黄镇宇

摘   要：高中物理新教材包含大量课程素材资源，开发课程素材并结合学生生活创设物理情境、构建物理模型，是培养学生科学思维素养的重要途径。文章以拔河比赛为例，通过问题引导学生参与物理建模过程，并运用分析综合、推理论证、质疑创新等思维揭示比赛中的物理规律、探究拔河比赛的制胜法则，最终提高学生的科学思维素养。

关键词：拔河;建模;科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）3-0064-6

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出：“‘科学思维’是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。”[1]以“原始问题”为背景，创设与学习主题相关的情境，激发学生探究欲望，促成学生充分参与、体验科学思维过程。新教材已经为我们提供了大量情境类资源，充分利用这些资源，引导学生分析问题、解决问题是提升学生科学思维素养的有效途径。文章以拔河比赛为例，探究如何利用情境创设开发课程素材来提升高中生科学思维素养。

1    发掘教材资源，设置问题情境

国际拔河比赛规定，每个队由8名运动员组成，按8名运动员体重的总和，分成若干重量级别，同等级别的两个队进行比赛。还规定，运动员必须穿“拔河鞋”或没有鞋跟等突出物的平底鞋，不能戴手套。

（1）竞赛为什么要做出上述规定？试从物理学的角度进行说明。

（2）专业的拔河运动员在拔河时身体向后倾倒，跟地面的夹角很小，为什么要这样做？[2]

为了激发学生的学习动机，向学生展示拔河比赛情境图，如图1所示。并增设问题：

（1）结合各种拔河比赛分析两队比赛中某队失利时有哪几种典型情境及满足的力学条件。

学习任务：请从物理原理上分析说明。

2    利用微元思想，化大為小、化繁为简

情境再现：为了使学生对问题情境有更具体、形象的认识，组织观看不同年级学生的比赛、本班学生课前体验赛、中国男、女专业选手的比赛等视频。

任务1：拔河比赛中将标志带拉过本队河界的队为胜方，观看视频并从运动形式角度分析失利一方（绳子被对方拉过去）的典型情境有哪些。

队伍有时会被拉倒，有时会滑倒、滑动，有时会前后徘徊，有时会蛇形运动，个体有时会抓不住绳子而松手，等等。比赛往往都是势均力敌的胶着状态，取胜过程也往往是跌宕起伏。学生观看视频激发了探究的兴趣，但拔河过程非常复杂、多样，学生感到茫然，不知从何入手。教师要抓住学生描述中的一些关键词，如“有时……有时……”（有分段的思想）等，通过问题引导学生进行思想方法的迁移，将研究运动时学到的微元思想迁移到当前的复杂问题解决方案中。

问题1：实际问题总是非常复杂，要找规律还是有难度的。整个过程显得很复杂，有什么方法可以化复杂为简单呢？

问题2：比赛是一个积小胜为大胜的过程。队伍失利的小过程可以分成哪几种典型情境？

通过交流、分析比赛的视频，学生概括出三类导致（个体）队伍暂时失利的典型情境：

（1）手握不住绳子，即手与绳子间打滑导致绳子被对方拉走。

（2）手不打滑，脚与地面之间打滑，即人和绳子一起被对手拉走。

（3）手、脚都不打滑，但身体向对方倾斜，即被拉倒。

通过微元思想将复杂的大过程分成若干个小过程，实现了复杂问题的简单化，让学生真正体验到科学思维的强大力量。视频里国家队顽强拼搏的表现为学生树立榜样，激发荣誉感。使学生感悟学习、生活和比赛一样不会一帆风顺，成功只能靠一点一滴的积累，厚积薄发。

3    体验建模过程，提高建模能力

学生在解决实际问题时常常会机械地套用已有的模型，而不会根据问题的情境来建构模型。具体表现为：不会分析主要因素、次要因素，从而抓不住事物的本质，无法抽象出反映事物本质的关键特征;不能区分实际情境和物理情境。拔河比赛的问题情境在人教版高中物理必修第一册第三章单元练习中。高一新生物理建模意识和能力有待提高。为此，在课堂中需要细化建构过程，让学生分阶段参与建模过程，具体模型建构思路如表1、2、3所示。

教师不能让学生机械地记住几个模型，而是要他们体验建模过程，感悟建模思想：事物的发展总是受内因和外因的影响，只有全面分析各种因素，抓住主要因素、忽略次要因素，才能帮我们找到本质规律，并解决问题。在建模过程中，教师要引导学生在相互比较、评价、反思和质疑中检验、修正模型，不断提升建模能力。

