利用生活實例開發物理課程資源
——以《位置變化快慢的描述——速度》為例

李顯林

玉溪市第一中學，云南 玉溪 653100

張茂昌老師指出，教師走出物理教學難的誤區有“三要訣”：手中有“物”，胸中有“理”和目中有“人”[1]。 源于生活的“物”，更易激發學生的學習興趣，讓學生見“物”思“理”，幫助學生理解物理概念的建立過程，掌握科學探究的方法，提升學生的核心素養和科學探究能力。

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：學生實驗是其他任何方式都無法替代的物理學習方式，要根據課程標準，最大限度地安排學生實驗[2]。人教版高中物理必修第一冊第一章第3節《位置變化快慢的描述——速度》是一節概念課，主要內容是講解速度、平均速度和瞬時速度三個物理概念。筆者利用生活實例把這節概念課改成了實驗課，以下是這節課的課堂設計。

1 課程資源的準備

生活中，百米短跑視頻通常采取近距離跟拍的方式展現運動員比賽中力量和速度的美。為了能更準確地描述運動的快慢，筆者和同事合作，用大疆牌“御”Mavic 2型無人機（圖1）從高空拍攝了學生百米短跑的視頻。為了獲取運動員的位置和時間信息，我們在視頻中加上了坐標和秒表計時器，如圖2所示。學生上課時分組進行探究，每個小組使用一臺電腦。

圖1 拍攝視頻使用的大疆牌“御”Mavic 2型無人機

圖2 加上坐標和秒表計時器的視頻截圖

2 教學過程

（1）創設情境，提出問題

教師首先播放博爾特打破百米世界紀錄的視頻（視頻截圖如圖3），然后提出問題：如何描述物體運動的快慢？

圖3 2009年8月16日博爾特沖刺瞬間

（2）合作交流，明確問題

通過引導學生交流討論，讓學生意識到：總位移和總時間的比值是平均速度，只能粗略描述物體運動的快慢。請同學們設計方案，更精確地實時描述運動員的運動情況。

（3）提出方案，解決問題

教師引導學生用“化整為零”的思想設計實驗方案。

方案一：將100 m等分成10份，分別測量運動員跑完每個10 m所需要的時間。

方案二：測量每一秒時間間隔內運動員的位移。

根據方案一，學生先讀取視頻中某位運動員的運動數據，算出10個平均速度，如表1所示。分析數據發現，可以把100 m短跑分成三個階段：起跑后的加速階段（速度快速增加）、途中勻速跑階段（維持最大速度運動）和沖刺階段（竭盡全力，速度會略有降低）。

表1 第六跑道運動員的運動數據

如果用全程的平均速度表示運動員經過90 m處的速度，誤差會很大；而用90 m到100 m的平均速度來近似表示90 m處的速度，誤差就會減小很多。選取的時間間隔Δt越小，用這段時間間隔內的平均速度表示90 m處的速度就越精確。如果時間間隔Δt非常短，可以近似認為Δx/Δt表示的就是物體在這個時刻經過90 m處的速度，這個速度叫作瞬時速度。

接下來，請同學們閱讀教材以下內容：用由時刻t到t＋Δt一小段時間內的平均速度來代替時刻t物體的速度，如果Δt取得小一些，物體在Δt這樣一個較小的時間內，運動快慢的差異就不會太大。當Δt非常非常小時，運動快慢的差異可以忽略不計，此時，我們就把Δx/Δt叫作物體在時刻 t的瞬時速度[3]。然后，教師介紹并演示利用遮光片和光電門測量物體的瞬時速度。

教材用語科學、準確、精練，但有時對學生而言卻難以理解。通過讓學生自己分析處理測試數據，讓學生觀看光電門測速度的演示實驗，有助于加深學生對瞬時速度概念的理解。

（4）整合知識，學以致用

根據方案二，通過分析視頻數據，可以算出運動員每一秒的平均速度，用這個平均速度可以近似表示中間時刻的瞬時速度。讓學生在坐標紙上畫出v-t圖（圖4），了解速度隨時間的變化情況。

圖4 學生根據讀取的實驗數據繪制的v-t圖

（5）合理簡化，建立模型

抓住主要因素，忽略次要因素，將100 m短跑簡化為加速跑和途中跑兩個階段。如圖5所示，運動員甲在加速階段加速度大，最大速度小；運動員乙在加速階段加速度小，最大速度大。在兩者速度相等以前，運動員甲領先，但是甲的耐力不好，最終被運動員乙反超。后續課程中教師還可以利用這個圖像讓學生學習加速度的概念，推導位移公式，研究追擊和相遇問題等。

圖5 簡化后的100 m短跑運動員的v-t圖像

（6）誤差分析

實驗誤差的主要原因如下：

①如圖6所示，當把運動員看成質點讀取位置數據時，通常取運動員頭部這個點的位置。但是由于拍攝角度的問題，有時運動員的頭部已過線，但身體還未過線，此時會產生測量誤差。

圖6 將視頻中的運動員近似看作質點

②計時的秒表是數字式的，最小間隔是0.1 s，存在計時誤差。

③描繪v-t圖時，描點不準，畫線不準造成的誤差。

3 教后感

筆者把這節概念課改為實驗課后，突出了學生的主體地位，取得了較好的教學效果，具體表現在以下幾個方面：

（1）開發生活實例，突破教學難點

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：物理教學要積極利用已有的數字媒體，主動開發適合教學、提高教學質量的信息產品；拓寬物理學習的途徑；促進物理教學方式改革[2]。

俯視角度拍攝的視頻讓學生從一個全新的角度來欣賞100 m短跑比賽，讓他們體會到“質點”這個理想模型的實際應用；不僅可以幫助學生理解時間和時刻、位移與位置、平均速度與瞬時速度等物理概念的區別和聯系，還為學生提供了豐富、便利的科學探究機會，讓學生在整堂課中都保持著極高的興趣和參與度。這個教學過程實現了從生活場景到物理情境的過渡，生活語言到物理科學表述的轉變，大大豐富了學生學習物理的體驗。

（2）促進學生核心素養的發展

通過對短跑視頻的研究，讓學生認識到在100 m短跑中，運動員經歷了加速、勻速和沖刺等運動階段，讓學生形成正確的運動觀。通過這個研究過程，培養了學生的科學思維，學生在化整為零、近似表示、極限和數形結合等方面的思維能力都得到了提高。

在科學探究過程中，學生從確定研究對象開始，依次經歷了將研究對象抽象為質點、建立坐標軸、讀數、數據處理、畫圖和分析實驗結果等一系列研究過程，培養了學生設計實驗方案的能力、小組合作的能力、數據處理的能力和分析誤差的能力。

在科學態度和責任方面，培養了學生仔細認真研究、科學規范記錄數據的科學習慣；讓學生尊重實驗數據，樹立實事求是的科學態度。本文的研究方法還可以應用于體育老師選拔和訓練運動員的過程，讓學生體會到科學研究可以為社會服務的應用意義。

（3）這種教學方法值得推廣

教師可以利用錄像設備錄制自由落體運動、豎直上拋運動、平拋運動和圓周運動等運動視頻，加上坐標刻度和計時器后，形成課程視頻資源，幫助學生更直觀地掌握物理知識，提升核心素養能力，改變物理難教難學的局面。