學思維素養(yǎng)的一個重要途徑。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2021：77.

（欄目編輯? ? 賈偉堯）