百米賽跑全程速度差異的運動學分析

摘 要：以“百米賽跑全程速度差異的運動學分析”為例，闡述了以真實問題為導向的項目式學習設計。項目圍繞核心驅動問題展開，將任務逐級分解，設計問題，驅動項目實施。通過教學實踐，發現該項目的實施提高了學生學習物理的熱情，養成了科學探究意識，增強了科學思維能力，提高了在真實環境中運用物理知識解決問題的能力，從而提升學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：項目式學習；真實問題；百米賽跑；速度測量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0016-5

今年我校高一新生首次招收田徑類體育特長生，競賽運動備受關注。因此，我們就如何提高我校運動員百米賽跑成績開展項目式學習探索。通過從運動學角度分析我校運動員和我國“飛人”蘇炳添的百米賽跑數據，得出在百米賽跑速度變化上兩位運動員的差距，進而得出影響運動員成績差異的原因，提出具有指導性、可行性的建議，以期助力我校特長生百米賽跑成績的提升。

1 背景和意義

在項目式學習過程中，在教師的幫助下，學生面對來自真實世界的挑戰性項目任務，開展一定周期的探究、合作，完成項目成果，獲得知識、能力、素養的協調發展［1］。在學習過程中，學生能夠完整地經歷制訂目標—組建團隊—確立核心驅動問題—項目實施—形成成果—展示評估的過程，進而獲得知識與技能，養成探究意識，增強思維能力，提升問題解決能力及團隊協作能力等。

項目以“百米賽跑全程速度差異的運動學分析”為內容，組織學生開展研究性學習。旨在通過多元化思維學會速度的測量方法，體會極限思想，運用所學知識解決實際問題，為我校運動員今后的訓練提供理論參考。

2 項目設計

項目設計是指將一個理念或想法轉化為可行性的、可實施的方案或計劃的過程。本項目設計包括：項目目標、項目內容、核心驅動問題與分解驅動問題、項目實施等系列活動。

2.1 項目目標

本項目基于生活真實情境，以高中物理學科知識為載體，借助體育、信息技術、數學等跨學科知識交叉呈現項目化成果。通過項目學習，學生掌握學科知識，了解競技賽的相關規則，培養協作、探究意識，提升觀察能力、分析概括能力、應用知識解決實際問題的能力。項目目標如表1所示。

2.2 項目內容

項目以“百米賽跑全程速度差異的運動學分析”為內容，學生自主設計實驗方案進行測量、記錄、分析數據，得出結論，學生深度參與學習過程，體驗科學探究，養成學科核心素養。項目基本信息如表2所示。

2.3 核心驅動問題與分解驅動問題

教師拋出核心驅動問題，組織學生進行項目討論與組建，引導學生基于核心驅動問題自主分解驅動問題，培養學生主動提出問題的能力。任務分解如表3所示。

2.4 ?; 項目實施過程

2.4.1 入項活動

如何提高我校運動員百米賽跑成績？

持續時間：1課時。

教學活動：

教師展示蘇炳添的百米賽跑視頻。隨機采訪研究團隊學生的百米賽跑成績，讓他們放松下來。

組織學生討論，百米賽跑的成績好壞取決于什么指標？

學生思考交流，得出時間短，速度大。

教師繼續組織學生討論，百米賽跑是勻速直線運動嗎？各階段速度有什么變化？如何提升各階段的速度？

宣布項目目標，我們將對我校運動員與蘇炳添百米賽跑全程速度差異進行分析，找出差距，提出我校運動員提升百米賽跑成績可行的建議。

設計解析：通過交流讓學生知道從測速度入手分析問題，鎖定下一個階段重點探究的方向。

2.4.2 分解驅動問題1

百米賽跑的測速原理是怎樣的？

持續時間：1課時。

教學活動：

教師展示教學材料，呈現蘇炳添百米賽跑的視頻資料。

引導學生討論一般測量速度的方法有哪些？分別是如何實現的？不同方案遵循的原理是否相同？

學生分小組交流討論后匯報成果。總結如下：①利用打點計時器測物體運動速度。紙帶上的點跡記錄了小車的運動情況，要計算某一瞬時速度，用相鄰兩點間的平均速度來代替。②利用光電門測速。小車通過光電門的瞬時速度用遮光片的寬度與遮光時間的比值來確定。③頻閃照相測速。設定閃光頻率，可以確定曝光周期，通過讀取合成照片中某一位置兩側小球的位置坐標，用求平均速度的原理來確定這一位置的瞬時速度，與打點計時器原理相同。④三種測量方案遵循的原理是一樣的，都是運用極限的思想，用微小時間內的平均速度來代替這一時刻的瞬時速度。

