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(jié)合學(xué)生生活創(chuàng)設(shè)物理情境、構(gòu)建物理模型，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)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(dǎo)學(xué)生參與物理建模過程，并運(yùn)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(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：拔河;建模;科學(xué)思維

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2022）3-0064-6

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出：“‘科學(xué)思維’是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)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(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)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(shè)與學(xué)習(xí)主題相關(guān)的情境，激發(fā)學(xué)生探究欲望，促成學(xué)生充分參與、體驗(yàn)科學(xué)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(dǎo)學(xué)生分析問題、解決問題是提升學(xué)生科學(xué)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(shè)開發(fā)課程素材來提升高中生科學(xué)思維素養(yǎng)。

1? ? 發(fā)掘教材資源，設(shè)置問題情境

國(guó)際拔河比賽規(guī)定，每個(gè)隊(duì)由8名運(yùn)動(dòng)員組成，按8名運(yùn)動(dòng)員體重的總和，分成若干重量級(jí)別，同等級(jí)別的兩個(gè)隊(duì)進(jìn)行比賽。還規(guī)定，運(yùn)動(dòng)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(jìng)賽為什么要做出上述規(guī)定？試從物理學(xué)的角度進(jìn)行說明。

（2）專業(yè)的拔河運(yùn)動(dòng)員在拔河時(shí)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(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，向?qū)W生展示拔河比賽情境圖，如圖1所示。并增設(shè)問題：

（1）結(jié)合各種拔河比賽分析兩隊(duì)比賽中某隊(duì)失利時(shí)有哪幾種典型情境及滿足的力學(xué)條件。

學(xué)習(xí)任務(wù)：請(qǐng)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(jiǎn)

情境再現(xiàn)：為了使學(xué)生對(duì)問題情境有更具體、形象的認(rèn)識(shí)，組織觀看不同年級(jí)學(xué)生的比賽、本班學(xué)生課前體驗(yàn)賽、中國(guó)男、女專業(yè)選手的比賽等視頻。

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

隊(duì)伍有時(shí)會(huì)被拉倒，有時(shí)會(huì)滑倒、滑動(dòng)，有時(shí)會(huì)前后徘徊，有時(shí)會(huì)蛇形運(yùn)動(dòng)，個(gè)體有時(shí)會(huì)抓不住繩子而松手，等等。比賽往往都是勢(shì)均力敵的膠著狀態(tài)，取勝過程也往往是跌宕起伏。學(xué)生觀看視頻激發(fā)了探究的興趣，但拔河過程非常復(fù)雜、多樣，學(xué)生感到茫然，不知從何入手。教師要抓住學(xué)生描述中的一些關(guān)鍵詞，如“有時(shí)……有時(shí)……”（有分段的思想）等，通過問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思想方法的遷移，將研究運(yùn)動(dòng)時(shí)學(xué)到的微元思想遷移到當(dāng)前的復(fù)雜問題解決方案中。

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

問題2：比賽是一個(gè)積小勝為大勝的過程。隊(duì)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(xué)生概括出三類導(dǎo)致（個(gè)體）隊(duì)伍暫時(shí)失利的典型情境：

（1）手握不住繩子，即手與繩子間打滑導(dǎo)致繩子被對(duì)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(duì)手拉走。

（3）手、腳都不打滑，但身體向?qū)Ψ絻A斜，即被拉倒。

通過微元思想將復(fù)雜的大過程分成若干個(gè)小過程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜問題的簡(jiǎn)單化，讓學(xué)生真正體驗(yàn)到科學(xué)思維的強(qiáng)大力量。視頻里國(guó)家隊(duì)頑強(qiáng)拼搏的表現(xiàn)為學(xué)生樹立榜樣，激發(fā)榮譽(yù)感。使學(xué)生感悟?qū)W習(xí)、生活和比賽一樣不會(huì)一帆風(fēng)順，成功只能靠一點(diǎn)一滴的積累，厚積薄發(fā)。

3? ? 體驗(yàn)建模過程，提高建模能力

學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)常常會(huì)機(jī)械地套用已有的模型，而不會(huì)根據(jù)問題的情境來建構(gòu)模型。具體表現(xiàn)為：不會(huì)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(guān)鍵特征;不能區(qū)分實(shí)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(cè)第三章單元練習(xí)中。高一新生物理建模意識(shí)和能力有待提高。為此，在課堂中需要細(xì)化建構(gòu)過程，讓學(xué)生分階段參與建模過程，具體模型建構(gòu)思路如表1、2、3所示。

教師不能讓學(xué)生機(jī)械地記住幾個(gè)模型，而是要他們體驗(yàn)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(dǎo)學(xué)生在相互比較、評(píng)價(jià)、反思和質(zhì)疑中檢驗(yàn)、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(shí)際比賽中雙方有多名隊(duì)員，每位隊(duì)員的情況有所差異，是否可以簡(jiǎn)化研究對(duì)象的選取，達(dá)到復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的目的？

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

任務(wù)1：根據(jù)力的作用點(diǎn)畫出A、B的受力情況，如圖2所示。

任務(wù)2：運(yùn)用運(yùn)動(dòng)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(duì)策