4    推理论证、分析综合，揭示情境规律

问题1：实际比赛中双方有多名队员，每位队员的情况有所差异，是否可以简化研究对象的选取，达到复杂问题简单化的目的？

教师引导：根据大家的分析，先将比赛简化为队员A、B之间单人赛的情境，并假设B队员失利。讨论中均近似认为最大静摩擦力和滑动摩擦力相等;绳子始终处于水平。

任务1：根据力的作用点画出A、B的受力情况，如图2所示。

任务2：运用运动和相互作用观，揭示典型情境中的物理规律。

4.1    分析手与绳子间打滑的原因，寻找解决对策

情境1：B队员的手握不住绳子，即手与绳子间打滑导致绳子被对方拉走。

问题2：此时B的脚与地面间不打滑的力学条件是什么？

问题3：B的手与绳子间打滑的力学条件是什么？

问题4：B不发生翻转的力学条件是什么？

学生经过分析、推理、综合，揭示情境1中的物理规律。

脚不打滑的力学条件： fB2=fB1<fB2max（fB2max为脚和地面之间的最大静摩擦力）。

手打滑的力学条件：手和绳子间不滑动所需要的静摩擦力fB10大于它们之间的最大静摩擦力fB1max，即fB1max<fB10。由于打滑，此时手和绳子之间由静摩擦力变为滑动摩擦力。

不发生翻转的力学条件：以地面对B的作用力的等效作用点为支点，重力GB和摩擦力fB1满足杠杆平衡（由于学生没有学过力矩平衡的知识，所以用杠杆平衡进行分析）。

任务3：请大家为B提出实现逆转的对策。

学生：增大fB1max，即增大握绳力的同时增大手和绳子间接触面的粗糙程度。可以赛前在手上抹一些防滑粉，但要增大握力则需要长期的力量训练。

通过任务驱动和问题引导，学生利用杠杆平衡、力的平衡知识，通过分析、推理、综合等科学思维找到情境1的力学条件，既锻炼了思维也为后续探究提供启发。

4.2    分析脚与地面之间打滑的原因，寻找解决对策

情境2：队员B的手不打滑，但脚与地面之间打滑，即队员B和绳子一起被A拖走。

问题5：情境2中B要满足的力学条件是什么？

任务4：请大家为B提出改变局面的对策。

学生：队员B要满足3个条件，条件1是手不打滑，即fB1<fB1max;条件2是脚和地面间打滑，即fB1>fB2=fB2max;条件3是不发生翻转，即重力GB和摩擦力fB1满足杠杆平衡。逆转对策是增大fB2max，即增大脚与地面间接触面的粗糙程度或者地面对人的支持力。

4.3  &nbsp; 分析身体被往前拉倒的原因，寻找解决对策

情境3：队员B手、脚都不打滑，但整个身体向对方倾斜，即B被往前拉倒。

探究活动：如图3所示，利用学校健身房的器材组织学生体验（在课前进行）。

器材說明：器材中的绳子相当于拔河比赛中的长绳，绳子的拉力大小可以通过拉起砝码的重力衡量。人体和水平方向的倾角θ可以通过靠背后面的插销进行调节。

探究任务5：探究手对水平绳子的拉力的力臂一定时，拉力与倾角θ和人体重心高度之间的定性关系。

学生：

对于多变量问题，利用控制变量的思想设计如下探究步骤：

（1）同一位同学身体紧绷状态下（重力、重心位置确定），倾角不同时，体验手通过绳子将砝码拉起的过程（可以借助水平凳子保护同学安全）。分析倾角与手对绳子拉力的定性关系。

（2）体重相近、身材不同的同学（重力相同，重心不同），倾角相同时（可以用有靠背的凳子保证倾角相同），通过比较拉起砝码的质量，分析拉力与身高的关系。

由于绳子很难保持完全水平，同时人体的重心也很难确定，所以只能做一些定性探究。学生们能体验到：倾角越小，越容易将砝码拉起，即人对绳子的拉力越大。学生们还发现倾角越小时，腿部会承受更大的力而不自觉地发生弯曲，同时脚底更容易打滑。由于每个人肌肉力量不同，能承受的压力也不同，特别是倾角越小时探究步骤（2）越困难。在保证身体紧绷的情况下，能定性确定身材高的同学有优势。学生们还发现，亲身体验实验探究过程能极大地激发他们的兴趣，对学生掌握技术动作有更大帮助。

任务6：通过体验活动中的视频回顾，请大家分析情境3要满足的力学条件。

学生：满足3个条件，条件1是手不打滑，即fB1<fB1max，条件2是B的脚和地面间不滑动，即fB1=fB2<fB2max;条件3是B向对手方向翻转。以地面对B的作用力的等效作用点为支点，重力GB和力臂的乘积小于摩擦力fB1和力臂的乘积，如图2所示。

任务7：将B队员视为有质量的细杆，重力为GB，如图4所示。设绳子对手的作用点到O点的距离为LB1，重心到O点的距离为LB，人体（细杆）和地面的夹角为θ。请利用杠杆原理推导人体平衡时，绳子对手的摩擦力大小（等于绳子拉力大小）和上述物理量之间的大小关系。