教師引導學生繼續討論，上述測量方案能用于百米賽跑的測速嗎？困難點在哪里？如何解決？

學生的探究熱情被點燃，時而思索，時而質疑，天馬行空的想法都冒出來了。有學生提議自制一組大型光電門，記錄各個位置的瞬時速度。有學生補充，可以用手電筒光，人體擋光時間可以錄制視頻，通過慢放鏡頭的方法找到遮光前后的兩個時刻。又有學生說，白天手電筒擋光看不清楚，更拍不到，不如在地上劃線。另一位學生搶答，劃線不行，時間太短測不出來，畫雙線，相當于遮光板……最后統一的結果是：百米跑道上，每隔10 m畫一條1 m寬的雙線，再用手機攝像功能“跟拍”錄制我校運動員百米賽跑全程的視頻，在畫雙線處逐幀分析，測出運動員通過雙線的時間，從而求出對應的瞬時速度。

設計解析：教師引導學生觀看實驗視頻，探究速度測量的方法，既鞏固了學科知識，又運用學科知識解決了真實問題，讓學生體驗如何將一個實際問題轉化為研究項目，尤其是如何合理地分解項目并學會提出問題很關鍵。在此過程中培養學生的創新意識和應用意識。

2.4.3 分解驅動問題2

蘇炳添百米賽跑是如何測速的？

持續時間：3天。

教學活動：

（1）教師分發資料包，包括蘇炳添百米賽跑視頻；與百米賽跑相關的研究資料。

（2）學生利用周末時間自主學習教師分發的資料包，并查找相關資料，分析蘇炳添百米賽跑是如何測速的，下周分小組交流成果，教師對學生實驗進展進行跟蹤和引導。

優勝小組的成果展示如下：

小組1：通過查找資料發現，謝慧松在百米分段速度的研究中，將百米全程分為四個階段：起跑加速階段（0～30 m）、途中跑加速階段（30 m～50 m）、最大速度階段（50 m～80 m）、速度下降階段（80 m～100 m）［2］。我們從百米跑整體觀入手，分四個階段進行研究。通過視頻慢放發現，測量蘇炳添每10 m處的瞬時速度存在困難，用跨一步的長度除以對應時間，由于時間太短，逐幀播放畫面變化不明顯，導致跨步時間測量誤差過大。多數文獻資料顯示，按照10 m取平均速度更符合真實情境。

數據采集及處理：將蘇炳添2015年國際田聯鉆石賽尤金站9秒99季軍視頻導入CourseMaker軟件進行裁剪，只保留研究分析所需要的片段。對保留的視頻進行降幀慢放，數出百米賽跑的總步數，按照每10 m取平均速度，我們用作為每10 m的分界線，記錄時間節點。平均速度=。將提取的數據計入Excel表格中（表4），插入帶直線和數據標記的散點圖，繪制平均速度關于距離的圖像（圖1）。

小組2：我們引入“步長”和“步頻”等概念來比較我校運動員和蘇炳添的成績差異（表5），平均步長=，平均步頻=，步長指數=，步頻指數=步頻×身高，余步參考終點線寬計算。步長和步頻是現代短跑技術的核心，也是構成跑速的主要因素。步長指數和步頻指數兩項指標可以更加客觀、準確地證實步長、步頻與跑速之間的內在聯系。此外，還有步長指數和步頻指數相對應的評價標準（步長指數：男子≥1.2，女子≥1.15；步頻指數：男子≥8，女子≥7.5）［3］。

設計解析：本階段是基于真實問題解決的科學探究過程。學生通過給定的參考資料，自主收集有用信息，實驗過程中對前期方案可行性產生質疑，對實驗作出修正，再實驗，再收集數據，學生在一次次探究過程中更能理性、辯證性地思考問題，大大提升了學生解決問題的能力、科學思維能力和質疑創新精神。

2.4.4 分解驅動問題3

我校運動員和蘇炳添運動數據差異在哪里？

持續時間：1周。

教學活動：

（1）利用學校體訓隊訓練時間，組織小組成員對百米賽跑的運動員進行成績測試并進行全程錄像。

（2）對視頻進行裁剪，逐幀慢放，提取每10 m的時間間隔，從而求出平均速度，列表（表6），作圖（圖2）。

（3）將兩人的v-x圖像進行對比分析，找出差異，提出優化我校運動員成績的可行性方案。

（4）撰寫實驗報告“從運動學分析百米賽跑全程速度差異”，在研究性學習活動課進行匯報。

成果展示：

數據分析：選手的全程速度分配情況將直接影響到百米賽跑成績。以運動員加速跑到全程的最大值——峰值為參考，按照謝慧松的速度分段模式將全程劃分為起跑加速、途中跑加速、最大速度和速度下降四個階段。

