探索学科融合径 助推教学新突破——由2020年北京普通高中学业水平等级性考试第14题所悟

应发宝

(北京市中关村中学，北京 100086)

图1

真题.在无风的环境,某人在高处释放静止的篮球,篮球竖直下落;如果先让篮球以一定的角速度绕过球心的水平轴转动(如图1)再释放,则篮球在向下掉落的过程中偏离竖直方向做曲线运动．其原因是,转动的篮球在运动过程中除受重力外,还受到空气施加的阻力f1和偏转力f2．这两个力与篮球速度v的关系大致为:f1=k1v2,方向与篮球运动方向相反;f2=k2v,方向与篮球运动方向垂直．下列说法正确的是

(A)k1、k2是与篮球转动角速度无关的常量.

(B) 篮球可回到原高度且角速度与释放时的角速度相同.

(C) 人站得足够高,落地前篮球有可能向上运动.

(D) 释放条件合适,篮球有可能在空中持续一段水平直线运动.

学校传授的知识总是被分成独立的学科学习,不是被统一的,而在实际生活中遭遇的问题总是呈现为超学科、总是需要学科融合才能解决,但令人尴尬的是我们的教育并未授予学科融合的本领．下面就以新课程背景下2020年北京普通高中学业水平等级性考试第14题为契点,管窥一下物理与体育学科的理性融合途径．

1 新编教材中物理与体育学科融合点的统计(见表1)

物理学范畴的体育运动主要由田径、体操、游泳和球类构成,其中田径中的田赛项目(田径运动中跳类运动包括跳高、跳远、跳绳、跳水、跳伞、撑竿跳高、三级跳远等运动以及铅球、铁饼等投掷运动),最终特征是高度和远度,而径赛项目(短跑、长跑和竞走)的最终特征则为速度．游泳可理解为水中径赛,最终特征仍是速度．体操虽无法用单一速度、高度和远度来标识,但各种技术动作和环节主要由“旋转”构成．球类则是综合活动,既有田径中的一切运动形式和运动态,也有体操中的旋转环节,其特征是以命中目标的多少来决定胜负．虽然体育运动项目繁多,但若从物理受力角度分析,却有可能是大同小异．下面就以球类运动和跳伞运动为例．

表1

续表

续表

【融合栏目】 必修1第一章第1节“质点 参考系”中“思考与讨论”(如图2)

图2

大部分球类运动(足球、台球、篮球、排球、网球及乒乓球等)都能产生香蕉球,原因是“美丽的弧线”受力情况都一样——马格努斯力和压差阻力,产生要领都相同——旋转．

图3

图4

【融合栏目】 必修1第一章第4节正文“从v-t图像看加速度”及章末“复习与提高”A组题2;必修1第二章章末“复习与提高”A组题5——跳伞运动(图4)．

图5

若跳伞者以半蹲式姿势着陆,最大加速度约为20 g,缓冲时间内的平均加速度(着陆速度除以缓冲时间)约为20-30 m/s2;若降落在草地、沙滩等松软的地方,缓冲时间会更长,平均加速度更小,着陆时间内的平均加速度约为3.5-7.5 m/s2;在跳伞表演或滑翔伞定点跳伞时大多采用雀降方式,加速度会接近于零．第2章“复习与提高”A组题5中“低空跳伞表演”着陆加速度就给了12 m/s2,而新教材在必修1第一章第4节“速度变化快慢的描述——加速度”从v-t图像看加速度却给出25 m/s2这样一个准确的数值(见表2),是不可取的．

表2 一些运动物体的加速度(近似值)

物理学范畴的体育运动态充满了各色物理学概念与数量的关系,如训练过程中所用的运动量、强度、密度、负荷等和运动员技术练习中出现的频率、速率、节奏、幅度、力量、弹性等．从物理发展的角度看,可以通过调节这些物理指标(如增加力量、改进技术),使运动员跑的更快,投的更远,举的更多,旋转的难度更大…,进而使人体在运动中处于激化状态,实现对生命的展现．

2 物理与体育学科融合的有效途径

2.1 创设教与学的课堂情境,进行物理知识与体育项目的渗透融合

为了丰富教学素材,可以从器械装备、训练技巧、竞技现象等角度创设教学情境．

对于以速度为特征的径赛项目一般用于直线运动教学情境创设;以高度和远度为特征的田赛项目一般用于抛体运动教学情境创设;以旋转为特征的艺术体操类则一般用于圆周运动教学情境的创设;而对于具有综合特性的球类运动,在表1统计中各章节出现率占11/25≈44%,可用于运动的描述、牛顿运动定律、曲线运动、平抛运动、机械能守恒、动量守恒定律(碰撞)等教学情境的创设,其是用于教学情境创设较宽的体育素材之一．对于其它体育运动项目,如结合飞镖讲述平抛运动、结合引体向上讲述力的合成与分解、结合拔河讲述摩擦力的应用;利用射箭、蹦床、撑竿跳高(撑竿断裂)创设“弹性形变、弹性势能”的教学情境等,都能为对应的物理知识应用创设高效的教学情境．

