探索學(xué)科融合徑 助推教學(xué)新突破
——由2020年北京普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試第14題所悟

應(yīng)發(fā)寶

(北京市中關(guān)村中學(xué)，北京 100086)

圖1

真題.在無(wú)風(fēng)的環(huán)境,某人在高處釋放靜止的籃球,籃球豎直下落;如果先讓籃球以一定的角速度繞過(guò)球心的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖1)再釋放,則籃球在向下掉落的過(guò)程中偏離豎直方向做曲線運(yùn)動(dòng)．其原因是,轉(zhuǎn)動(dòng)的籃球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除受重力外,還受到空氣施加的阻力f1和偏轉(zhuǎn)力f2．這兩個(gè)力與籃球速度v的關(guān)系大致為:f1=k1v2,方向與籃球運(yùn)動(dòng)方向相反;f2=k2v,方向與籃球運(yùn)動(dòng)方向垂直．下列說(shuō)法正確的是

(A)k1、k2是與籃球轉(zhuǎn)動(dòng)角速度無(wú)關(guān)的常量.

(B) 籃球可回到原高度且角速度與釋放時(shí)的角速度相同.

(C) 人站得足夠高,落地前籃球有可能向上運(yùn)動(dòng).

(D) 釋放條件合適,籃球有可能在空中持續(xù)一段水平直線運(yùn)動(dòng).

學(xué)校傳授的知識(shí)總是被分成獨(dú)立的學(xué)科學(xué)習(xí),不是被統(tǒng)一的,而在實(shí)際生活中遭遇的問(wèn)題總是呈現(xiàn)為超學(xué)科、總是需要學(xué)科融合才能解決,但令人尷尬的是我們的教育并未授予學(xué)科融合的本領(lǐng)．下面就以新課程背景下2020年北京普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試第14題為契點(diǎn),管窺一下物理與體育學(xué)科的理性融合途徑．

1 新編教材中物理與體育學(xué)科融合點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)(見表1)

物理學(xué)范疇的體育運(yùn)動(dòng)主要由田徑、體操、游泳和球類構(gòu)成,其中田徑中的田賽項(xiàng)目(田徑運(yùn)動(dòng)中跳類運(yùn)動(dòng)包括跳高、跳遠(yuǎn)、跳繩、跳水、跳傘、撐竿跳高、三級(jí)跳遠(yuǎn)等運(yùn)動(dòng)以及鉛球、鐵餅等投擲運(yùn)動(dòng)),最終特征是高度和遠(yuǎn)度,而徑賽項(xiàng)目(短跑、長(zhǎng)跑和競(jìng)走)的最終特征則為速度．游泳可理解為水中徑賽,最終特征仍是速度．體操雖無(wú)法用單一速度、高度和遠(yuǎn)度來(lái)標(biāo)識(shí),但各種技術(shù)動(dòng)作和環(huán)節(jié)主要由“旋轉(zhuǎn)”構(gòu)成．球類則是綜合活動(dòng),既有田徑中的一切運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)態(tài),也有體操中的旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié),其特征是以命中目標(biāo)的多少來(lái)決定勝負(fù)．雖然體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目繁多,但若從物理受力角度分析,卻有可能是大同小異．下面就以球類運(yùn)動(dòng)和跳傘運(yùn)動(dòng)為例．

表1

續(xù)表

續(xù)表

【融合欄目】 必修1第一章第1節(jié)“質(zhì)點(diǎn) 參考系”中“思考與討論”(如圖2)

圖2

大部分球類運(yùn)動(dòng)(足球、臺(tái)球、籃球、排球、網(wǎng)球及乒乓球等)都能產(chǎn)生香蕉球,原因是“美麗的弧線”受力情況都一樣——馬格努斯力和壓差阻力,產(chǎn)生要領(lǐng)都相同——旋轉(zhuǎn)．

