核心素养背景下高中物理情境化习题设计

刘 彤，李俊儒，郝 睿

宁夏大学物理与电子电气工程学院，银川 750021

为加强学生在实际情境中运用物理知识，《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订)》针对学业质量提出：试题的任务情境要与生产生活、科技发展等紧密联系，要探索设计与现实相关的问题情境，加强对学生应用物理学知识综合解决实际问题能力的考查；能将较复杂的实际情境问题中的对象和过程转换成物理模型；能在新的情境中对综合性物理问题进行分析和推理［1］。创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用。情境化习题通过紧密联系学生需要掌握的物理知识，使得学生在解决问题的过程中有身临其境之感，很好地激起了学生的求知欲。其次，可以利用习题中真实而又复杂的情境，来锻炼学生的理解、分析能力和思维扩展能力［2］，培养学生基于情境建构模型的抽象概括能力。

短道速滑起源于加拿大，在1992年阿尔贝维尔冬奥会被列为正式比赛项目。2022年北京冬奥会短道速滑比赛在首都体育馆进行，自2月5日开赛至2月16日结束，在十几天的比赛中，中国短道速滑队以2金1银1铜顺利收官。“短道速滑”比赛涉及了很多高中物理动力学知识，本文以此情境为载体进行“动力学”模块习题设计，不仅可以使学生在同一情境创设中发现知识之间的连贯性，培养学生建构模型的科学思维能力，提升学生的物理素质［3］，也可以让学生在情境中体会运动员十年如一日刻苦训练的艰辛和奖牌的来之不易，提高学生的民族自豪感。

1 融合速滑项目情境的习题设计

针对习题的情境设计要兼顾物理学科核心素养和高中学业命题考查的要求，为此，在自编题的情境创设中，将情境命题要求、核心素养和考查内容设计为如图1所示的框架图。教师首先向学生介绍短道速滑项目的相关信息（表1）。通过此环节可以加深学生对短道速滑情境信息的认识，为后续习题的模型建构提供充分的准备。

表1 短道速滑项目的相关信息

图1 情境设计框架图

1.1 “黄金8步”起步

师：起跑技术在短道速滑运动中至关重要，运动员起跑状态越好，越容易在后续比赛中占据优势位置。优秀运动员一般可以8步从起跑线滑到第一个转弯标志位置（图2），故称之为“黄金8步”。在直道阶段，运动员需要尽可能地增加蹬冰力量从而获得更快的滑行速度。

图2 短道速滑赛道示意图

自编题1：2018年冬奥会短道速滑500 m世界纪录保持者武大靖在比赛过程中，从起跑线开始保持匀加速直线运动滑行16 m，进入弯道前测得的瞬时速度v=8 m/s，求运动员在这段过程中的加速度a的大小和到达第一个弯道标志块的时间 t。

生：根据匀加速直线运动的公式

由于起跑初速度为0，解得

教师补充：由于起步阶段对爆发力要求很高，所以运动员在训练时需要加上一些专项的起步训练，比如在标准的起步姿势下反复单腿站立、下蹲训练腿部肌肉力量。

1.2 “压道转弯”

观看短道速滑比赛中运动员转弯和直道滑行的图片（图3），学生发现运动员在弯道滑行时将身体倾斜很大的角度，不仅没有摔倒，而且顺利通过弯道，在弯道滑行结束后运动员随即调整自己的身形体态变为直立滑行。

图3 滑冰示意图

教师解释：运动员要克服人体向前做直线运动的惯性，所以身子要向弯道中心倾斜。接着引导学生对运动员滑行的两种状态进行受力分析。

学生对这两种滑行状态分别进行受力分析（图 4）。

图4 运动员受力分析图

自编题2：冰面对短道速滑运动员的最大摩擦力约为自身重力的0.02倍，在水平冰面上沿半径为8 m的半圆弯道滑行。若只靠摩擦力来提供向心力，为顺利过弯，则运动员的速度v1为多少？图3中武大靖为提高转弯速度，身子向左方倾斜约67.8°，在忽略摩擦力的情况下，速度v2又将怎样变化？ （tan67.8°≈2.45）