对于体育器械装备,也可以创设实验或活动的情境．

如图6(a),利用一种运动员体能训练器械——格斗绳来模似演示“波的干涉”中两列波相遇时互不干扰、穿越而过的现象．利用操场上的海绵垫子、健身器材上包裹的海绵、拳击手的拳套等各类体育器械和立定跳远时弯曲下肢、咏春中的 “寸拳”发力等体育运动为素材讲述动量定理,即可体验对比屈膝和直膝着地感觉,又可促成对规律更加深刻的认识．又如图6(b)所示,可以用蓝球与乒乓球构成母子球创设探究超弹性碰撞的活动情境．一个乒乓球从高为h处自由落下,受水平地面的碰撞后沿原路返回上升h;若将此乒乓球与一个蓝球如图摆放,整体仍从高为h处自由下落,则乒乓球沿原路弹回上升的高度H与h的数量有什么关系(乒乓球质量远小于蓝球质量)?超弹性碰撞实验是一个融合体育器械而创设的，即能够开阔学生思路，又能促进学生对物理原理深入理解的演示实验．

图6

2.2 利用体育运动背景原始问题,促使动作思维向物理思维的转换融合

图7

【融合栏目】 问题:如图7，在排球比赛中,你是否曾为排球下网或者出界而感到惋惜?

(1) 如果运动员沿水平方向击球,在不计空气阻力的情况下,要使排球既能过网,又不出界,需要考虑哪些因素?如何估算球落地时的速度大小?

(2) 扣球时运动员的瞬时功率约为多少?

(3) 排球在双方运动员的作用下在两个场地来回运动,其中蕴含着哪些物理原理?

想要对上述问题做出精确求解,就要建立物理模型、赋值计算．如平击发球时球在空中的运动轨迹可视为抛物线,排球所做的运动是平抛运动,可以建立平抛运动模型来研究球在什么情况下刚好过网或不出界;求瞬时功率需要知道球的瞬时速度,涉及扣球运动员施加给球的作用力的大小,也可从动量定理的角度,得出球的初速度进而求出瞬时功率;运动员在击打排球中涉及力的作用效果、动量、冲量、动能等物理知识……，这样根据相应的物理模型结合具体的赋值,就可以将这些原始物理问题转化为具体的物理问题进行求解,从而促使学生由动作思维向物理思维的转换融合．

2.3 通过课后学科融合活动,进行体育知识和物理学科的创新融合

课外学科融合活动的类型包括:双向选修、课题探究、趣味活动等．

2.3.1 通过开设“双向”选修,进行体育和物理学科的融合

在传统体育课堂中,融入物理知识可以增加学生对运动技巧的理解;在物理教学中,融入体育实践可以增加学生对物理规律的认识,达到学以致用的目的．开设“双向”选修课是互融的最佳途径,既能让学生强身健体,理解该课程中蕴含的丰富物理知识,又能培养学生科学的思维方法、科学的精神以及能够全面提升学生的人文情怀．

2.3.2 通过课外课题探究,进行体育和物理学科的融合

图8

在每一届现代奥运会上,无论是场馆建设、竞技比赛还是电视直播,都会涉及大量的科技应用,以此作为探究活动的课题,具有高大上的效果．当然,也可以从身边微小事物选题,例如图8,哪只是短跑运动员的跑鞋?与长跑运动员的跑鞋有什么不同?为什么?针对这一问题可以通过课外课题探究,先进行物理思辩,然后再亲身实践对比检验,才能达到对“摩擦力”概念的深入理解与把握．知识的理论获得和实际运用之间,有一条鸿沟,越过它需要巨大的勇气和智慧,但是,它也会带给我们许多在课堂上没有的东西,譬如激情、快乐．

2.3.3 通过物理学原理设计体育趣味活动,进行体育和物理学科的融合

图9

例如图9,托乒乓球跑接力赛．在比赛过程中,每组(3-4人)由一名选手用乒乓球拍托着乒乓球以奔跑的形式行进50 m,再将乒乓球与球拍交接给下个选手,多次接力后,到达终点用时少者为胜．选手不能用手接触乒乓球,比赛途中若乒乓球掉地,则选手要捡起球,从对应位置继续开始．

【学科融合】 比赛时,将球置于球拍中心,以大小为a的加速度从静止开始做匀加速运动,当速度达到v0时,再以v0做匀速直线运动跑至终点．赛道为水平直道,比赛距离为s．设整个比赛过程中球一直保持在球拍中心不动．在比赛匀速直线运动阶段保持球拍的倾角为θ0,如图所示．设球在运动过程中受到的空气阻力与其速度大小成正比,方向与运动方向相反,不计球与球拍之间的摩擦,球的质量为m,重力加速度为g．则

(1) 空气阻力大小与球速大小的比例系数k;

(2) 求在加速跑阶段球拍倾角θ随速度v变化的关系式;

(3) 整个匀速跑阶段,若该同学速率仍为v0,而球拍的倾角比θ0大了β并保持不变,不计球在球拍上的移动引起的空气阻力的变化,为保证到达终点前球不从球拍上距离中心为r的下边沿掉落,求β应满足的条件．

体育运动项目为物理理论提供了实践和应用平台;物理又为体育运动的发展提供了理论和技术支持．如蹦极、健美操及花样滑冰等运动的每一项动作细节,都可以在物理理论中找到对应的模型．科学家根据游泳者在水中所受阻力的特点,设计出低阻力的鳖鱼皮泳衣．物理本身就是研究自然界一切物体运动规律的科学,体育运动自然也是物理研究的重要对象,但体育运动更是学生理解物理知识的重要情境．