圖3

圖4

【融合欄目】 必修1第一章第4節(jié)正文“從v-t圖像看加速度”及章末“復(fù)習(xí)與提高”A組題2;必修1第二章章末“復(fù)習(xí)與提高”A組題5——跳傘運(yùn)動(dòng)(圖4)．

圖5

若跳傘者以半蹲式姿勢(shì)著陸,最大加速度約為20 g,緩沖時(shí)間內(nèi)的平均加速度(著陸速度除以緩沖時(shí)間)約為20-30 m/s2;若降落在草地、沙灘等松軟的地方,緩沖時(shí)間會(huì)更長(zhǎng),平均加速度更小,著陸時(shí)間內(nèi)的平均加速度約為3.5-7.5 m/s2;在跳傘表演或滑翔傘定點(diǎn)跳傘時(shí)大多采用雀降方式,加速度會(huì)接近于零．第2章“復(fù)習(xí)與提高”A組題5中“低空跳傘表演”著陸加速度就給了12 m/s2,而新教材在必修1第一章第4節(jié)“速度變化快慢的描述——加速度”從v-t圖像看加速度卻給出25 m/s2這樣一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值(見表2),是不可取的．

表2 一些運(yùn)動(dòng)物體的加速度(近似值)

物理學(xué)范疇的體育運(yùn)動(dòng)態(tài)充滿了各色物理學(xué)概念與數(shù)量的關(guān)系,如訓(xùn)練過(guò)程中所用的運(yùn)動(dòng)量、強(qiáng)度、密度、負(fù)荷等和運(yùn)動(dòng)員技術(shù)練習(xí)中出現(xiàn)的頻率、速率、節(jié)奏、幅度、力量、彈性等．從物理發(fā)展的角度看,可以通過(guò)調(diào)節(jié)這些物理指標(biāo)(如增加力量、改進(jìn)技術(shù)),使運(yùn)動(dòng)員跑的更快,投的更遠(yuǎn),舉的更多,旋轉(zhuǎn)的難度更大…,進(jìn)而使人體在運(yùn)動(dòng)中處于激化狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)生命的展現(xiàn)．

2 物理與體育學(xué)科融合的有效途徑

2.1 創(chuàng)設(shè)教與學(xué)的課堂情境,進(jìn)行物理知識(shí)與體育項(xiàng)目的滲透融合

為了豐富教學(xué)素材,可以從器械裝備、訓(xùn)練技巧、競(jìng)技現(xiàn)象等角度創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境．

對(duì)于以速度為特征的徑賽項(xiàng)目一般用于直線運(yùn)動(dòng)教學(xué)情境創(chuàng)設(shè);以高度和遠(yuǎn)度為特征的田賽項(xiàng)目一般用于拋體運(yùn)動(dòng)教學(xué)情境創(chuàng)設(shè);以旋轉(zhuǎn)為特征的藝術(shù)體操類則一般用于圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè);而對(duì)于具有綜合特性的球類運(yùn)動(dòng),在表1統(tǒng)計(jì)中各章節(jié)出現(xiàn)率占11/25≈44%,可用于運(yùn)動(dòng)的描述、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、曲線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、機(jī)械能守恒、動(dòng)量守恒定律(碰撞)等教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè),其是用于教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)較寬的體育素材之一．對(duì)于其它體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,如結(jié)合飛鏢講述平拋運(yùn)動(dòng)、結(jié)合引體向上講述力的合成與分解、結(jié)合拔河講述摩擦力的應(yīng)用;利用射箭、蹦床、撐竿跳高(撐竿斷裂)創(chuàng)設(shè)“彈性形變、彈性勢(shì)能”的教學(xué)情境等,都能為對(duì)應(yīng)的物理知識(shí)應(yīng)用創(chuàng)設(shè)高效的教學(xué)情境．

對(duì)于體育器械裝備,也可以創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)或活動(dòng)的情境．

