基于真實情境的“勻變速直線運動的應(yīng)用”教學(xué)實踐與反思

摘" "要：結(jié)合生活中常見的運動場景，創(chuàng)設(shè)勻變速運動問題情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解答實際問題，樹立安全意識，以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：問題情境；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任；勻變速直線運動的應(yīng)用

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）2-0094-3

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出，高中物理課程要通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實［1］。高考評價體系規(guī)定了高考考查載體之一——情境，要求即將進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)者在新穎或陌生的情境中主動思考，完成開放性或探究性的任務(wù)［2］。因此，本節(jié)課希望通過創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的運動情境，一方面，提高學(xué)生從情境中建立勻變速直線運動模型的能力，通過提出問題、制訂方案等要素提升科學(xué)探究能力，學(xué)會從情境中提取所需數(shù)據(jù)，關(guān)注情境中的限制條件，計算較為復(fù)雜的多體多過程問題；另一方面，通過將生活中的問題引入課堂，讓學(xué)生感受平時所學(xué)內(nèi)容可能是自己和家人安全的保障，體會遵守交通規(guī)則的重要性，實現(xiàn)從解題到解決問題的轉(zhuǎn)變。

1" " 教學(xué)內(nèi)容及學(xué)情分析

勻變速直線運動是學(xué)生進(jìn)入高中階段學(xué)習(xí)的第一個運動模型，也是生活中經(jīng)常遇到的一種運動。學(xué)生對該運動涉及的運動規(guī)律的理解和掌握，對其之后的牛頓運動定律、平拋運動等內(nèi)容的學(xué)習(xí)有很重要的影響。尤其是對于已進(jìn)入高三一輪復(fù)習(xí)的學(xué)生而言，盡管復(fù)習(xí)了運動學(xué)的基本概念，初步掌握了勻變速運動的基本規(guī)律，但他們存在記不住關(guān)系式，不能靈活選用關(guān)系式并對問題進(jìn)行解答，以及在復(fù)雜情境中（如兩體多過程問題）不能建立相應(yīng)運動模型，不會從問題描述中提取隱含條件，不善于用圖像和相對運動的方法進(jìn)行處理等問題。創(chuàng)設(shè)真實問題情境有助于學(xué)生對運動概念和規(guī)律的認(rèn)識和理解，通過對問題的思考和解答，有助于其學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展，并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

2" " 教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重難點

基于上述學(xué)情，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是通過生活中的運動實例，熟悉位移、時間、加速度、速度等物理量間的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確寫出解決問題所需的表達(dá)式，這也是本節(jié)課的重點。能從生活實例建立勻變速直線運動模型，綜合運用其規(guī)律解決生活中的實際問題，提升科學(xué)思維，樹立安全意識、態(tài)度和責(zé)任，這同時也是本節(jié)課的難點。

3" " 教學(xué)主要環(huán)節(jié)

3.1" " 創(chuàng)設(shè)勻變速運動情境

3.1.1" " 情境創(chuàng)設(shè)及問題提出

人行橫道是很多學(xué)生每天或者每周的必經(jīng)之路（圖1），曾經(jīng)出現(xiàn)過因行人或車輛不遵守交通規(guī)則引發(fā)的交通事故，當(dāng)學(xué)生通過該通道時，經(jīng)常會遇到這樣的問題：行人準(zhǔn)備經(jīng)人行橫道到馬路的另一側(cè)，人行交通燈顯示綠燈還剩2 s，行人能否安全通過？

3.1.2" " 教師引導(dǎo)

首先，行人以什么運動方式通過？在2 s內(nèi)以正常行走速度1.5 m/s開始通過一側(cè)道路，需要多大的加速度？末速度為多少？其次，如果做勻加速直線運動，知道初速度及運動時間的情況下，還需要知道哪些物理量才能計算出加速度和末速度，怎么獲取這些物理量？

3.1.3" " 學(xué)生活動

學(xué)生思考、討論后提出，為方便計算，可以假設(shè)行人做勻加速直線運動，知道初速度及運動時間的情況下，還需要知道位移才能求出末速度和加速度，并提出測量道路寬度的方案：測量某人正常行走時一步的長度，再數(shù)出此人勻速通過這段路程時的步數(shù)，兩者的乘積即為道路的寬度。

以上方案可以留給學(xué)生課后驗證，課堂上向?qū)W生展示一張導(dǎo)航地圖APP的截圖（圖2），因為地圖經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)測量會顯示標(biāo)度，這個類似于力的圖示中有關(guān)力大小的表示。學(xué)生通過以上數(shù)據(jù)估算出道路的寬度為15 m，通過計算得出加速度為6 m/s2，末速度為13.5 m/s，結(jié)果顯然是不符合常理的，因此在這種情況下通過是不安全的。