（1）加速階段：蘇炳添起跑開始劇烈提速，跑到30 m處速度達到峰值，之后稍有回落，在50 m處再次出現速度高峰；學生運動員起跑加速也很明顯，但加速距離短，在20 m處速度開始有明顯回落，在30 m處速度最低，之后速度迅速提升至最高值。

（2）最大速度階段：蘇炳添在50 m～80 m區間在峰值附近維持相對穩定略有回落；學生運動員速度峰值保持距離短，在50 m后速度有明顯下滑，維持在相對較低的速度奔跑。

（3）速度下降階段：蘇炳添在最后20 m速度穩中有降；學生運動員在90 m處有明顯的提速，之后又明顯下降。

（4）從整體來看，無論是速度峰值，還是各階段的穩定性、耐力，學生運動員與蘇炳添還存在很大差距。

結論：學生運動員起跑反應迅速，起跑速度達到了5.36 m/s，達到專業水平。在100 m全程速度分配不合理，速度峰值仍有很大的提升空間，峰值維持距離短，最大速度階段呈現波浪形變化，后期需要進行科學訓練，加強體能、耐力、負重等方面的訓練。

數據分析：如表7所示，學生運動員步長、步頻與蘇炳添存在較大差距，步長指數和步頻指數也未達標。（步長指數：男子≥1.2，女子≥1.15；步頻指數：男子≥8，女子≥7.5）。

結論：決定運動員百米賽跑速度的主要因素是步長和步頻。一般來講，要想提高步長，必須提高后蹬和擺動效果。后蹬要力量大、速度快、動作充分，同時要掌握好后蹬的方向和角度。因此，在平時的訓練中，應注意后蹬和蹬擺配合技術的練習，同時增加一些負重的訓練。提高步頻應盡可能縮短每一單步的支撐時間和騰空時間。但是，步長和步頻兩者是相互依存、相互制約、辯證統一的，在步長一定的情況下，增加步頻則可以使跑速增大，或者步頻一定的情況下，增大步長，也可以提高跑速。但在訓練過程中，過分加大步長會延長每一單步的時間致使步頻降低，而過分加快步頻也會影響每一單步的受力效果而導致步長減小。因此，只有了解影響步長和步頻的各種因素及兩者之間的制約關系，通過日常科學系統的訓練，才能夠有效提高跑速。

3 項目反思

3.1 項目收獲

在項目實施的過程中，學生能夠沉浸式與真實問題相鏈接，以小組合作的形式，通過解決生活中的實際問題來促進自身的學習與發展。學生的主體地位得到了充分體現，真實生活情境中的問題往往都是復雜、繁瑣的，教師引領學生用科學方法解決實際問題，學生在活動過程中學會了自主、有針對性地檢索資料，在解決問題的過程中不斷有新問題出現，需要跨學科的知識，需要設計方案、評估方案的可行性，學生在解決這些繁瑣問題的過程中養成了探究意識，提升了批判性思維能力，加強了團隊合作意識，增強了綜合分析問題、解決問題的能力，提升了學生的學科核心素養。

3.2 不足與困惑

在項目式學習的開展過程中，教師的知識儲備和技術要不斷適應解決真實問題的需求；實驗中的可變因素過多，導致實驗的復雜性，對項目的實施提出多方面的要求。

4 結 語

項目式學習作為一種行之有效的探究式學習方式，能夠幫助學生建立學科與學科之間、學科與真實問題之間的聯系，不僅使學生能夠通過對信息的篩選、分析、加工、應用達到解決真實問題能力的階段性目標，又能夠使學生在潛移默化中促進交流與合作，增強科學探究的真實性，凝練科學思維方式和科學探究方法，激發并提高學生對物理學習與研究的興趣，促進學科素養的發展，達成正確的價值觀、必備品格和關鍵能力的終極目標。

參考文獻：

［1］桑國元，葉碧欣，王翔.項目式學習教師手冊［M］.北京：北京師范大學出版社，2023：31.

［2］謝慧松.中外優秀男子百米分段速度的研究［J］.北京體育大學學報，2005，28（3）：407-409.

［3］易文娟，詹曉梅，王雙，等.蘇炳添、張培萌與博爾特百米技術差異分析［J］.山東體育科技，2015，37（2）：63-65.

（欄目編輯 趙保鋼）