如圖6(a),利用一種運(yùn)動(dòng)員體能訓(xùn)練器械——格斗繩來(lái)模似演示“波的干涉”中兩列波相遇時(shí)互不干擾、穿越而過(guò)的現(xiàn)象．利用操場(chǎng)上的海綿墊子、健身器材上包裹的海綿、拳擊手的拳套等各類體育器械和立定跳遠(yuǎn)時(shí)彎曲下肢、詠春中的 “寸拳”發(fā)力等體育運(yùn)動(dòng)為素材講述動(dòng)量定理,即可體驗(yàn)對(duì)比屈膝和直膝著地感覺,又可促成對(duì)規(guī)律更加深刻的認(rèn)識(shí)．又如圖6(b)所示,可以用藍(lán)球與乒乓球構(gòu)成母子球創(chuàng)設(shè)探究超彈性碰撞的活動(dòng)情境．一個(gè)乒乓球從高為h處自由落下,受水平地面的碰撞后沿原路返回上升h;若將此乒乓球與一個(gè)藍(lán)球如圖擺放,整體仍從高為h處自由下落,則乒乓球沿原路彈回上升的高度H與h的數(shù)量有什么關(guān)系(乒乓球質(zhì)量遠(yuǎn)小于藍(lán)球質(zhì)量)?超彈性碰撞實(shí)驗(yàn)是一個(gè)融合體育器械而創(chuàng)設(shè)的，即能夠開闊學(xué)生思路，又能促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理原理深入理解的演示實(shí)驗(yàn)．

圖6

2.2 利用體育運(yùn)動(dòng)背景原始問(wèn)題,促使動(dòng)作思維向物理思維的轉(zhuǎn)換融合

圖7

【融合欄目】 問(wèn)題:如圖7，在排球比賽中,你是否曾為排球下網(wǎng)或者出界而感到惋惜?

(1) 如果運(yùn)動(dòng)員沿水平方向擊球,在不計(jì)空氣阻力的情況下,要使排球既能過(guò)網(wǎng),又不出界,需要考慮哪些因素?如何估算球落地時(shí)的速度大小?

(2) 扣球時(shí)運(yùn)動(dòng)員的瞬時(shí)功率約為多少?

(3) 排球在雙方運(yùn)動(dòng)員的作用下在兩個(gè)場(chǎng)地來(lái)回運(yùn)動(dòng),其中蘊(yùn)含著哪些物理原理?

想要對(duì)上述問(wèn)題做出精確求解,就要建立物理模型、賦值計(jì)算．如平擊發(fā)球時(shí)球在空中的運(yùn)動(dòng)軌跡可視為拋物線,排球所做的運(yùn)動(dòng)是平拋運(yùn)動(dòng),可以建立平拋運(yùn)動(dòng)模型來(lái)研究球在什么情況下剛好過(guò)網(wǎng)或不出界;求瞬時(shí)功率需要知道球的瞬時(shí)速度,涉及扣球運(yùn)動(dòng)員施加給球的作用力的大小,也可從動(dòng)量定理的角度,得出球的初速度進(jìn)而求出瞬時(shí)功率;運(yùn)動(dòng)員在擊打排球中涉及力的作用效果、動(dòng)量、沖量、動(dòng)能等物理知識(shí)……，這樣根據(jù)相應(yīng)的物理模型結(jié)合具體的賦值,就可以將這些原始物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具體的物理問(wèn)題進(jìn)行求解,從而促使學(xué)生由動(dòng)作思維向物理思維的轉(zhuǎn)換融合．

2.3 通過(guò)課后學(xué)科融合活動(dòng),進(jìn)行體育知識(shí)和物理學(xué)科的創(chuàng)新融合

課外學(xué)科融合活動(dòng)的類型包括:雙向選修、課題探究、趣味活動(dòng)等．

2.3.1 通過(guò)開設(shè)“雙向”選修,進(jìn)行體育和物理學(xué)科的融合

在傳統(tǒng)體育課堂中,融入物理知識(shí)可以增加學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)技巧的理解;在物理教學(xué)中,融入體育實(shí)踐可以增加學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí),達(dá)到學(xué)以致用的目的．開設(shè)“雙向”選修課是互融的最佳途徑,既能讓學(xué)生強(qiáng)身健體,理解該課程中蘊(yùn)含的豐富物理知識(shí),又能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、科學(xué)的精神以及能夠全面提升學(xué)生的人文情懷．