3.2" " 創(chuàng)設(shè)單體多過程運動情境

3.2.1" " 情境創(chuàng)設(shè)及問題提出

行人在通過馬路時還可能遇到另外一種情況（圖3），即通行燈還剩8 s時，從圖中A點開始跑向C點，這種情況下行人是否可以安全通過呢？

3.2.2" " 教師引導(dǎo)

用類似的方法可以估算出A點距離路口C點大約為20 m，假設(shè)行人初速度為1.5 m/s，加速度為2 m/s2，實際運動中，行人會一直做勻加速運動嗎？運動會受哪些因素影響？為計算出結(jié)果，應(yīng)進(jìn)行哪些近似處理？

3.2.3" " 學(xué)生活動

學(xué)生思考、討論后回答：行人從A點到C點很難一直做勻加速運動，因體力的限制存在最大速度，因此，運動過程應(yīng)該為分段運動，即先做勻加速運動，到達(dá)最大速度后做勻速運動。設(shè)最大速度為3.5 m/s，并忽略轉(zhuǎn)彎對速度大小的影響，可以推算出加速過程時間為1 s，位移大小為2.5 m，到達(dá)路口需要約6 s，通過道路到達(dá)中央人行道需10.3 s。

上述結(jié)果是以理想情況計算，實際還會因為同行的行人阻擋、負(fù)重等因素的影響，所需時間更長，因此情境二中想跑步通過也是不安全的。此時，展示行人安全通過該人行橫道的視頻，視頻中通行燈綠燈亮起，行人會先觀察車輛是否減速停車，再以正常速度近似勻速通過，全程約需12 s，與之前的計算相印證，從而樹立學(xué)生學(xué)以致用的信心。

3.3" " 創(chuàng)設(shè)多體多過程運動情境

3.3.1" " 情境創(chuàng)設(shè)及問題提出

馬路上有許多超車場景，按照交通安全法規(guī)，超車前兩車應(yīng)保持一定的安全距離，后車駕駛員需要預(yù)留超車時間和并線距離，很多路段還設(shè)有限速標(biāo)識（圖4），用高中所學(xué)的勻變速直線運動知識是否能計算出超車距離？

3.3.2" " 教師引導(dǎo)

將問題設(shè)置為：公交車和轎車前后以10 m/s同向行駛，制動時加速度為5 m/s2，轎車駕駛員反應(yīng)時間為1 s，應(yīng)與其保持多大的距離才能保證公交車緊急停車時后車不會發(fā)生追尾事故？若車距L=30 m，公交車車長L1=10 m，轎車車長L2=4.5 m，加速度大小a2=4 m/s2，該路段限速約16 m/s，轎車完成此次超車需要經(jīng)過多長時間？行駛多長距離？（其加速過程視為勻加速運動，忽略變道過程的影響，轎車超過公交車30 m視為超車完成）除計算出結(jié)果外，請預(yù)判哪些突發(fā)的情況可能會引發(fā)交通事故？

3.3.3" " 學(xué)生活動

學(xué)生通過小組討論、計算得出制動過程可看作先勻速后勻減速直線運動，勻速運動位移為10 m，勻減速過程位移為10 m，轎車與公交車至少要保持20 m距離。若要超車，根據(jù)圖4示意圖和所給數(shù)據(jù)，轎車需相對公交車運動74.5 m，先做勻加速直線運動，速度從10 m/s增加至16 m/s（設(shè)限速16 m/s），此過程需要1.5 s，轎車運動19.5 m，兩車運動的相對位移為4.5 m，之后轎車相對公交車以6 m/s勻速運動，需超過公交車70 m完成超車，所需總時間約為13.2 s，轎車行駛的總位移約為206.7 m。但應(yīng)該注意，行駛中可能會因前車突然變道，行人或動物突然竄出等情況引發(fā)事故，需隨時注意觀察路面情況，必要時需減速或放棄超車。

4" " 課后反思

本節(jié)課通過創(chuàng)設(shè)生活中的真實運動情境，既達(dá)成了復(fù)習(xí)勻變速直線運動知識和規(guī)律的教學(xué)目標(biāo)，又將問題生活化、情境化，實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任維度的素養(yǎng)提升。教學(xué)實施中發(fā)現(xiàn)，在解答通行人行橫道的運動情境問題時，大部分學(xué)生表現(xiàn)得較為積極投入，也暴露出忽視條件限制，如運動有初速度和最大速度限制等問題。在分析超車問題的情境時，學(xué)生存在對情境不熟悉，如超車過程需考慮車長、道路限速以及前后兩車因為運動模型不同而帶來的計算困難等問題，需要教師通過及時設(shè)問和組織討論來分解難點。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部.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.

［2］教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

（欄目編輯" " 李富強）

收稿日期：2023-12-05

作者簡介：龔浩（1985-），男，中學(xué)高級教師，主要從事高中物理教學(xué)及研究工作。