任务8：通过推理，请大家为B提出实现逆转的对策。

学生：利用杠杆平衡，GBLBcosθ=fB1LB1sinθ。即fB1=cotθ。GB、LB不变时，可以通过减小LB1、θ实现逆转。

通过实践体验，学生对相关量有了定性的理解，再引导学生定量分析提升认知。学生发现减小LB1、θ时，GB和fB1的合力增大，地面对脚的支持力和摩擦力的合力也增大，人体特别是腿部要承受更大的力。这很好地解释了学生体验过程中发现的规律，即当θ减小时容易出现脚打滑和“腿软”的现象。学生发现增大GB、LB也有利于在拔河比赛中取胜，视频中运动员身材普遍较高的现象验证了这一推理，这一发现可以作为选择拔河运动员的重要身体参数标准。学生通过探究发现物理和体育、生活紧密相关，学以致用，跨学科的融会贯通让学生体会学习的意义。

5    评价、质疑、创新，探寻取胜之道

学生在拔河比赛的探究过程中会产生更多的疑问。教师可以利用这些质疑动态生成并增设任务，从而使探究活动不断深入。

5.1    从简化情境回归实际情境

质疑（学生）：实际比赛是多名运动员，此时的要求与单人比赛时一样吗？

学生：可以用力的合成知识解释。实际比赛中往往是多人组队，要使团队通过绳子给对手有尽量大的拉力，除了单人比赛一样的要求之外，还应该要绳子保持在一条直线上，使队伍的合力最大，所以队伍中往往有一个锚人;选手的步调要一致，同时发力，所以比赛中一定要有人喊口号。

5.2    辩证分析，合理利用技术

质疑（学生）：视频中运动员为什么要不断调节身体与地面的倾角，根据前面的分析，采用“躺平”策略不是最好的选择吗？

学生1：如果身体倾角变小，给对手的力变大。然而如果真“躺平”了，就变成衣服和地面接触，此时接触面的最大静摩擦力会变小。

学生2：倾角减小时，运动员身体承受的力大大增加，后退时容易倒地，不利于将绳子拉向己方。

学生3：“躺平”会导致绳子对自己的拉力斜向上，给对手的拉力斜向下，增大了对手和地面的最大静摩擦力，而自己和地面的最大静摩擦力却减小。

学生4：初中一直认为拔河比赛输赢只与“最大静摩擦力”有关，上完这节课才知道还有这么多“门道”。

实际上，最大静摩擦力往往大于滑动摩擦力，学生通过讨论发现比赛中要尽量避免因技术失误进入滑动模式。回看视频后，学生发现优秀的运动员在比赛中会根据对手情况不断调整倾角，避免脚打滑。

5.3    总结失利原因和对策，从失利走向成功

任务1：归纳队伍赢得拔河比赛的要求。

学生：（1）队员增大握绳力的同时要增加手和绳子间接触面的粗糙程度，从而增大手和绳子之间的最大静摩擦力;（2）尽可能选用身材高、体重大、肌肉力量好的队员，同时增大脚和地面间接触面的粗糙程度，从而增大脚和地面之间的最大静摩擦力;（3）队员要降低握绳点、减小人体与地面夹角（尽量后倾），使绳子给对手的拉力增大;（4）队员要步调一致，作用在一条直线上，使队伍的合力最大;（5）要根据赛场情况随机应变。

5.4    评价比赛姿势，选择最优方案

任务2：请结合班级比赛实践，评价拔河中侧向式和后仰式的姿势特点，并分析取胜之道。

学生1：侧向式简单易学、不易滑倒，但重心偏高，不能充分利用重力作用，手臂弯曲不易发力。由于队员对绳子的拉力不能完全沿绳子，拉力垂直于绳子的分力相互抵消。后仰式可以充分利用重力作用，但容易滑倒，后退时容易坐地上。

学生2：这都是体育课上讲的背弓（超越器械）动作（学生自觉将体育课堂和物理课堂联系在一起），后仰式可以双手伸直不主动发力，主要靠双腿、腰部一齐发力，让对方感受“胳膊拧不过大腿”，所以后仰式更好。

学生3：班级比赛中先采用容易发力的后仰式与对手僵持消耗对手体能，再依情势在口号声中一齐发力，采用侧向式进行反攻即可取胜。

学生在学习过程中提出很多有依据的质疑，教师充分利用这些质疑，引导学生相互交流、合作学习，比教师讲解能更好地提高学生核心素养。学生在学校拔河比赛中，自主讨论、设计人员站位，设计比赛战术安排。根据班级实际，创造性地将两种姿势相结合，最后取得年级前3的好成绩。这是他们在体育比赛中唯一获得的团体前3的成绩，更让他们倍感学習物理的力量，是利用高阶思维、深度学习的典型案例。

6    结    语

运动员比赛过程中有许多复杂、多变、不可预测的情境，它使体育比赛结果难以预测，显然不能用一个模型全部概括。但是，建模可以研究拔河比赛中主要的、典型的情境，揭示其本质规律，这正是物理建模的意义所在。因此，结合学情，开发新教材资源，合理创设实际情境，使学生相互质疑、释疑，通过合作交流学到知识，可以作为提升高中生科学思维素养的一个重要途径。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册[M].北京：人民教育出版社，2021：77.

（栏目编辑    贾伟尧）