2.3.2 通過(guò)課外課題探究,進(jìn)行體育和物理學(xué)科的融合

圖8

在每一屆現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)上,無(wú)論是場(chǎng)館建設(shè)、競(jìng)技比賽還是電視直播,都會(huì)涉及大量的科技應(yīng)用,以此作為探究活動(dòng)的課題,具有高大上的效果．當(dāng)然,也可以從身邊微小事物選題,例如圖8,哪只是短跑運(yùn)動(dòng)員的跑鞋?與長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的跑鞋有什么不同?為什么?針對(duì)這一問(wèn)題可以通過(guò)課外課題探究,先進(jìn)行物理思辯,然后再親身實(shí)踐對(duì)比檢驗(yàn),才能達(dá)到對(duì)“摩擦力”概念的深入理解與把握．知識(shí)的理論獲得和實(shí)際運(yùn)用之間,有一條鴻溝,越過(guò)它需要巨大的勇氣和智慧,但是,它也會(huì)帶給我們?cè)S多在課堂上沒有的東西,譬如激情、快樂(lè)．

2.3.3 通過(guò)物理學(xué)原理設(shè)計(jì)體育趣味活動(dòng),進(jìn)行體育和物理學(xué)科的融合

圖9

例如圖9,托乒乓球跑接力賽．在比賽過(guò)程中,每組(3-4人)由一名選手用乒乓球拍托著乒乓球以奔跑的形式行進(jìn)50 m,再將乒乓球與球拍交接給下個(gè)選手,多次接力后,到達(dá)終點(diǎn)用時(shí)少者為勝．選手不能用手接觸乒乓球,比賽途中若乒乓球掉地,則選手要撿起球,從對(duì)應(yīng)位置繼續(xù)開始．

【學(xué)科融合】 比賽時(shí),將球置于球拍中心,以大小為a的加速度從靜止開始做勻加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)速度達(dá)到v0時(shí),再以v0做勻速直線運(yùn)動(dòng)跑至終點(diǎn)．賽道為水平直道,比賽距離為s．設(shè)整個(gè)比賽過(guò)程中球一直保持在球拍中心不動(dòng)．在比賽勻速直線運(yùn)動(dòng)階段保持球拍的傾角為θ0,如圖所示．設(shè)球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的空氣阻力與其速度大小成正比,方向與運(yùn)動(dòng)方向相反,不計(jì)球與球拍之間的摩擦,球的質(zhì)量為m,重力加速度為g．則

(1) 空氣阻力大小與球速大小的比例系數(shù)k;

(2) 求在加速跑階段球拍傾角θ隨速度v變化的關(guān)系式;

(3) 整個(gè)勻速跑階段,若該同學(xué)速率仍為v0,而球拍的傾角比θ0大了β并保持不變,不計(jì)球在球拍上的移動(dòng)引起的空氣阻力的變化,為保證到達(dá)終點(diǎn)前球不從球拍上距離中心為r的下邊沿掉落,求β應(yīng)滿足的條件．

體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目為物理理論提供了實(shí)踐和應(yīng)用平臺(tái);物理又為體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持．如蹦極、健美操及花樣滑冰等運(yùn)動(dòng)的每一項(xiàng)動(dòng)作細(xì)節(jié),都可以在物理理論中找到對(duì)應(yīng)的模型．科學(xué)家根據(jù)游泳者在水中所受阻力的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出低阻力的鱉魚皮泳衣．物理本身就是研究自然界一切物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué),體育運(yùn)動(dòng)自然也是物理研究的重要對(duì)象,但體育運(yùn)動(dòng)更是學(xué)生理解物理知識(shí)的重要情境．