生：水平弯道可以近似看成圆周运动，利用圆周运动知识，只靠摩擦力提供向心力时，竖直方向重力和支持力平衡，受力分析如图5所示。

图5 受力分析图

学生计算发现，如果只靠摩擦力来提供向心力的话，弯道速度远远不够。通过图4受力分析可知，当运动员倾斜身体时，冰面对运动员的支持力FN的竖直分力Fy与重力G二力平衡，水平分力Fx提供向心力，则有

通过数据可知，靠运动员所受支持力的水平分力来提供向心力时的运动速度远远高于仅靠摩擦力时的运动速度。由此，学生就可以利用圆周运动的知识解释为什么在赛道转弯时身体要向内倾斜而不是直立通过了。

教师补充：在短道速滑的赛道中弯道比直道更容易实现超越，但是也需要更多的技巧。如果在变换路线进行超越时未及时调整身体倾角，会出现提供的向心力与所需向心力大小不匹配，进而导致运动员摔倒。

自编题3：一质量为m的运动员由于压弯出现问题，在圆弧轨道顶端沿切线方向摔出跑道，与相距s1的弹性泡沫防护垫正撞。已知运动员以速度v摔倒之后与冰面接触，其动摩擦因数为μ，撞上防护垫后反弹距离为s2，设在碰撞时间内运动员对防护垫的平均作用力为F，求运动员与防护垫接触的时间t。

教师引导学生发散思维，不拘泥于一种形式解决实际问题。小组结合题干分析、合作讨论后发现，若求时间t，一定要用到动量定理，而求速度则成为这道题的解题关键。速度可以运用运动学和能量守恒知识两种方法求得。

①动力学为主的解决方法

首先，学生需要考虑在滑行过程中受到摩擦力，在这个过程中所受摩擦力方向与运动员速度方向相反，故做负功。利用牛顿第二定律求得运动过程的加速度，再套用运动学的方程公式。

运动员刚接触泡沫防护垫时的速度设为v1，则有

刚离开泡沫防护垫时的速度设为v2，则有

可解得

②能量守恒为主的解决方法

利用能量守恒定律，学生可将整个过程分为三个阶段：碰撞前、碰撞时、碰撞后。按照阶段分析状态始末的能量，即可解出碰撞前后的速度v。

在刚接触泡沫防护垫前

离开泡沫防护垫到运动员停下后

可解得

运用两种方法解决物理问题，在比较中寻找更合适、简便的算法，在运算中巩固所学知识和模型建构的能力，是题目设计意图所在。

1.3 接力速滑

背景知识：在短道速滑赛场上，除了个人竞赛，还有需要团队配合的接力速滑。在接力赛中，最为重要的是在滑行中运动员之间的交接。从专业角度来说，第二棒必须是线路掌握得好的，而且最好身材小一些、体重轻一些的，而一棒除了要求速度快，一般体格也要求稍微大一点，这样在一棒绝对速度快的情况下，推体型小的二棒会让其速度更快。

自编题4：北京冬奥会的混合接力比赛中，根据教练团的战略部署，我国的阵容搭配是一棒范可新、二棒张雨婷、三棒任子威、四棒武大靖，四人体重分别为 55 kg、45 kg、70 kg、73 kg。 当滑行速度为6 m/s的范可新和速度为3 m/s的张雨婷在直道上进行交接（图6）时，假设交接时无能量损失，那么交接后的两人速度分别为多少？如果两人的交接顺序倒过来，在交接速度不变的情况下，交接后的速度有什么变化？

图6 交接示意图

如果学生对于题干中的交接过程不能快速抽象出物理模型，教师可以引导学生把运动员想象成物块之间的碰撞过程，再回归题干情境中利用碰撞知识点解释运动员交接问题。该教学环节实现了将接力情境转为物体碰撞的模型再到用碰撞模型去解释接力过程的高效转化，从而提高学生将情境与物理知识相结合的能力。

对比发现：在颠倒顺序交接后，二棒速度减小，不利于比赛取得优势。

2 总结

现阶段的物理习题已多偏向于联系实际生活，但是模块化的情境设置还比较少。基于同一情境或同一系列情境去设置涵盖模块知识的一套习题，既可以将模块知识由浅入深地串联起来，又可以让学生在情境中将知识依次进阶，在反复应用中加深对知识的理解和掌握。