情境1：B隊(duì)員的手握不住繩子，即手與繩子間打滑導(dǎo)致繩子被對(duì)方拉走。

問題2：此時(shí)B的腳與地面間不打滑的力學(xué)條件是什么？

問題3：B的手與繩子間打滑的力學(xué)條件是什么？

問題4：B不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的力學(xué)條件是什么？

學(xué)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(xué)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(xué)條件：手和繩子間不滑動(dòng)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(shí)手和繩子之間由靜摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力。

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

任務(wù)3：請(qǐng)大家為B提出實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的對(duì)策。

學(xué)生：增大fB1max，即增大握繩力的同時(shí)增大手和繩子間接觸面的粗糙程度。可以賽前在手上抹一些防滑粉，但要增大握力則需要長(zhǎng)期的力量訓(xùn)練。

通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問題引導(dǎo)，學(xué)生利用杠桿平衡、力的平衡知識(shí)，通過分析、推理、綜合等科學(xué)思維找到情境1的力學(xué)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(duì)策

情境2：隊(duì)員B的手不打滑，但腳與地面之間打滑，即隊(duì)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(xué)條件是什么？

任務(wù)4：請(qǐng)大家為B提出改變局面的對(duì)策。

學(xué)生：隊(duì)員B要滿足3個(gè)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(zhuǎn)，即重力GB和摩擦力fB1滿足杠桿平衡。逆轉(zhuǎn)對(duì)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(duì)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(duì)策

情境3：隊(duì)員B手、腳都不打滑，但整個(gè)身體向?qū)Ψ絻A斜，即B被往前拉倒。

探究活動(dòng)：如圖3所示，利用學(xué)校健身房的器材組織學(xué)生體驗(yàn)（在課前進(jìn)行）。

器材說明：器材中的繩子相當(dāng)于拔河比賽中的長(zhǎng)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

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

學(xué)生：

對(duì)于多變量問題，利用控制變量的思想設(shè)計(jì)如下探究步驟：

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

（2）體重相近、身材不同的同學(xué)（重力相同，重心不同），傾角相同時(shí)（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(guān)系。

由于繩子很難保持完全水平，同時(shí)人體的重心也很難確定，所以只能做一些定性探究。學(xué)生們能體驗(yàn)到：傾角越小，越容易將砝碼拉起，即人對(duì)繩子的拉力越大。學(xué)生們還發(fā)現(xiàn)傾角越小時(shí)，腿部會(huì)承受更大的力而不自覺地發(fā)生彎曲，同時(shí)腳底更容易打滑。由于每個(gè)人肌肉力量不同，能承受的壓力也不同，特別是傾角越小時(shí)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(xué)有優(yōu)勢(shì)。學(xué)生們還發(fā)現(xiàn)，親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過程能極大地激發(fā)他們的興趣，對(duì)學(xué)生掌握技術(shù)動(dòng)作有更大幫助。

任務(wù)6：通過體驗(yàn)活動(dòng)中的視頻回顧，請(qǐng)大家分析情境3要滿足的力學(xué)條件。

學(xué)生：滿足3個(gè)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(dòng)，即fB1=fB2<fB2max;條件3是B向?qū)κ址较蚍D(zhuǎn)。以地面對(duì)B的作用力的等效作用點(diǎn)為支點(diǎn)，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(wù)7：將B隊(duì)員視為有質(zhì)量的細(xì)桿，重力為GB，如圖4所示。設(shè)繩子對(duì)手的作用點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為L(zhǎng)B1，重心到O點(diǎn)的距離為L(zhǎng)B，人體（細(xì)桿）和地面的夾角為θ。請(qǐng)利用杠桿原理推導(dǎo)人體平衡時(shí)，繩子對(duì)手的摩擦力大?。ǖ扔诶K子拉力大?。┖蜕鲜鑫锢砹恐g的大小關(guān)系。

任務(wù)8：通過推理，請(qǐng)大家為B提出實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的對(duì)策。

學(xué)生：利用杠桿平衡，GBLBcosθ=fB1LB1sinθ。即fB1=cotθ。GB、LB不變時(shí)，可以通過減小LB1、θ實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

通過實(shí)踐體驗(yàn)，學(xué)生對(duì)相關(guān)量有了定性的理解，再引導(dǎo)學(xué)生定量分析提升認(rèn)知。學(xué)生發(fā)現(xiàn)減小LB1、θ時(shí)，GB和fB1的合力增大，地面對(duì)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(xué)生體驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，即當(dāng)θ減小時(shí)容易出現(xiàn)腳打滑和“腿軟”的現(xiàn)象。學(xué)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(yùn)動(dòng)員身材普遍較高的現(xiàn)象驗(yàn)證了這一推理，這一發(fā)現(xiàn)可以作為選擇拔河運(yùn)動(dòng)員的重要身體參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生通過探究發(fā)現(xiàn)物理和體育、生活緊密相關(guān)，學(xué)以致用，跨學(xué)科的融會(huì)貫通讓學(xué)生體會(huì)學(xué)習(xí)的意義。

