利用生活实例开发物理课程资源——以《位置变化快慢的描述——速度》为例

李显林

玉溪市第一中学，云南 玉溪 653100

张茂昌老师指出，教师走出物理教学难的误区有“三要诀”：手中有“物”，胸中有“理”和目中有“人”[1]。 源于生活的“物”，更易激发学生的学习兴趣，让学生见“物”思“理”，帮助学生理解物理概念的建立过程，掌握科学探究的方法，提升学生的核心素养和科学探究能力。

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：学生实验是其他任何方式都无法替代的物理学习方式，要根据课程标准，最大限度地安排学生实验[2]。人教版高中物理必修第一册第一章第3节《位置变化快慢的描述——速度》是一节概念课，主要内容是讲解速度、平均速度和瞬时速度三个物理概念。笔者利用生活实例把这节概念课改成了实验课，以下是这节课的课堂设计。

1 课程资源的准备

生活中，百米短跑视频通常采取近距离跟拍的方式展现运动员比赛中力量和速度的美。为了能更准确地描述运动的快慢，笔者和同事合作，用大疆牌“御”Mavic 2型无人机（图1）从高空拍摄了学生百米短跑的视频。为了获取运动员的位置和时间信息，我们在视频中加上了坐标和秒表计时器，如图2所示。学生上课时分组进行探究，每个小组使用一台电脑。

图1 拍摄视频使用的大疆牌“御”Mavic 2型无人机

图2 加上坐标和秒表计时器的视频截图

2 教学过程

（1）创设情境，提出问题

教师首先播放博尔特打破百米世界纪录的视频（视频截图如图3），然后提出问题：如何描述物体运动的快慢？

图3 2009年8月16日博尔特冲刺瞬间

（2）合作交流，明确问题

通过引导学生交流讨论，让学生意识到：总位移和总时间的比值是平均速度，只能粗略描述物体运动的快慢。请同学们设计方案，更精确地实时描述运动员的运动情况。

（3）提出方案，解决问题

教师引导学生用“化整为零”的思想设计实验方案。

方案一：将100 m等分成10份，分别测量运动员跑完每个10 m所需要的时间。

方案二：测量每一秒时间间隔内运动员的位移。

根据方案一，学生先读取视频中某位运动员的运动数据，算出10个平均速度，如表1所示。分析数据发现，可以把100 m短跑分成三个阶段：起跑后的加速阶段（速度快速增加）、途中匀速跑阶段（维持最大速度运动）和冲刺阶段（竭尽全力，速度会略有降低）。

表1 第六跑道运动员的运动数据

如果用全程的平均速度表示运动员经过90 m处的速度，误差会很大；而用90 m到100 m的平均速度来近似表示90 m处的速度，误差就会减小很多。选取的时间间隔Δt越小，用这段时间间隔内的平均速度表示90 m处的速度就越精确。如果时间间隔Δt非常短，可以近似认为Δx/Δt表示的就是物体在这个时刻经过90 m处的速度，这个速度叫作瞬时速度。

接下来，请同学们阅读教材以下内容：用由时刻t到t＋Δt一小段时间内的平均速度来代替时刻t物体的速度，如果Δt取得小一些，物体在Δt这样一个较小的时间内，运动快慢的差异就不会太大。当Δt非常非常小时，运动快慢的差异可以忽略不计，此时，我们就把Δx/Δt叫作物体在时刻 t的瞬时速度[3]。然后，教师介绍并演示利用遮光片和光电门测量物体的瞬时速度。

教材用语科学、准确、精练，但有时对学生而言却难以理解。通过让学生自己分析处理测试数据，让学生观看光电门测速度的演示实验，有助于加深学生对瞬时速度概念的理解。

（4）整合知识，学以致用

根据方案二，通过分析视频数据，可以算出运动员每一秒的平均速度，用这个平均速度可以近似表示中间时刻的瞬时速度。让学生在坐标纸上画出v-t图（图4），了解速度随时间的变化情况。

图4 学生根据读取的实验数据绘制的v-t图

（5）合理简化，建立模型

抓住主要因素，忽略次要因素，将100 m短跑简化为加速跑和途中跑两个阶段。如图5所示，运动员甲在加速阶段加速度大，最大速度小；运动员乙在加速阶段加速度小，最大速度大。在两者速度相等以前，运动员甲领先，但是甲的耐力不好，最终被运动员乙反超。后续课程中教师还可以利用这个图像让学生学习加速度的概念，推导位移公式，研究追击和相遇问题等。

图5 简化后的100 m短跑运动员的v-t图像

（6）误差分析

实验误差的主要原因如下：

①如图6所示，当把运动员看成质点读取位置数据时，通常取运动员头部这个点的位置。但是由于拍摄角度的问题，有时运动员的头部已过线，但身体还未过线，此时会产生测量误差。

图6 将视频中的运动员近似看作质点

②计时的秒表是数字式的，最小间隔是0.1 s，存在计时误差。

③描绘v-t图时，描点不准，画线不准造成的误差。

3 教后感

笔者把这节概念课改为实验课后，突出了学生的主体地位，取得了较好的教学效果，具体表现在以下几个方面：

（1）开发生活实例，突破教学难点

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：物理教学要积极利用已有的数字媒体，主动开发适合教学、提高教学质量的信息产品；拓宽物理学习的途径；促进物理教学方式改革[2]。

俯视角度拍摄的视频让学生从一个全新的角度来欣赏100 m短跑比赛，让他们体会到“质点”这个理想模型的实际应用；不仅可以帮助学生理解时间和时刻、位移与位置、平均速度与瞬时速度等物理概念的区别和联系，还为学生提供了丰富、便利的科学探究机会，让学生在整堂课中都保持着极高的兴趣和参与度。这个教学过程实现了从生活场景到物理情境的过渡，生活语言到物理科学表述的转变，大大丰富了学生学习物理的体验。

（2）促进学生核心素养的发展

通过对短跑视频的研究，让学生认识到在100 m短跑中，运动员经历了加速、匀速和冲刺等运动阶段，让学生形成正确的运动观。通过这个研究过程，培养了学生的科学思维，学生在化整为零、近似表示、极限和数形结合等方面的思维能力都得到了提高。

在科学探究过程中，学生从确定研究对象开始，依次经历了将研究对象抽象为质点、建立坐标轴、读数、数据处理、画图和分析实验结果等一系列研究过程，培养了学生设计实验方案的能力、小组合作的能力、数据处理的能力和分析误差的能力。

在科学态度和责任方面，培养了学生仔细认真研究、科学规范记录数据的科学习惯；让学生尊重实验数据，树立实事求是的科学态度。本文的研究方法还可以应用于体育老师选拔和训练运动员的过程，让学生体会到科学研究可以为社会服务的应用意义。

（3）这种教学方法值得推广

教师可以利用录像设备录制自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动和圆周运动等运动视频，加上坐标刻度和计时器后，形成课程视频资源，帮助学生更直观地掌握物理知识，提升核心素养能力，改变物理难教难学的局面。