5? ? 評(píng)價(jià)、質(zhì)疑、創(chuàng)新，探尋取勝之道

學(xué)生在拔河比賽的探究過程中會(huì)產(chǎn)生更多的疑問。教師可以利用這些質(zhì)疑動(dòng)態(tài)生成并增設(shè)任務(wù)，從而使探究活動(dòng)不斷深入。

5.1? ? 從簡(jiǎn)化情境回歸實(shí)際情境

質(zhì)疑（學(xué)生）：實(shí)際比賽是多名運(yùn)動(dòng)員，此時(shí)的要求與單人比賽時(shí)一樣嗎？

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

5.2? ? 辯證分析，合理利用技術(shù)

質(zhì)疑（學(xué)生）：視頻中運(yùn)動(dòng)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(xué)生1：如果身體傾角變小，給對(duì)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(shí)接觸面的最大靜摩擦力會(huì)變小。

學(xué)生2：傾角減小時(shí)，運(yùn)動(dòng)員身體承受的力大大增加，后退時(shí)容易倒地，不利于將繩子拉向己方。

學(xué)生3：“躺平”會(huì)導(dǎo)致繩子對(duì)自己的拉力斜向上，給對(duì)手的拉力斜向下，增大了對(duì)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(xué)生4：初中一直認(rèn)為拔河比賽輸贏只與“最大靜摩擦力”有關(guān)，上完這節(jié)課才知道還有這么多“門道”。

實(shí)際上，最大靜摩擦力往往大于滑動(dòng)摩擦力，學(xué)生通過討論發(fā)現(xiàn)比賽中要盡量避免因技術(shù)失誤進(jìn)入滑動(dòng)模式?；乜匆曨l后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員在比賽中會(huì)根據(jù)對(duì)手情況不斷調(diào)整傾角，避免腳打滑。

5.3? ? 總結(jié)失利原因和對(duì)策，從失利走向成功

任務(wù)1：歸納隊(duì)伍贏得拔河比賽的要求。

學(xué)生：（1）隊(duì)員增大握繩力的同時(shí)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(duì)員，同時(shí)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(duì)員要降低握繩點(diǎn)、減小人體與地面夾角（盡量后傾），使繩子給對(duì)手的拉力增大;（4）隊(duì)員要步調(diào)一致，作用在一條直線上，使隊(duì)伍的合力最大;（5）要根據(jù)賽場(chǎng)情況隨機(jī)應(yīng)變。

5.4? ? 評(píng)價(jià)比賽姿勢(shì)，選擇最優(yōu)方案

任務(wù)2：請(qǐng)結(jié)合班級(jí)比賽實(shí)踐，評(píng)價(jià)拔河中側(cè)向式和后仰式的姿勢(shì)特點(diǎn)，并分析取勝之道。

學(xué)生1：側(cè)向式簡(jiǎn)單易學(xué)、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(duì)員對(duì)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(shí)容易坐地上。

學(xué)生2：這都是體育課上講的背弓（超越器械）動(dòng)作（學(xué)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(dòng)發(fā)力，主要靠雙腿、腰部一齊發(fā)力，讓對(duì)方感受“胳膊擰不過大腿”，所以后仰式更好。

學(xué)生3：班級(jí)比賽中先采用容易發(fā)力的后仰式與對(duì)手僵持消耗對(duì)手體能，再依情勢(shì)在口號(hào)聲中一齊發(fā)力，采用側(cè)向式進(jìn)行反攻即可取勝。

學(xué)生在學(xué)習(xí)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(dǎo)學(xué)生相互交流、合作學(xué)習(xí)，比教師講解能更好地提高學(xué)生核心素養(yǎng)。學(xué)生在學(xué)校拔河比賽中，自主討論、設(shè)計(jì)人員站位，設(shè)計(jì)比賽戰(zhàn)術(shù)安排。根據(jù)班級(jí)實(shí)際，創(chuàng)造性地將兩種姿勢(shì)相結(jié)合，最后取得年級(jí)前3的好成績(jī)。這是他們?cè)隗w育比賽中唯一獲得的團(tuán)體前3的成績(jī)，更讓他們倍感學(xué)習(xí)物理的力量，是利用高階思維、深度學(xué)習(xí)的典型案例。

6? ? 結(jié)? ? 語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)員比賽過程中有許多復(fù)雜、多變、不可預(yù)測(cè)的情境，它使體育比賽結(jié)果難以預(yù)測(cè)，顯然不能用一個(gè)模型全部概括。但是，建模可以研究拔河比賽中主要的、典型的情境，揭示其本質(zhì)規(guī)律，這正是物理建模的意義所在。因此，結(jié)合學(xué)情，開發(fā)新教材資源，合理創(chuàng)設(shè)實(shí)際情境，使學(xué)生相互質(zhì)疑、釋疑，通過合作交流學(xué)到知識(shí)，可以作為提升高中生科學(xué)思維素養(yǎng)的一個(gè)重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（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(cè)[M].北京：人民教育出版社，2021：77.

（欄目編輯? ? 賈偉堯）